1  引言

    電力電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是逆變技術(shù)和高速全控型的功率開(kāi)關(guān)器件（IGBT、MOSFET）的發(fā)展，使得采用電力電子技術(shù)構(gòu)成的開(kāi)關(guān)功率放大器在儀器儀表校驗(yàn)、電量變送器校驗(yàn)、繼電保護(hù)測(cè)試中的應(yīng)用成為可能。開(kāi)關(guān)功率放大器具有高效、可靠、功率大、易數(shù)字控制、任意波形發(fā)生等功能。三相四橋臂開(kāi)關(guān)功率放大器由于引入了第四橋臂，從而形成三個(gè)獨(dú)立的全橋電路，因而能夠?qū)崿F(xiàn)三相輸出的獨(dú)立調(diào)整。本文提出的第四橋臂采用固定開(kāi)關(guān)頻率、固定占空比的控制方法，簡(jiǎn)化了控制電路，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。

    微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試裝置由于體積小、重量輕、測(cè)試方便可靠、便攜等優(yōu)勢(shì)逐漸取代了模擬式的繼電保護(hù)裝置。其主體由數(shù)字波形發(fā)生器、功率放大器、反饋檢測(cè)電路、通訊端口等組成。精密三相測(cè)試電源則是繼電保護(hù)裝置的主體，功率放大電路傳統(tǒng)上采用線性功率放大電路，但其效率低、體積大而笨重。繼電保護(hù)測(cè)試裝置中主要有三相電流源和三相電壓源，它們均要求能夠獨(dú)立地調(diào)整輸出電壓和電流的幅值、相位、頻率，對(duì)電流源還要求三相能夠合并輸出大電流。采用三相四橋臂的開(kāi)關(guān)功率放大器能夠方便地實(shí)現(xiàn)三相電源的各種功能，如諧波疊加、移相、各類(lèi)故障模擬等。

2  開(kāi)關(guān)功率放大器的原理

    三相電壓、電流源由三相四橋臂的逆變器構(gòu)成，其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。通常對(duì)三相不對(duì)稱(chēng)負(fù)載中線流過(guò)的電流采用電容器串聯(lián)構(gòu)成中點(diǎn)，這樣做只能解決比較輕的不對(duì)稱(chēng)負(fù)載，對(duì)于嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)的負(fù)載（如三相同相），則由于電容器的容量需要選得非常大而不切實(shí)際。三相四橋臂逆變器通過(guò)引入第四橋臂來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)中線電流的調(diào)節(jié)，使得電路變成了三個(gè)完全獨(dú)立 的 單 相 逆 變 器 。 因 此 ， 第 四 橋 臂 的 控 制 成 為 關(guān) 鍵 ， 通 常 對(duì) 第 四 橋 臂 的 控 制 方 法 都 比 較 復(fù) 雜[1－3]， 本 文 對(duì) 第 四 橋 臂 的 控 制 采 用 固 定 占 空 比 的 控 制 方 法 。 以 其 中 一 相 為 例 來(lái) 說(shuō) 明 開(kāi) 關(guān) 功 率 放 大 器 的 工 作 原 理 。

圖1  三 相 四 橋 臂 逆 變 器 主 電 路 拓 撲

    當(dāng)逆變電路一橋臂以SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）方式工作，而另一橋臂以固定的50％占空比工作時(shí)，與一般的單相雙極型和單極型逆變器相比，這種方式工作下的逆變器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有三個(gè)電平輸出狀態(tài)，而不是兩個(gè)（參見(jiàn)圖2）。假設(shè)開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于調(diào)制波的頻率，則可認(rèn)為在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)輸出電壓的幅值基本不變。這樣在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電路經(jīng)歷了四個(gè)工作狀態(tài)。電路工作狀態(tài)分析如下：

(a)  雙 極 型SPWM輸 出 波 形

(b)  單 極 型SPWM輸 出 波 形

(c)  三 相 四 橋 臂 一 相 輸 出 波 形

圖2  幾 種 逆 變 電 路 輸 出 電 壓 比 較

    狀態(tài)1[t0～t1]    S3、S2開(kāi)通，電感上的電流增加，此時(shí)由電源向負(fù)載提供能量。此時(shí)電路滿足Edc－Vo=LdiL/dt。

    狀態(tài)2[t1～t2]    S2關(guān)斷，D1導(dǎo)通，此時(shí)負(fù)載電流通過(guò)S3、D1進(jìn)行續(xù)流。此時(shí)滿足－Vo=LdiL/dt

    狀態(tài)3[t2～t3]    S3關(guān)斷，S4開(kāi)通，由于負(fù)載電流方向沒(méi)有變，所以S4的反并二極管D4導(dǎo)通，負(fù)載向電源側(cè)回饋能量。此時(shí)有Vo－Edc=LdiL/dt。

