低輸入電壓大功率三相400Hz逆變器的製作方法

2023-06-07 10:58:51

專利名稱：低輸入電壓大功率三相400Hz逆變器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種低輸入電壓大功率三相400Hz逆變器背景技術低壓蓄電池作為能源的逆變器在對可靠性要求較嚴格的場合得到廣泛應用，如郵電通訊用48v輸入50Hz逆變器，滿足各種飛機供電需要的高機動性28v輸入400Hz逆變器等，採用太陽能或燃料電池等新型能源的逆變器目前輸入電壓也較低。
逆變器(靜止變流器)的基本要求是可靠性高、成本低、維護方便、電氣性能好，體積小、重量輕、。重要的電氣性能指標有輸出頻率穩定、輸出電壓精度高、動態響應速度快、輸出正弦電壓失真度低、效率高。軍用環境對靜止變流器提出了進一步要求，如高度、溫度、溼度、振動衝擊、抗電磁幹擾等等。
國內低電壓輸入逆變器產品一般採用正激式變換器和電流控制單相逆變器構成，由於受單端式變換器功率容量的限制，該技術均難以適用於更大功率，南京航空航天大學曾為某型坦克研製過1.75kVA，28V單相靜止變流器，這是目前國內採用上述技術研製的最大功率的28V輸入單相靜止變流器。與航空靜止變流器類似的民用產品為郵電通訊用逆變電源，其輸入為48V，輸出為220V/50Hz單相，目前產品的功率也在10千伏安以下。由此可見，國內外尚沒有滿足低電壓輸入的大容量靜止變流器產品。
靜止變流器常用方案可分為低頻電氣隔離和高頻電氣隔離兩類。具體方案有(1)從低壓直接逆變，再升壓逆變器可以是橋式或推挽式。逆變器的開關頻率為400Hz，採用脈寬調製技術，將28V直流電轉變為小於180°寬方波或SPWM波，調節輸出電壓，濾波後再經輸出變壓器將電壓升高到所需值。
(2)直流升壓變換器和階梯波合成逆變器組合階梯波合成逆變器輸出電壓中低次諧波含量小，可減小交流濾波器的重量體積，但本身沒有輸出電壓調節功能，輸出電壓調節通過前級的直流變換器實現。
(3)直流變換器和正弦脈寬調製逆變器的組合。
直流變換器一般採用高頻工作的有隔離的單端正激或單端反激變換器，正弦脈寬調製逆變器輸出波形失真度小，由於無需較大的濾波器和低頻輸出變壓器，體積重量小，這種方案可以採用電壓電流雙閉環調節系統，以加快系統的響應速度。
以上幾種技術方案，功率器件的電流應力大，變換效率低，應用於低壓大功率系統均存在較大困難。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種具有波形質量好、可靠性高、效率高，能實現低壓輸入的大功率逆變器。
為實現上述目的，本實用新型採用移相調壓階梯波合成逆變器方案，由二組電路結構和控制一樣的階梯波合成逆變器構成，通過調節二組逆變器的相位角穩定輸出電壓。
本逆變器包括功率電路和控制電路，其中功率電路由內部結構完全相同的相互並聯的逆變器構成。每組逆變器由四個相互並聯的三相全橋以及四個三相變壓器(也稱合成變壓器)構成，每相變壓器的原邊繞組均串聯三相全橋電路中的二個功率開關管，每個三相變壓器的副邊繞組相互串聯，每相串聯繞組分成四對，第一對每相均為一個繞組，其中C相是一個反相繞組，第二、第三、第四對A相串聯繞組均為一個正向繞組串聯一個反向繞組，第二、第三、第四對B相串聯繞組均為兩個正向繞組串聯，第二、第三、第四對C相串聯繞組均為兩個反向繞組串聯。
控制電路包括時間基準和三角波發生電路連於可變移相器，可變移相器的輸出分別經前後兩個鎖相環電路各自連於循環移位計數器，兩個循環移位計數器各自連於兩組階梯波合成逆變器，整流濾波電路連於電壓調節器，電壓調節器的輸出及軟啟動電路分別連於可變移相器。
本實用新型的逆變器，採用多個階梯波逆變器構成，將每個階梯波逆變器再分為兩組。兩組階梯波逆變器的電路結構和控制信號相位完全相同，每個逆變橋功率均分。由於功率均分，每個變壓器的容量減小為原來的一半，三相橋的電流定額也降低一半。這樣，不但前後兩組逆變器功率均分，而且同組串聯的逆變器之間也功率均分。因此本逆變器可以很好的解決(1)各個階梯波通道之間功率自然均分，單臺逆變器功率容量小，每個橋臂的電流定額小，易於實現；(2)輸出電壓波形好，所需的濾波器體積重量小；(3)可以達到較高的效率；(4)由於電路中的三相全橋逆變器電路完全相同，可模塊化生產，便於生產和維護，這一點對於產品來說很重要。


