專利名稱：低輸入電壓大功率三相400Hz逆變器的制作方法
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，采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(wěn)定、輸出電壓精度高、動態(tài)響應速度快、輸出正弦電壓失真度低、效率高。軍用環(huán)境對靜止變流器提出了進一步要求，如高度、溫度、濕度、振動沖擊、抗電磁干擾等等。
國內(nèi)低電壓輸入逆變器產(chǎn)品一般采用正激式變換器和電流控制單相逆變器構成，由于受單端式變換器功率容量的限制，該技術均難以適用于更大功率，南京航空航天大學曾為某型坦克研制過1.75kVA，28V單相靜止變流器，這是目前國內(nèi)采用上述技術研制的最大功率的28V輸入單相靜止變流器。與航空靜止變流器類似的民用產(chǎn)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(chǎn)品的功率也在10千伏安以下。由此可見，國內(nèi)外尚沒有滿足低電壓輸入的大容量靜止變流器產(chǎn)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，采用脈寬調(diào)制技術，將28V直流電轉變?yōu)樾∮?80°寬方波或SPWM波，調(diào)節(jié)輸出電壓，濾波后再經(jīng)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(diào)節(jié)功能，輸出電壓調(diào)節(jié)通過前級的直流變換器實現(xiàn)。
(3)直流變換器和正弦脈寬調(diào)制逆變器的組合。
直流變換器一般采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(diào)制逆變器輸出波形失真度小，由于無需較大的濾波器和低頻輸出變壓器，體積重量小，這種方案可以采用電壓電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以加快系統(tǒng)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，應用于低壓大功率系統(tǒng)均存在較大困難。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種具有波形質量好、可靠性高、效率高，能實現(xiàn)低壓輸入的大功率逆變器。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用移相調(diào)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(diào)節(jié)二組逆變器的相位角穩(wěn)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(nèi)部結構完全相同的相互并聯(lián)的逆變器構成。每組逆變器由四個相互并聯(lián)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(lián)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(lián)，每相串聯(lián)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(lián)繞組均為一個正向繞組串聯(lián)一個反向繞組，第二、第三、第四對B相串聯(lián)繞組均為兩個正向繞組串聯(lián)，第二、第三、第四對C相串聯(lián)繞組均為兩個反向繞組串聯(lián)。
控制電路包括時間基準和三角波發(fā)生電路連于可變移相器，可變移相器的輸出分別經(jīng)前后兩個鎖相環(huán)電路各自連于循環(huán)移位計數(shù)器，兩個循環(huán)移位計數(shù)器各自連于兩組階梯波合成逆變器，整流濾波電路連于電壓調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器的輸出及軟啟動電路分別連于可變移相器。
本實用新型的逆變器，采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。由于功率均分，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，不但前后兩組逆變器功率均分，而且同組串聯(lián)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，易于實現(xiàn)；(2)輸出電壓波形好，所需的濾波器體積重量??；(3)可以達到較高的效率；(4)由于電路中的三相全橋逆變器電路完全相同，可模塊化生產(chǎn)，便于生產(chǎn)和維護，這一點對于產(chǎn)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(diào)節(jié)電路(PI調(diào)節(jié)器)。
圖6可變移相器。
圖7單穩(wěn)觸發(fā)器。
圖8鎖相環(huán)電路。
圖9循環(huán)移位計數(shù)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(huán)電路
具體實施方式
根據(jù)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(lián)，并外接成星型。每組逆變器內(nèi)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超前后兩組階梯波逆變器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(lián)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(lián)，每相串聯(lián)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(lián)一個反相繞組，即W2與 串聯(lián)，W3與 串聯(lián)，W4與 串聯(lián)，b相的第二對，第三對，第四對繞組均為兩個正相繞組串聯(lián)，即W6與W10串聯(lián)，W7與W11串聯(lián)，W8與W12串聯(lián)，c相的第二對，第三對，第四對繞組均為兩個反相繞組串聯(lián)，即 與 串聯(lián)， 與 串聯(lián)， 與 串聯(lián)。按一定控制規(guī)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(lián)副邊繞組，可以得到近似正弦波的階梯波。
