逆變電源變壓器偏磁原因分析
與普通變壓器的工作狀況不同，逆變電源變壓器容易出現(xiàn)偏磁問題，偏磁是逆變電源變壓器的特有現(xiàn)象。這是由于當(dāng)變壓器鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度存在直流分量時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的波形正負(fù)半波不對(duì)稱，或向上偏或向下偏，這種現(xiàn)象稱為變壓器的偏磁現(xiàn)象。偏磁嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致變壓器鐵心出現(xiàn)磁飽和。變壓器磁飽和對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行將產(chǎn)生極其不利的影響，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
?。?）變壓器飽和時(shí)，由于勵(lì)磁電流很大，將導(dǎo)致逆變器開關(guān)器件的電流過大，可能使過流保護(hù)動(dòng)作或開關(guān)器件損壞;
?。?）變壓器飽和時(shí)，由于勵(lì)磁電流中含有大量的諧波成分，諧波電流在變壓器漏感上的諧波壓降將導(dǎo)致輸出電壓波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變;
?。?）變壓器飽和時(shí)，由于勵(lì)磁電流很大，將使變壓器的發(fā)熱及噪聲增加。
于是對(duì)逆變電源變壓器偏磁產(chǎn)生原因進(jìn)行深入研究，并提出有效的抗偏磁措施顯得尤其必要，本文將在下面進(jìn)行探討。
設(shè)I1、I2分別表示逆變電源變壓器原邊、副邊的電流，H表示鐵心中的磁場(chǎng)強(qiáng)度。NI，N2分別表示變壓器原邊·副邊繞組匝數(shù)。L為變壓器鐵心的磁路長(zhǎng)度。由安培環(huán)路定律得：
H*L==I1*N1+I2*N2（2.19）
設(shè)u1dc、i1dc分別表示u1、i1中的直流分量。Hdci2dc分別表示H，i2中的直流分量。R1表示變壓器原邊繞組的電阻。由（2.19）式知，變壓器中直流分量產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：
Hdc=1/L（N1*u1dc/R1+i2dc*N2）（2.20）
由（2.20）式知，造成逆變電源變壓器出現(xiàn)偏磁的原因有兩個(gè)：
?。?）變壓器原邊電壓中存直流分量;（2）變壓器副邊電流存在直流分量。
在逆變電源系統(tǒng)中，如果給定的正弦波或者三角載波中存在直流分量，或反饋所用的霍爾元
件存在零點(diǎn)漂移，或開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間不一致等都會(huì)導(dǎo)致變壓器初級(jí)電壓中存在直流分量;當(dāng)逆變電源的負(fù)載是單相半整流負(fù)載時(shí)，變壓器次級(jí)電流中也將出現(xiàn)直流分量。
逆變器變壓器偏磁校正方法介紹
1、前言
在SPWM開關(guān)型變換器中，主變壓器的偏磁可以說是一種通病。只是在各種應(yīng)用場(chǎng)合中，表現(xiàn)的程度不同而已。偏磁的后果是十分嚴(yán)重的，輕則會(huì)使變壓器和功率半導(dǎo)體模塊的功耗增加，溫升加劇，變壓器的機(jī)械噪聲增大（當(dāng)開關(guān)頻率或調(diào)制頻率在聽覺范圍內(nèi)時(shí)），嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞功率器件，使逆變器不能正常工作。因此，抗偏磁是開關(guān)型逆變電源的的關(guān)鍵問題之一。
本文在比較分析了PWM和SPWM變壓器鐵心的不同磁化過程的基礎(chǔ)上，提出了SPWM型逆變電源抑制變壓器偏磁的新方法，即以逆變橋各橋臂中點(diǎn)電壓作為反饋來抑制直流偏磁。并已成功應(yīng)用在400Hz單、三相系列變頻電源中，驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性和可靠性。
2、變壓器鐵心的磁化過程及抑制偏磁方法比較
開關(guān)型逆變電源主變壓器鐵心的電磁過程與普通變壓器一樣均滿足電磁感應(yīng)定律，為方便分析可認(rèn)為繞組電阻，漏感，變壓器分布電容等都等于零。這樣，加到變壓器初級(jí)繞組的電壓u1和繞組感應(yīng)電勢(shì)相平衡。因此，
式中：B為鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度；
S為鐵心截面積；
N1為初級(jí)繞組匝數(shù)；
kT為鐵心面積的有效系數(shù)；
φ為變壓器主磁通。
由式（1）可得磁感應(yīng)強(qiáng)度
式中：Br為t=0時(shí)鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
為分析方便將式（2）寫為增量形式并考慮到在PWM和SPWM型逆變器中，u1為幅值恒定的脈沖量，因而磁感應(yīng)增量變成
