一種交流穩流逆變電源的設計與實現

0??? 引言

??? 本文所描述的交流穩流逆變電源應用于低壓電器長延時熱脫扣試驗，適用于對斷路器、熱繼電器等低壓電器作長延時特性的校驗和測試。為保證溫升試驗的準確性，測試正弦電流必須穩定、精確。根據國家標準GB14048.2－94要求，長延時熱脫扣試驗的電流誤差≤±2％，正弦波失真度<5％。

??? 目前國內大多數采用的長延時熱脫扣試驗方案是通過變壓器直接對斷路器施加一個電壓以獲得測試電流[1]。在測試過程中，由于電網電壓的波動、載流電路中引線電阻變化、負載本身電阻發熱變化，使測試電流隨之變動，難以滿足國家標準的要求。本文介紹了一種新型的交流穩流逆變測試電源，具有工作穩定可靠、輸入功率因數高、輸出精度高、波形失真度小、效率高的優點。

1??? 交流穩流逆變電源體系結構

??? 功率主電路采用AC/DC/AC結構，如圖1所示。前級為功率因數校正（PFC）電路，由Boost變換器構成，用于提高網測功率因數、降低網側電流的THD值，并為逆變部分提供一個合適的直流母線電壓。后級的全橋逆變電路完成正弦波逆變、快速調壓穩流功能。逆變輸出的高頻SPWM波經過LC濾波，得到平滑正弦波。由于負載電阻小，電壓低，電流大（15～160A連續可調），采用升流變壓器進行降壓增流，可以使逆變電路主開關管的選取容易許多。由圖1中可以看出，該逆變器實際上是一個電壓型電流源，即通過對逆變橋輸出電壓的快速調節來實現恒流輸出。

圖1??? 交流穩流逆變電源電路結構

??? 交流穩流源采用全橋SPWM逆變電路，并工作于倍頻單極性模式下，這樣逆變橋在不增加開關損耗的情況下，其輸出電壓的頻率比開關頻率再提高一倍，而且諧波含量較小，可以簡化輸出LC濾波電路，也有利于減小波形的失真度。

??? 數字部分由MCS－51單片機電路組成，具有兩個功能：其一，作為人機接口界面，帶有鍵盤輸入和液晶顯示模塊，實現給定值設定、負載電流顯示等功能；其二，單片機與控制電路接口，實現標準正弦波的給定、逆變電路的軟啟動、電路時序控制、負載檢測等諸多功能。

2??? 逆變電路控制系統的建模與分析

??? 交流穩流逆變器的負載是純阻性負載，增流變壓器和負載可視為一等效電阻R。則逆變器輸出濾波電感L、濾波電容C和R構成二階振蕩環節，其阻尼比為

??????? ξ=（1）

??? 滿載時R最大，ξ最小，系統最不穩定；而輕載時R變小，ξ變大，系統較易穩定；所以，閉環穩定性的設計主要考慮R較大時的情況。

??? 本文中采用了帶有電感電流瞬時值反饋的雙環控制策略，這是因為電感電流等于電容電流與負載電流之和，一方面可對輸出電壓進行超前控制，以取得比較好的動態特性；另一方面電感電流中包含了負載電流，在輸出負載極小的情況下，也能對輸出電流進行有效控制[2][3]。穩流源逆變器的控制系統原理圖如圖2所示，由小信號模型獲得的傳遞函數框圖如圖3所示。

圖2??? 基于電感電流瞬時值反饋的雙環控制

圖3??? 控制系統傳遞函數框圖

??? 由圖3可知，系統的開環傳遞函數為

??? G_o(s)=（2）

??? 系統的閉環傳遞函數為

??? G_c(s)=[K_aK_mn(K_pτ_s＋1)]/[RLCτs³＋(L＋K_iLK_aK_mRC)τs²＋(R＋K_iLK_aK_m＋K_iRK_aK_mK_pn)τ_s＋K_iRK_aK_mn]