    狀態(tài)4[t3～t0]    S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通負(fù)載繼續(xù)處于續(xù)流狀態(tài)，等待下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。此時(shí)電路滿足－Vo=LdiL/dt。

    圖3示出了輸出負(fù)載電流在遠(yuǎn)大于零和過(guò)零附近情況下的電感電流波形。電感上的電流紋波最大發(fā)生在電流過(guò)零處，為

        ΔI=Edc/4fL   （1） 

(a) 輸 出 電 流 大 于 零

(b) 輸 出 電 流 在 過(guò) 零 附 近

圖3 電 路 的 工 作 波 形

    根據(jù)對(duì)輸出電壓的頻譜分析可知，其諧波主要分布在開(kāi)關(guān)頻率邊頻帶和開(kāi)關(guān)頻率諧波邊頻帶上，而開(kāi)關(guān)頻率通常都很高，因此很容易被濾波器濾除而只剩下調(diào)制波。如果調(diào)制波是正弦波，其濾波后的輸出電壓可以表示為：

       Vo=mEdcsinωt  （2）

式中：Edc為直流母線電壓；

      m為正弦調(diào)制波和三角載波的比值。

    如果調(diào)制波不是正弦波，則輸出電壓可以表示為：

     Vo=Vref(t)     （3）

式中：Vc為三角載波的幅值；

      Vref(t)為要放大的參考信號(hào)。

    由此可以看出當(dāng)給定信號(hào)所包含的頻率比較低

（遠(yuǎn)低于開(kāi)關(guān)頻率）時(shí)，逆變電路對(duì)給定調(diào)制波是起放大作用的。如果在電路中需要進(jìn)行直流偏置，只需要在調(diào)制波Vref中增加直流分量即可。

3  三相電壓源的實(shí)現(xiàn)

    在三相四橋臂開(kāi)關(guān)放大器拓?fù)涞幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三相電壓源，圖4是三相電壓源的結(jié)構(gòu)框圖。它主要包括主電路、輔助電源、單片機(jī)波形發(fā)生、保護(hù)電路等。電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)整流、濾波后再經(jīng)半橋DC/DC變換器后，產(chǎn)生高質(zhì)量的直流母線電壓。輸出直流電壓的大小是受控于單片機(jī)的，由單片機(jī)根據(jù)逆變輸出的大小而提供相應(yīng)的直流母線參考電壓。根據(jù)式（1）可知，降低直流母線電壓就可以保證在小電壓輸出時(shí)有著較低的開(kāi)關(guān)紋波。逆變級(jí)控制上采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)PI調(diào)節(jié)的SPWM控制方案。三相輸出的參考信號(hào)通過(guò)文獻(xiàn)[4]的方法由單片機(jī)給出高精密的三相參考基準(zhǔn)信號(hào)，三相采用獨(dú)立的控制電路，因而實(shí)現(xiàn)了三相電壓源的頻率、幅值、相位的獨(dú)立調(diào)整。第四橋臂上下橋臂之間的占空比要嚴(yán)格一致，這樣保證中線的輸出電壓是50％嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)的。

圖4  三相電壓源的結(jié)構(gòu)框圖 

(a)  

(b)

圖5  實(shí) 驗(yàn) 波 形 圖

4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    三相電壓源的技術(shù)指標(biāo)如下：

    交流輸入    AC220（1±20％）V；

    直流母線電壓    40－400V；

    輸出電壓    2－100V（有效值）/相；

    輸出頻率    0－1000Hz；

    輸出功率    50VA/相。

    圖5(a)是A,B兩相輸出不同相位（相差60°）而C相輸出不同頻率（200Hz）的波形，圖5(b)是其中一相輸出三角波和疊加三次諧波的波形。輸出純正弦電壓波形THD在TektronixTDS210示波器上分析，50Hz時(shí)為0.750％，400Hz為1.382％。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出三相之間的幅值、相位、頻率可以方便地獨(dú)立調(diào)節(jié)，而不會(huì)產(chǎn)生相互之間的影響。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出穩(wěn)定可靠，并且具有良好的性能，能夠滿足在繼電保護(hù)測(cè)試中的應(yīng)用。

5  結(jié)語(yǔ)

    本文分析了一種三相四橋臂開(kāi)關(guān)功率放大器的原理，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了用于繼電保護(hù)測(cè)試需求的三相電壓源。第四橋臂采用簡(jiǎn)單的固定占空比控制，三相采用電壓電流雙環(huán)PI調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)給定信號(hào)的幅值、頻率、相位從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電源的輸出進(jìn)行靈活控制。把波形的點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)在RAM中則可以達(dá)到對(duì)輸出波形的可編程。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)三相之間的完全獨(dú)立，所以在此基礎(chǔ)容易實(shí)現(xiàn)多相逆變電源。