圖1四組階梯逆變器連接框圖。
圖2單組階梯逆變器連接示意圖。
圖3控制電路框圖。
圖4方波三角波轉換電路。
圖5電壓調節電路(PI調節器)。
圖6可變移相器。
圖7單穩觸發器。
圖8鎖相環電路。
圖9循環移位計數器。
上述圖中主要符號名稱S1～S2-階梯波逆變器，W1～W12-變壓器繞組，PLL-鎖相環電路
具體實施方式
根據上述附圖敘述本逆變器的具體實施方式
。本逆變器的功率電路由四組24階梯波逆變器S1，S2，S3，S4構成，如圖1，四組逆變器輸出串聯，並外接成星型。每組逆變器內部結構完全相同，只是控制信號相位有所不同。兩組階梯波逆變器S1，S2的控制信號相位相同，另外兩組階梯波逆變器S3，S4的控制信號相位相同，前兩組階梯波逆變器S1，S2超前後兩組階梯波逆變器S3，S4。每組逆變器由四個三相全橋以及四個三相變壓器構成，如圖2，每個三相全橋電路的變壓器原邊的a，b，c三相繞組均各自串聯三相全橋電路中的二個功率開關，每個三相變壓器副邊的a，b，c三相繞組相互串聯，每相串聯繞組均分成四對。第一對每相均為一個繞組，即a相繞組W1，b相繞組W9，c相繞組 (反相繞組，以下相同)，a相的第二對，第三對，第四對繞組均為一個正相繞組串聯一個反相繞組，即W2與 串聯，W3與 串聯，W4與 串聯，b相的第二對，第三對，第四對繞組均為兩個正相繞組串聯，即W6與W10串聯，W7與W11串聯，W8與W12串聯，c相的第二對，第三對，第四對繞組均為兩個反相繞組串聯，即 與 串聯， 與 串聯， 與 串聯。按一定控制規律開關各功率管，使得每個三相橋的a相電壓相差15°，這樣，在各變壓器副邊可得到相位相差15°的一系列準矩形波，按「諧波抵消″原理串聯副邊繞組，可以得到近似正弦波的階梯波。
功率管採用場效應電晶體，通過場效應電晶體的並聯可以使橋臂的通態電阻降低，場效應電晶體的並聯可以增加橋臂的電流容量，實現大功率輸出。
圖3所示是控制電路框圖控制電路的具體工作方式如下，三相輸出電壓反饋與給定基準比較，誤差信號經PI調節器形成相位差給定信號，這個信號與三角波交截比較，得到相位給定信號，該信號是一個脈寬變化的400Hz準矩形波，兩個鎖相環(PLL，phase lockloop)分別跟蹤矩形波的上升沿和下降沿，同時分別輸出9.6kHz的脈衝信號作為下一級24位循環移位計數器的cp信號。矩形波的前沿對應超前組逆變器的相位，而矩形波的後沿對應滯後組的相位，因此矩形波的寬窄決定了兩組階梯波逆變器的輸出相位的大小。當矩形波脈寬為180°時，兩組逆變器輸出相位差為180°，此時兩逆變器輸出電壓相反，串聯後電壓為零；當矩形波脈寬減小時，兩逆變器相位差減小，串聯輸出電壓逐漸升高。圖2-13是該系統的控制功能框圖。另外，還需要故障保護和啟動電路，當發生故障時，對不同的故障做出相應處理。
時基電路由石英晶振、計數分頻器組成。採用石英晶振可以產生一個固定頻率的時鐘信號，經計數器分頻後得到穩定度極高的400Hz對稱方波。
相位差給定信號Up要與三角波進行比較，得到相位給定信號θ。因此要求三角波的幅值、頻率穩定，並且為了以後可以實現前後組電壓的鎖相，要求三角波正負半周對稱，沒有直流分量。根據以上要求設計了方波三角波轉換電路。
方波三角波轉換電路一般採用積分電路，理論上可以得到質量良好的三角波，但實際應用還存在較多問題。由於400Hz方波頻率較低，即使採用較大的電容隔直，仍不能保證理想效果。並且由於實際運放輸入端的失調電壓和失調電流的影響，一般積分形式的三角波發生電路極易產生三角波的直流偏壓以及運放輸出飽和。另外運放正負電源電壓不對稱也容易產生直流分量。
因此設計了有直流負反饋的三角波產生電路，如圖4，在方波隔直和積分電路中間插入了一個負反饋環節，將輸出三角波的直流量反饋給雙極性方波，從而抑制了三角波的直流分量。該電路對器件要求低，魯棒性好，便於調節。