??????????????????????????????????????????????????????? （3）

??? 則開環系統的零、極點分布為

??? s_z=1/K_pτ（4）

??? s_p1=0（5）

??? s_p2,3=（6）

式中：R為等效負載電阻；

????? K_iR為外環反饋系數；

????? K_iL為內環反饋系數；

????? n為輸出變壓器原副邊變比；

????? K_m為全橋逆變電路放大系數；

????? K_a為內環比例補償增益；

????? K_p＋1/τ_s為外環PI補償傳遞函數。

??? 由式（6）可知，當R<L/(K_iLK_aK_mC＋×2)，且K_iLK_aK_m<×2（此式可通過設計保證）時，此時等效負載電阻R較小，系統極點s_p2,3分布在負實軸上，系統的根軌跡如圖4所示（R1，R2對應的根軌跡）；當R>L/(K_iLK_aK_mC＋×2)且K_iLK_aK_m<×2時，此時等效負載R較大，系統極點s_p2,3為一對共軛復數，系統根軌跡如圖4所示（R₃，R₄對應的根軌跡）。根軌跡的漸近線σ_a=。對于無電感電流瞬時值反饋的系統，其根軌跡如圖5所示。可以看出，根軌跡以虛軸為漸近線趨向于±∝，相應在控制上必會引起輸出電流的振蕩，系統不易穩定。而引入電感電流反饋后，根軌跡如圖4所示，系統的穩定性增強，動態性能也得以提高。

s_p2、s_p3：空載（R₁）；s_p2′、s_p3′輕載（R₂）；

s_p2″、s_p3″重載（R₃）；s_p2′″、s_p3′″：滿載（R₄）；

（R₁<R₂<R₃<R₄）

圖4??? 雙環反饋控制系統的根軌跡圖

圖5??? 無電感電流瞬時值反饋的根軌跡圖

??? 在不同負載條件下式（2）和式（3）對應的波特圖分別如圖6和圖7所示。由圖6可以看出，系統是穩定的，并且系統的相位余量>50°。由圖7可以看出，系統的幅值響應接近1/K_iR，在50Hz的頻率處，輸出電流和給定電流信號之間的相移幾乎為零，因此，輸出電流能很好地跟隨參考信號。高的轉折頻率和寬的頻帶能保證系統具有良好的動態性能。

圖6??? 系統開環傳遞函數波特圖

圖7??? 系統閉環傳遞函數波特圖

3??? 一些其它的設計考慮

??? 作為電流源必須考慮輸出開路的情況。由于本文中的交流穩流源實質上是一個電壓型電流源，即通過快速調節輸出電壓來實現輸出穩流。當輸出開路時，輸出電壓會迅速上升到到直流母線電壓附近，而不會像電流型電流源那樣升得很高。盡管如此，負載開路時，輸出電壓仍會迅速上升，并引起輸出電壓以LC諧振頻率進行振蕩，這兩者均會導致輸出波形嚴重畸變；此外，當輸出負載重新接上時會引起輸出瞬態過流。因此，系統必須進行過壓保護，當輸出電壓超過設定值時迅速切斷逆變器輸出。

??? 眾所周知，在SPWM全橋逆變器中必然存在著直流偏磁，會導致鐵心飽和，不僅加大了變壓器的損耗，降低了效率，增大了噪聲，嚴重時會導致勵磁電流迅速增大，使功率開關管因過流而損壞。本文采用如圖8所示的糾偏電路來抑制直流偏磁，即由LEM器件采樣逆變輸出濾波電感電流，檢出直流電流分量，與零電壓比較得到誤差，積分后疊加到正弦給定上，實時校正變壓器的直流偏磁。其優點在于與電感電流反饋共用一個檢測器件，節省費用；當發生直流偏磁時，變壓器勵磁電流以指數規律迅速增大，比檢測電壓糾偏的方法靈敏。

圖8??? 輸出變壓器直流偏磁校正

4??? 實驗結果

??? 交流穩流逆變電源的規格和控制電路參數如表1所列。逆變器最大輸出電流20A，經輸出變壓器增流后可達200A，以滿足對低壓電器的大電流測試要求。

表1??? 穩流逆變電源的規格和參數

??? 圖9～11顯示了在不同等效負載電阻R及不同的輸出電流條件下輸出電流和輸出電壓的穩態波形。實驗波形顯示輸出電流具有良好的正弦波形和較小的電流脈動，很好地跟隨了參考信號。實驗中測得在不同輸出電流條件下電流誤差不超過1％，電流總諧波失真度不超過3％，完全滿足了低壓電器長延時熱脫扣實驗對交流穩流逆變電源的性能要求。

圖9??? R=10Ω和i_o=20A條件下輸出電流和電壓的穩態實驗波形

圖10??? R=60Ω和i_o=4A條件下輸出電流和電壓的穩態實驗波形

圖11??? R=120Ω和i_o=2A條件下輸出電流和電壓的穩態實驗波形