功率管采用場效應晶體管，通過場效應晶體管的并聯(lián)可以使橋臂的通態(tài)電阻降低，場效應晶體管的并聯(lián)可以增加橋臂的電流容量，實現(xiàn)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(jīng)PI調(diào)節(jié)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(huán)(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的脈沖信號作為下一級24位循環(huán)移位計數(shù)器的cp信號。矩形波的前沿對應超前組逆變器的相位，而矩形波的后沿對應滯后組的相位，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(lián)后電壓為零；當矩形波脈寬減小時，兩逆變器相位差減小，串聯(lián)輸出電壓逐漸升高。圖2-13是該系統(tǒng)的控制功能框圖。另外，還需要故障保護和啟動電路，當發(fā)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(shù)分頻器組成。采用石英晶振可以產(chǎn)生一個固定頻率的時鐘信號，經(jīng)計數(shù)器分頻后得到穩(wěn)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(wěn)定，并且為了以后可以實現(xiàn)前后組電壓的鎖相，要求三角波正負半周對稱，沒有直流分量。根據(jù)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采用積分電路，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。由于400Hz方波頻率較低，即使采用較大的電容隔直，仍不能保證理想效果。并且由于實際運放輸入端的失調(diào)電壓和失調(diào)電流的影響，一般積分形式的三角波發(fā)生電路極易產(chǎn)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(chǎn)生直流分量。
因此設計了有直流負反饋的三角波產(chǎn)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(huán)節(jié)，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，便于調(diào)節(jié)。
圖5所示的是電壓調(diào)節(jié)電路即PI調(diào)節(jié)器輸出電壓經(jīng)過整流反饋，與電壓基準比較，誤差信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器放大，得到相位差給定信號Up，Up的大小確定了前后組的相位差。
該電路還有軟啟動功能。上電時，由于電容充電，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(xiàn)軟啟動。
圖6是可變移相器由PI調(diào)節(jié)器輸出的相位差給定Up與三角波交截產(chǎn)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，下降沿給定后組逆變器相位。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(fā)器，圖8是鎖相環(huán)電路。
可變移相器送出的相位給定信號被送給兩個單穩(wěn)觸發(fā)器，這兩個單穩(wěn)觸發(fā)器分別為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)，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(chǎn)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后組鎖相環(huán)，前后組鎖相環(huán)以及后級的24位移位循環(huán)計數(shù)器的結構完全相同，如圖8所示鎖相環(huán)電路。這里以前組逆變器為例，說明鎖相環(huán)電路設計。
本系統(tǒng)采用CC4046模擬鎖相環(huán)，實際電路中采用R151和C103構低通濾波器，分頻功能由后級的24位循環(huán)計數(shù)器完成。
鎖相環(huán)的壓控振蕩器中心頻率即輸出頻率為9.6kHz，對鎖相環(huán)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(shù)，才能使鎖相環(huán)穩(wěn)定工作。
圖9是循環(huán)移位計數(shù)器鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)瑣定狀態(tài)時輸出的cp信號該是9.6kHz脈沖，由分相電路對此信號進行24分相，可以產(chǎn)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(huán)移位計數(shù)器構成。
集成的CMOS移位計數(shù)器很多，在選擇時主要考慮以下幾點1.系統(tǒng)采用軟啟動，在上電瞬間前后組循環(huán)移位計數(shù)器應立刻正常工作，因此移位計數(shù)器需并行置數(shù)功能；2.考慮降低成本和便于生產(chǎn)，應選擇比較常用的芯片。
CC40196是四位移位計數(shù)器，可并行置數(shù)，考慮上述原因，選用CC40196循環(huán)串聯(lián)。
需要注意的是，六片40196級聯(lián)工作對外加CP和置數(shù)信號的一致性和驅動能力有一定的要求。由于六片40196片內(nèi)的閥值不可能完全相同，可能出現(xiàn)競爭。因此外加的CP和置數(shù)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，其特征在于所述功率電路由內(nèi)部結構完全相同的四組相互并聯(lián)的階梯波逆變器構成，四組逆變器輸出串聯(lián)，并外接成星型，每組逆變器由四個相互并聯(lián)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(lián)成回路，每個三相變壓器的副邊繞組相互串聯(lián)；所述控制電路包括時間基準和三角波發(fā)生電路連于可變移相器，可變移相器的輸出分別經(jīng)前后兩個鎖相環(huán)電路各自連于分別與兩組階梯波逆變器相連的循環(huán)移位計數(shù)器以及與整流濾波電路相連的電壓調(diào)節(jié)器的輸出及軟啟動電路分別連于可變移相器。
2.根據(jù)權利要求1所述的低輸入電壓大功率三相400Hz逆變器，其特征在于四個三相變壓器副邊的每相串聯(lián)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(lián)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(lián)，C相第二、第三、第四對繞組為兩個反相繞組串聯(lián)。
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并聯(lián)的階梯波逆變器S1，S2，S3，S4構成，四組逆變器輸出串聯(lián)，并聯(lián)接成星形，每組逆變器由四個相互并聯(lián)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(fā)生電路，可變移相器，前后兩個鎖環(huán)電路，循環(huán)移位計數(shù)器，電壓調(diào)節(jié)器，軟啟動電路。三相全橋電路的功率開關采用并聯(lián)的場效應功率晶體管。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(yōu)先權日2004年3月25日
發(fā)明者謝少軍 申請人:南京航空航天大學