三相四桥臂航空静止变流器的研究

0 引言

航空静止变流器是将飞机主电源电能转变为某些专用机载设备适用的电能形式的装置，随着多电飞机的发展，将会有更多的单相和多相电子负载设备使用[1-2]，这样，会造成变流器输出负载不平衡，为拓宽三相航空静止变流器的使用范围，必须采用三相四线制输出电压。

目前解决三相逆变器接不平衡负载[3]主要有以下5种方法：一是中点形成变压器的三相逆变器，缺点是体积重量随系统容量和负载不对称程度的增加而增加，并且为了达到较好的耦合，绕制工艺和接线复杂，自身功耗降低了整机效率;二是吟/Y输出变压器的三相逆变器，缺点是零序电压不可控;三是应用分裂电容的三相四线制逆变器，缺点是防止中点电位偏移，需要较大电容，而且直流电压利用率低，输出相电压峰值最高仅为直流母线电压的一半;四是组合式三相逆变器，缺点是由三个单相逆变器组成，采用的开关器件和输出滤波器太多。五是三相四桥臂逆变器[4]，在传统三桥臂结构基础上增加一个桥臂，用来构成中线，可直接控制中性点电压，增加了一个自由度，使得三相四桥臂逆变电源可产生三个独立的电压，从而表1 三相四桥臂逆变器开关矢量表能在不平衡负载下维持三相电压的对称输出。

三相四桥臂逆变器具有电路形式简单，体积小，重量轻，电压利用率高的突出优点。因此，本文采用三相四桥臂逆变器作为静止变流器的主电路拓扑进行研究。

1 三相四桥臂逆变器的拓扑结构

图1所示为三相四桥臂逆变器的主电路拓扑结构，E 为直流母线电压;VT1~VT8为功率开关管;v1耀v4 为逆变器输出电压;L1~L3 为输出滤波电感;C1~C3为输出滤波电容;A、B、C 为三相输出;N为中线;Ln为中线电感，可以改善整体滤波效果，抑制中线电流开关纹波，减小三相输出电压的THD值。

2 abc 坐标系下的三维空间矢量法

2.1 开关矢量的选择及区间判别

三相四桥臂逆变器具有4 个桥臂，每个桥臂具有两种开关状态，定义如下：p 表示桥臂上管导通下管关断，n表示桥臂上管关断下管导通。设4个桥臂开关状态顺序为ABCN，例如ppnn，表示该时刻A 相和B 相桥臂上管导通下管关断，C 相和N相桥臂上管关断下管导通。由排列组合可知，三相四桥臂逆变器具有24=16种开关矢量。将16种开关矢量定义为V1~V16，ABC 各相中点电压定义为vAN、vBN、vCN，则得到各矢量状态下所对应的各相中点输出电压幅值，如表1所列。

将16 个开关矢量在abc 坐标系下画成矢量图就得到了一个空间十二面体，如图2 所示。所有的开关矢量，要么与坐标轴平行，要么与某一坐标轴成45毅。可以用6 个平面将控制区域进行分割。

这样控制区域可以分为二十四个面积相等的空间四面体。每一个空间四面体由3 个非零电压矢量和两个空间零电压矢量构成，可以用来判断给定

根据公式(1)可计算得出的RP有24 个不同值，每个值对应一个互不相同的空间四面体[5]。

2.2 开关占空比的计算

根据空间合成的原理，用任意时刻合成空间矢量的三个非零矢量来等效参考电压矢量，则每一时刻参考电压矢量的值都与三个非零电压矢量乘以其占空比后的和相等，见公式(2)，其中vref 为参考电压矢量。

体中各开关矢量对应的占空比。

3 参考电压的设定

4 仿真结果

4.1 三相平衡负载仿真

设直流侧输入电压为270 V，三相输出电压为115 V/400 Hz，三相平衡负载为115 赘，输出滤波电感为1.2 mH，输出滤波电容为3 滋F。定义Ua、Ub、Uc为三相输出电压、ia、ib、ic 为三相输出电流，in为中线电流。仿真结果如图3 和图4 所示。可以看出三相平衡负载情况下，三相输出电压稳定，中线电流基本为0，仅有纹波电流。

通过图5耀图8可以看出三相不平衡负载情况下，三相四桥臂逆变器的输出电压波形基本保持稳定、对称、无畸变，第四桥臂的电流为不平衡负载引起的中线电流。

5 结语

1)abc坐标系下的三维空间矢量法具有区间判断简单和占空比计算快速的特点;

2)四桥臂可作为逆变器接不平衡负载时零序电流的通路;

3)参考电压的设定可补偿不平衡负载时输出电压的损失;

4)三相四桥臂逆变器可作为三相四线制航空静止变流器功率电路使用。