抑制单相及三相正弦波逆变器偏磁的有效方法

    除此之外，如果电路设计不当，工艺欠妥也会产生偏磁。综上所述，无论SPWM控制信号采用何种方式[正弦波与三角波比较，单片机，还是专用集成电路（ASIC）]产生，偏磁总是存在的，只是程度有所不同。欲使变压器工作在理想（或合理）的状态，比较好的办法是使变压器的磁化曲线正、负方向对原点O对称。对于SPWM工作模式的变频电源，如果逆变桥中点输出的SPWM脉冲波（滤波之前）所代表的输出正弦波的正负面积相等，则表明输出波形中不含直流成分，即直流成分为零，变压器没有偏磁；反之，若正负面积不等，直流成分则不为零。变压器一次侧直流电压的存在是造成正、反方向的伏秒面积不等而引发偏磁的根本原因。如何检测出直流电压并通过适当的电路进行校正是抑制偏磁的技术关键。

3．1    偏磁消除原理

    正弦波全桥逆变电路主电路如图2所示，两桥臂中相交叉对应开关（S₁，S₄）和（S₂，S₃）分别组成两个开关组。逆变桥开关管的驱动信号为正弦波与三角波比较而得的SPWM驱动脉冲，所以，逆变桥一桥臂与0点的电压u_AO可表示为一直流分量U_ad和基波分量以及一系列谐波分量之和；同理，逆变桥另一桥臂与0点的电压u_B0可表示一直流分量为U_bd和基波分量以及一系列谐波分量之和。可得变压器一次侧直流电压U_AB=U_ad－U_bd，当U_ad=U_bd时，U_AB=0。这种巧合是很难发生的，即便是通过控制使其差值为零，对于三相逆变器，很难满足其他相的差值也为零。如果通过分别校正每一桥臂的输出电压u_A0，u_B0，u_C0，使其各自的直流成分均为零，即使每相中U_ad、U_bd、U_cd为零。那么，输出变压器一次侧绕组中的直流成分也就消除了。这就是单、三相正弦波逆变器消除偏磁的统一方法。

图2    全 桥 逆 变 主 电 路 原 理 图

3．2    控制框图

    图3为SPWM正弦波逆变器中一个桥臂的抗偏磁电路的控制框图。I是逆变桥，0为直流中点，R_p为调节中点之用。II为低通滤波器，用于检测高压SPWM脉冲序列中的直流分量U_xd(x=1，2，3)。U_xd送到PI调节器进行误差放大，其输出信号u_c作为脉宽调制器（PWM）的控制信号，使其输出的脉宽跟踪U_xd的变化。由此得到的平均值u₀去校正控制电路的参考正弦，使其对横轴对称。如逆变桥臂的输出正弦波向上偏，通过调节校正，使其向下偏。使各桥臂中点的U_xd为零，从而达到消除偏磁的目的。整个过程是闭环动态实现的。

图3    偏 磁 抑 制 电 路 的 控 制 框 图

3．3    电路实现

    抑制偏磁的硬件实现如图4所示。低通滤波器II，采用了RC无源低通滤波器实现，其中时间常数τ=RC。因为是对直流中点0滤波，应选择耐压大于400V，CBB类电容即可。核心电路III，IV可用一片双端输出PWM控制IC（例如TL494，SG3535，SG3524等）构成推挽式结构。脉冲变压器T用来隔离和获得需要的电压增益。u₀是可调的，u₀的不同，a点的电位也就不同，送到加法器的电压也就不同。如无偏磁，则u₀=0，u₀始终在零附近动态地闭环调节。

图 4    偏 磁 校 正 电 路 

 三相电路应用方法与单相全桥完全相同，只是使用了3片集成芯片和3只小脉冲变压器（Φ26，2K磁罐作磁芯）。在实际应用中将三路控制电路制作在一小块印制电路板上（但要相互隔离 ） 。 如 是 单 相 正 弦 波 逆 变 电 源 ， 仅 装 两 路 即 可 ， 具 有 较 好 的 通 用 性 。

    图5比 较 了 在400 Hz正 弦 波 逆 变 电 源 中 ， 运 用 抗 偏 磁 电 路 和 不 运 用 抗 偏 磁 电 路 的 电 源 输 出 电 压 波 形 。 该 波 形 由Tektronix公 司 的TDS201示 波 器 采 样 获 得 。 从 图5（a） 可 以 看 出 ， 变 压 器 出 现 了 偏 磁 导 致 波 形 发 生 了 畸 变 ， 图5（b） 为 同 样 主 电 路 装 上 抗 偏 磁 电 路 后 的 电 压 输 出 波 形 ， 波 形 呈 正 弦 波 ，THD< 3％ 。

（a)    无抗偏磁电路电源输出电压

（b)    有抗偏磁电路电源输出电压

图5    抗偏磁电路对电源输出电压比较

纵轴：50V/格，横轴：500μs/格

4    结语

    通过对逆变桥每一桥臂中点直流电压分量进行检测，相应地在正弦信号中加入一自动可调的直流调整量，从而有效地解决了逆变电源直流偏磁问题。该方法不仅可用于单相全桥逆变电源，也可用于三相逆变电源，避免了三相电源耦合对偏磁的影响，不论是何种原因引发的偏磁（控制电路或主电路），均可有效地进行校正，是一种较为实用的消除偏磁的新方法。该方法从20世纪90年代初期设计成功之后，相继用于KZD，TAC，ATO，ATT等系列产品中，功率等级从2kVA到100kVA的单、三相400Hz正弦波逆变电源中。使变压器的温升降低约20℃，总谐波含量降低了3～4个百分点（THD<3％），较好地改善了装置的电特性。长期使用表明，该方法具有电路简单，效果好，成本低，可靠性高等诸多优点，可以产生较好的经济效益。