從而磁感應(yīng)增量ΔB（t）成為時(shí)間的線性函數(shù)。對(duì)于全橋PWM型逆變電路，正常情況下，變壓器正、反方向的方波“伏－秒”面積相等，鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度與方波脈寬成正比，變化如圖1（a）所示，且磁化曲線對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱。而SPWM型逆變電路中各個(gè)脈沖的寬度不一樣，而且隨載波比的變化而變化，ΔB（t）的大小與SPWM脈沖寬度成正比關(guān)系，其電壓波形和鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的波形如圖1（b）所示。此時(shí)，磁化曲線在一基波周期對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱。
?。╝）PWM型變壓器鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度
?。╞）SPWM型變壓器鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度
圖1變壓器原邊電壓及磁感應(yīng)強(qiáng)度
當(dāng)變壓器原邊含有直流成分時(shí)，PWM型變換電路的正、反方向的方波“伏－秒”面積不再相等，磁通將向某一方向逐漸增加，最終導(dǎo)致變壓器鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度超過飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度而飽和，磁化曲線將不再對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱。在SPWM型變換電路中，當(dāng)含有直流成分時(shí)，將在變壓器鐵心中產(chǎn)生恒定的磁鏈。從而使得變壓器磁通在基波周期將不再是正、反方向相同的正弦波，其范圍將由正常時(shí)的±Δφ1m變?yōu)椋う?m＋φd～＋Δφ1m＋φd，變壓器磁感應(yīng)強(qiáng)度變動(dòng)范圍也由正常時(shí)的－B1m～＋B1m變?yōu)锽d－B1m～Bd＋B1m，磁化曲線也將不再對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱，導(dǎo)致半導(dǎo)體開關(guān)管損壞。
不少科技工作者根據(jù)自己的工程實(shí)踐，提出了一些減小偏磁的辦法，并取得了較好的效果其中有些辦法僅適用PWM型直流變換器可以采用校正每個(gè)開關(guān)周期的脈寬來消除偏磁，不存在對(duì)輸出波形的影響。而SPWM正弦波逆變器的每個(gè)開關(guān)周期脈寬本來就不相同，采用此方法會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重地偏離SPWM模式，產(chǎn)生調(diào)制失真，最終使輸出波形發(fā)生畸變。對(duì)于SPWM正弦波逆變器。
3、正弦波逆變器抑制偏磁的新方法
概括地說，逆變橋SPWM波正負(fù)脈沖不對(duì)稱是引發(fā)偏磁的根本原因。造成SPWM波正負(fù)脈沖不對(duì)稱具體原因有：
1）功率半導(dǎo)體模塊（IGBT）開關(guān)速度的差異（器件的離散性或非一致性）；
2）功率半導(dǎo)體器件（IGBT）通態(tài)壓降的差異（同上）；
3）各種信號(hào)傳輸延遲的不同。
除此之外，如果電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，工藝欠妥也會(huì)產(chǎn)生偏磁。綜上所述，無論SPWM控制信號(hào)采用何種方式［正弦波與三角波比較，單片機(jī)，還是專用集成電路（ASIC）］產(chǎn)生，偏磁總是存在的，只是程度有所不同。欲使變壓器工作在理想（或合理）的狀態(tài)，比較好的辦法是使變壓器的磁化曲線正、負(fù)方向?qū)υc(diǎn)O對(duì)稱。對(duì)于SPWM工作模式的變頻電源，如果逆變橋中點(diǎn)輸出的SPWM脈沖波（濾波之前）所代表的輸出正弦波的正負(fù)面積相等，則表明輸出波形中不含直流成分，即直流成分為零，變壓器沒有偏磁；反之，若正負(fù)面積不等，直流成分則不為零。變壓器一次側(cè)直流電壓的存在是造成正、反方向的伏秒面積不等而引發(fā)偏磁的根本原因。如何檢測(cè)出直流電壓并通過適當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行校正是抑制偏磁的技術(shù)關(guān)鍵。
3．1偏磁消除原理