圖5所示的是電壓調節電路即PI調節器輸出電壓經過整流反饋，與電壓基準比較，誤差信號經過PI調節器放大，得到相位差給定信號Up，Up的大小確定了前後組的相位差。
該電路還有軟啟動功能。上電時，由於電容充電，電壓基準緩慢升高到給定值，輸出電壓跟隨給定緩慢升高，實現軟啟動。
圖6是可變移相器由PI調節器輸出的相位差給定Up與三角波交截產生給定信號θ，相位差給定信號的上升沿給定前組逆變器相位，下降沿給定後組逆變器相位。相位差給定信號Up需要限幅，最大值不超過三角波幅值，最小值為零，即使相位給定信號脈寬在0°～180°之間變化。
圖7是單相觸發器，圖8是鎖相環電路。
可變移相器送出的相位給定信號被送給兩個單穩觸發器，這兩個單穩觸發器分別為上升沿觸發和下降沿觸發，如圖7，使邊緣信號轉變成具有一定脈寬的電平信號。這樣由脈寬可變的相位給定信號就產生了兩路上升沿位置可變的相位給定信號，其上升沿之差是2θ。
兩路相位給定信號分別分配給前後組鎖相環，前後組鎖相環以及後級的24位移位循環計數器的結構完全相同，如圖8所示鎖相環電路。這裡以前組逆變器為例，說明鎖相環電路設計。
本系統採用CC4046模擬鎖相環，實際電路中採用R151和C103構低通濾波器，分頻功能由後級的24位循環計數器完成。
鎖相環的壓控振蕩器中心頻率即輸出頻率為9.6kHz，對鎖相環的外圍元件需要精心設計，特別是壓控振蕩器的外圍電阻電容，以及濾波器的阻容常數，才能使鎖相環穩定工作。
圖9是循環移位計數器鎖相環穩態瑣定狀態時輸出的cp信號該是9.6kHz脈衝，由分相電路對此信號進行24分相，可以產生24路依次移相15°的方波激勵信號，頻率為9.6k/24＝400Hz，分相電路由24位循環移位計數器構成。
集成的CMOS移位計數器很多，在選擇時主要考慮以下幾點1.系統採用軟啟動，在上電瞬間前後組循環移位計數器應立刻正常工作，因此移位計數器需並行置數功能；2.考慮降低成本和便於生產，應選擇比較常用的晶片。
CC40196是四位移位計數器，可並行置數，考慮上述原因，選用CC40196循環串聯。
需要注意的是，六片40196級聯工作對外加CP和置數信號的一致性和驅動能力有一定的要求。由於六片40196片內的閥值不可能完全相同，可能出現競爭。因此外加的CP和置數信號應該整形，保證有「陡峭″的上升沿和下降沿。
權利要求1.一種低輸入電壓大功率三相400Hz逆變器包括功率電路和控制電路，其特徵在於所述功率電路由內部結構完全相同的四組相互並聯的階梯波逆變器構成，四組逆變器輸出串聯，並外接成星型，每組逆變器由四個相互並聯的三相全橋和四個三相變壓器構成，每相變壓器的原邊繞組與三相全橋電路中的二個功率開關管串聯成迴路，每個三相變壓器的副邊繞組相互串聯；所述控制電路包括時間基準和三角波發生電路連於可變移相器，可變移相器的輸出分別經前後兩個鎖相環電路各自連於分別與兩組階梯波逆變器相連的循環移位計數器以及與整流濾波電路相連的電壓調節器的輸出及軟啟動電路分別連於可變移相器。
2.根據權利要求1所述的低輸入電壓大功率三相400Hz逆變器，其特徵在於四個三相變壓器副邊的每相串聯繞組分成四對，第一對每相均為一個繞組，其中C相是一個反相繞組，A相的第二、第三、第四對繞組為一個正相繞組串聯一個反相繞組，B相第二、第三、第四對繞組均為兩個正相繞組串聯，C相第二、第三、第四對繞組為兩個反相繞組串聯。
專利摘要一種涉及低輸入電壓大功率三相400Hz逆變器，包括功率電路和控制電路。其中功率電路由四組相互並聯的階梯波逆變器S1，S2，S3，S4構成，四組逆變器輸出串聯，並聯接成星形，每組逆變器由四個相互並聯的三相全橋和四個三相變壓器構成，控制電路包括時間基準和三角波發生電路，可變移相器，前後兩個鎖環電路，循環移位計數器，電壓調節器，軟啟動電路。三相全橋電路的功率開關採用並聯的場效應功率電晶體。本逆變器具有低電壓輸入大功率的特點，波形質量好，可靠性高，效率高。
文檔編號H02M5/02GK2684454SQ20042002570
公開日2005年3月9日 申請日期2004年3月25日 優先權日2004年3月25日
發明者謝少軍 申請人:南京航空航天大學