三相四桥臂逆变器的 PWM 控制策略 2013-03-18 14:03 文章来源: 电源网 有 1859 人阅读过 1 引言 【电源网】与其他三相逆变器相比，三相四桥臂全桥逆变器具有体积小、重量轻、成本低的优点，因此具 有很好的应用价值。该逆变器控制策略主要有空间矢量控制法和滞环控制法，其中对空间矢量控制法的研 究较为深入。三维空间矢量控制法虽然具有电压利用率高、控制灵活、效率高等优点，但其空间矢量图抽 象，难以理解，控制时需进行坐标变换，且开关矢量带有根号，控制较为复杂。滞环控制法的控制思想简 单，易于理解，但该方法用于四桥臂逆变器时，需对各相误差电流大小进行判断，从而决定第四桥臂两开 关管的开关状态。因此，控制的实时性和精度受到了影响。 此处研究了一种零序电流注入的 PWM 控制策略，该控制策略能实现三相四桥臂逆变器的解耦控制，且控 制方法简单，易于理解和实现。与常规的正弦波调制方法相比，直流母线电压利用率得到了提高，且具有 很好的带不平衡负载能力。 2 三相四桥臂逆变器系统模型 图 1 示出三相四桥臂逆变器主电路结构图。为便于分析，假设直流电源 E 分为两部分，中间点电位为零。 4 个桥臂的中间点电压分别为 ua，ub，uc，uN，电感电流分别为 iLa，iLb，iLc，三相输出电压分别为 uoa， uob，uoc，输出电流分别为 ioa，iob，ioc。 三相四桥臂逆变器的状态方程为： 

三相四桥臂逆变器有 8 个开关管器件，用 Sa，Sb，Sc，SN 分别表示每个桥臂的开关函数。当桥臂上管开 通，下管关断时，定义此桥臂的开关方式为 Si=1(i=a，b，c，N)；当桥臂上管关断，下管开通时，定义 Si=0。 令 SaN=Sa-SN，SbN=Sb-SN，ScN=Sc-SN，则桥臂输出电压与直流侧输入电压之间的关系为： 由上式可得三相四桥臂逆变器开关周期平均模型等效电路如图 2 所示。可见，该电路每一相都是独立的， 相互之间不存在耦合关系，若采用的控制方法合适，可将三相四桥臂逆变器分解成 3 个独立的单相全桥逆 变器，各逆变器输出电压相位互差 120°。 

3 零序电流注入控制策略 前三桥臂采用瞬时电压电流双闭环控制策略，电压电流环均采用 PI 控制器，由于 a，b，c 相控制方法相同， 以其中任意一相为例进行说明，其控制原理图如图 3 所示。图中，I／U 为电流采样器，将 iL 转换成电压信 号 uiL；U1 为电压控制器，将输出采样电压 uo 与参考电压 uuref 相比较产生电压误差信号 uiref，作为电 流环的基准信号；U2 为电流控制器，将 uiL 与 uiref 相比较得到电流误差信号 uie，并作用于开关控制器， 从而将模拟量转换为脉冲量 d(t)作用于主功率开关变换器。电流环是内环，实现电流的自动调节，确定系 统对输入电压的响应；电压环是外环，实现电压的自动调节，确定系统对负载电流的响应。 第四桥臂采用瞬时电流控制法进行控制，该方法将 a．b，c 三相的电流给定信号，即 uiref 进行三相正负半 波整流，得到整流后的电流信号包络线作为第四桥臂电流给定信号，将该电流给定信号与三角波交截产生 第四桥臂的控制信号，去控制第四桥臂两个开关管的导通和关断。 采用上述控制方法可实现三相电压电流解耦的原因是：根据不对称分量法，三相逆变器的三相电流可分解 为正序、负序和零序分量。如果需要保证在不平衡负载条件下，三相输出电压对称，那么必须保证各相相 电流中只存在正序和负序电流而不存在零序电流，即只要利用三相四桥臂逆变器的第四桥臂为三相逆变器 的零序电流提供通路，就能实现三相输出电压平衡，也能实现三相电压电流的解耦控制。接下来讨论如何 得到三相电流中的零序电流：所有 3k 次谐波(k 为自然数)均为零序电流，而三相电流经过三相正负半波整 流后得到的电流包络线，也正好含有 3k 次谐波，可见三相电流经正负半波整流后得到的包络线实际上就是 三相电流中的零序电流。 4 控制策略对直流电压利用率的影响 将第四桥臂的电流给定信号取出，分别加到 a，b，c 三相电压环的输出端。由于第四桥臂电流为零序电流， 其含量最多的是 3 次谐波，因此也可以理解为在 a，b，c 三相的调制信号中加入了 3 次谐波。采用 3 次谐 波注入的正弦波调制时，正弦基波的幅值被削低。同样在调制度为 1 的情况下，调制波中含有更大的基波 幅值，根据控制原理，输出信号是跟随给定信号的，既然给定信号中调制波基波幅值增大，那么逆变器输 

出端产生的基波幅值也随之增大，从而提高了逆变器的直流母线电压利用率。3 次谐波注入的正弦波调制 与常规的正弦波调制相比，直流电压利用率提高了 13．4％。 5 实验 研制了一台采用零序电流注入法控制的三相四桥臂逆变器原理样机，设计参数为：E=290 V，交流输出电 压 115 V，输出电压频率 400 Hz，La=Lb=Lc=240μH，Ca=Cb=Cc=14μF，额定负载 6 kVA，每相 2 kVA。 实验波形如图 4 所示。 图 4 分别为原理样机在三相空载和三相平衡阻性额定负载时 iLa，uoa，uob，uoc 的波形，可见，输出电压 波形正弦度较高，畸变很小，因此该控制方法可有效地实现三相四桥臂逆变器的控制。 表 1 示出逆变器带三相不对称负载时的实验数据。可见，当负载功率出现不平衡时，采用零序电流注入法 控制的三相四桥臂逆变器输出电压仍能保持平衡，因此该逆变器具有较强的带不平衡负载能力。此外根据 经验，采用三相半桥逆变器时，若输出相电压有效值为 115 V，则需 360V 直流母线电压，而在所提出的控 制策略下，逆变器直流母线电压仅为 290 V，可见直流母线电压利用率有所提高。 图 5 示出原理样机效率曲线。可见，6 kVA 额定负载时，逆变器效率可达 96．5％，变换效率较高。 

6 结论 在分析了三相四桥臂逆变器数学模型的基础上，研究了一种三相四桥臂逆变器解耦控制策略。该方法将传 统的 PWM 控制方法和零序电流注入结合起来，控制方法简单、易于理解，避免了采用空间矢量控制方法 带来的计算复杂，克服了必须依赖数字处理器进行计算的缺点。理论和实验均表明，该控制方法使逆变器 具有输出电压波形总谐波畸变率低，变换效率较高，带不平衡负载能力强和能提高直流母线电压利用率等 特点，因此适合作为恒压、恒频的三相逆变电源而广泛使用。