正弦波全橋逆變電路主電路如圖2所示，兩橋臂中相交叉對(duì)應(yīng)開關(guān)（S1，S4）和（S2，S3）分別組成兩個(gè)開關(guān)組。逆變橋開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正弦波與三角波比較而得的SPWM驅(qū)動(dòng)脈沖，所以，逆變橋一橋臂與0點(diǎn)的電壓uAO可表示為一直流分量Uad和基波分量以及一系列諧波分量之和；同理，逆變橋另一橋臂與0點(diǎn)的電壓uB0可表示一直流分量為Ubd和基波分量以及一系列諧波分量之和?？傻米儔浩饕淮蝹?cè)直流電壓UAB=Uad－Ubd，當(dāng)Uad=Ubd時(shí)，UAB=0。這種巧合是很難發(fā)生的，即便是通過控制使其差值為零，對(duì)于三相逆變器，很難滿足其他相的差值也為零。如果通過分別校正每一橋臂的輸出電壓uA0，uB0，uC0，使其各自的直流成分均為零，即使每相中Uad、Ubd、Ucd為零。那么，輸出變壓器一次側(cè)繞組中的直流成分也就消除了。這就是單、三相正弦波逆變器消除偏磁的統(tǒng)一方法。
圖2全橋逆變主電路原理圖
3．2控制框圖
圖3為SPWM正弦波逆變器中一個(gè)橋臂的抗偏磁電路的控制框圖。I是逆變橋，0為直流中點(diǎn)，Rp為調(diào)節(jié)中點(diǎn)之用。II為低通濾波器，用于檢測(cè)高壓SPWM脈沖序列中的直流分量Uxd（x=1，2，3）。Uxd送到PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行誤差放大，其輸出信號(hào)uc作為脈寬調(diào)制器（PWM）的控制信號(hào)，使其輸出的脈寬跟蹤Uxd的變化。由此得到的平均值u0去校正控制電路的參考正弦，使其對(duì)橫軸對(duì)稱。如逆變橋臂的輸出正弦波向上偏，通過調(diào)節(jié)校正，使其向下偏。使各橋臂中點(diǎn)的Uxd為零，從而達(dá)到消除偏磁的目的。整個(gè)過程是閉環(huán)動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)的。
圖3偏磁抑制電路的控制框圖
3．3電路實(shí)現(xiàn)
抑制偏磁的硬件實(shí)現(xiàn)如圖4所示。低通濾波器II，采用了RC無源低通濾波器實(shí)現(xiàn)，其中時(shí)間常數(shù)τ=RC。因?yàn)槭菍?duì)直流中點(diǎn)0濾波，應(yīng)選擇耐壓大于400V，CBB類電容即可。核心電路III，IV可用一片雙端輸出PWM控制IC（例如TL494，SG3535，SG3524等）構(gòu)成推挽式結(jié)構(gòu)。脈沖變壓器T用來隔離和獲得需要的電壓增益。u0是可調(diào)的，u0的不同，a點(diǎn)的電位也就不同，送到加法器的電壓也就不同。如無偏磁，則u0=0，u0始終在零附近動(dòng)態(tài)地閉環(huán)調(diào)節(jié)。
圖4偏磁校正電路
三相電路應(yīng)用方法與單相全橋完全相同，只是使用了3片集成芯片和3只小脈沖變壓器（Φ26，2K磁罐作磁芯）。在實(shí)際應(yīng)用中將三路控制電路制作在一小塊印制電路板上（但要相互隔離）。如是單相正弦波逆變電源，僅裝兩路即可，具有較好的通用性。
圖5比較了在400Hz正弦波逆變電源中，運(yùn)用抗偏磁電路和不運(yùn)用抗偏磁電路的電源輸出電壓波形。該波形由Tektronix公司的TDS201示波器采樣獲得。從圖5（a）可以看出，變壓器出現(xiàn)了偏磁導(dǎo)致波形發(fā)生了畸變，圖5（b）為同樣主電路裝上抗偏磁電路后的電壓輸出波形，波形呈正弦波，THD《3％。
圖5抗偏磁電路對(duì)電源輸出電壓比較
4、結(jié)語
通過對(duì)逆變橋每一橋臂中點(diǎn)直流電壓分量進(jìn)行檢測(cè)，相應(yīng)地在正弦信號(hào)中加入一自動(dòng)可調(diào)的直流調(diào)整量，從而有效地解決了逆變電源直流偏磁問題。該方法不僅可用于單相全橋逆變電源，也可用于三相逆變電源，避免了三相電源耦合對(duì)偏磁的影響，不論是何種原因引發(fā)的偏磁（控制電路或主電路），均可有效地進(jìn)行校正，是一種較為實(shí)用的消除偏磁的新方法。該方法從20世紀(jì)90年代初期設(shè)計(jì)成功之后，相繼用于KZD，TAC，ATO，ATT等系列產(chǎn)品中，功率等級(jí)從2kVA到100kVA的單、三相400Hz正弦波逆變電源中。使變壓器的溫升降低約20℃，總諧波含量降低了3～4個(gè)百分點(diǎn)（THD《3％），較好地改善了裝置的電特性。長(zhǎng)期使用表明，該方法具有電路簡(jiǎn)單，效果好，成本低，可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。
逆變電源變壓抗偏磁措施
?。?）盡量選用飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高的鐵磁材料作鐵芯，如0. l mm的硅鋼片壓制而成的鐵心，以提高變壓器對(duì)偏磁的承受能力。
?。?）使給定的正弦波或三角載波盡量不含直流分量：開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間盡量一致。
?。?）盡量避免使用半波整流負(fù)載，即使電源帶半波整流負(fù)載，功率也不能很大。
?。?）變壓器鐵芯間加氣隙。
?。?）當(dāng)逆變電源輸出功率較小時(shí)，變壓器原邊可以串電容，隔離其直流成分。
?。?）采用對(duì)變壓器原邊電壓中的直流分量進(jìn)行補(bǔ)償控制來改善變壓器偏磁飽和的方法。