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艾普斯變頻電源的技術原理解析
艾普斯變頻電源基本原艾普斯變頻電源做為交流諧振耐壓試驗系統的核心部分,要求調壓、調頻獨立進行,輸出電壓0~400V,頻率30~300Hz,且穩定度高,還要求在現場環境下有較強的抗干擾能力。
在調頻調壓控制技術發展的早期多采用PAM方式,因此,艾普斯變頻電源逆變器輸出的交流電壓波形只能是方波,改變方波有效值,只能通過改變方波的幅值,即中間直流電壓幅值來完成。隨著全控型快速開關器件GTR、IGBT、MOSFET等的出現,才逐漸發展為PWM方式。由于調節PWM波的占空比即可調節電壓幅值,所以逆變環節可同時完成調壓和調頻任務,整流器無需控制,設備結構更簡單,控制更方便。輸出電壓由方波改進為PWM波,降低了輸出電壓的低次諧波含量。
SPWM是以正弦波作為基準波(調制波),用一列等幅的三角波(載波)與基準正弦波相比較產生PWM波的控制方式。如圖2所示,當基準正弦波高于三角波時,使相應的開關器件導通;當基準正弦波低于三角波時,使相應的開關器件截止。由此,逆變器的輸出電壓波形為圖2b所示的脈沖列,其特點是:半個周期中各脈沖等距等幅不等寬,總是中間寬,兩邊窄,各脈沖面積與該區間正弦波下的面積成比例。這種脈沖波經過低通濾波后可得到與調制波同頻率的正弦波,正弦波幅值和頻率由調制波的幅值和頻率決定。這就是艾普斯變頻電源調頻調壓的原理。
試驗艾普斯變頻電源的主電路原理如圖所示。三相交流電壓經過三相橋式不控整流電路整流成脈動直流電壓,經過中間濾波電容的儲能和濾波成為平滑直流電壓。逆變環節由4塊IGBT構成全橋逆變器,反并聯二極管完成IGBT關斷時的續流工作,R、C、D構成RCD阻止放電型吸收緩沖回路。逆變部分采用SPWM控制方式,將直流電壓逆變為電壓和頻率可調的SPWM脈沖波。電感L和電容C3組成低通濾波器LC,濾出高頻載波成分。為了限制電容器充電電流,在整流橋的輸出端與儲能電容之間串入一個限流電阻R1,只在接入電源的初短時間內將限流電阻R1串入,當電容器兩端電壓升至一定值后,閉合接觸器JC2將電阻R1切除。
低通濾波器LC輸出設計是否合適,直接影響艾普斯變頻電源輸出電壓波形的失真度,因此濾波器的設計原則是考慮高輸出頻率,只要高輸出頻率下正弦波的失真度得到滿足,則低頻輸出時由于載波比增加,正弦波失真度可自然滿足。
由于電源容量很大,IGBT關斷和開通電流都很大,主電路引線電感Lp的存在,將在IGBT功率回路中引起浪涌電壓,其能量與Vpeak/2LpI2成比例,較高的浪涌電壓將增加功率器件的開關損耗,并危及器件的安全。因此在大功率應用時必須采取措施減少主回路的配線電感,并用緩沖吸收電路來降低電壓尖峰值。