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        復(fù)合母排中點(diǎn)電流的研究

        2014-05-07 01:35:50鄧晨潘啟軍黃垂兵吳文力
        船電技術(shù) 2014年2期
        關(guān)鍵詞:模型

        鄧晨,潘啟軍,黃垂兵,吳文力

        復(fù)合母排中點(diǎn)電流的研究

        鄧晨,潘啟軍,黃垂兵,吳文力

        (海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430033)

        本文以NPC三電平逆變器為例,研究了復(fù)合母排端口參數(shù)矩陣的提取方法及復(fù)合母排多端口電路模型的建模方法,并且利用母排多端口模型搭建了NPC三電平逆變器的仿真系統(tǒng)。根據(jù)中點(diǎn)電流的形成原理以及震蕩的機(jī)理,分析了逆變器元件的雜散參數(shù)對(duì)中點(diǎn)電流的影響。測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了仿真計(jì)算的可靠性與有效性,該分析和仿真計(jì)算方法可用于指導(dǎo)復(fù)合母排的參數(shù)計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        復(fù)合母排 逆變器 多端口模型 中點(diǎn)電流 仿真計(jì)算

        0 引言

        隨著大容量電能變換技術(shù)的發(fā)展,復(fù)合母排得以廣泛應(yīng)用[1-6]。然而,由于復(fù)合母排和功率器件都存在雜散參數(shù),其中雜散電感除了會(huì)在開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作時(shí)形成過(guò)電壓尖峰外,還會(huì)與輸出電流作用在電容母排與傳輸母排的中點(diǎn)形成振蕩電流,加大了電流峰值,增加了高頻損耗。

        另一方面,精確的計(jì)算機(jī)電路仿真不僅能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效檢驗(yàn),提高分析和設(shè)計(jì)能力,還可以與實(shí)物試制和調(diào)試相互補(bǔ)充,最大限度地降低設(shè)計(jì)成本,縮短系統(tǒng)研制周期。

        本文以NPC三電平逆變器為例,利用多端口模型的原理在Ansoft Q3D軟件中提取出描述母排特性的多端口模型,計(jì)算了母排相關(guān)雜散參數(shù),從而得到復(fù)合母排中點(diǎn)電流的仿真數(shù)據(jù),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

        1 復(fù)合母排中點(diǎn)電流的形成

        逆變器電路聯(lián)接關(guān)系如圖1所示,其功率電路主要包括三大部分:以電容母排為主的支撐電容單元,共1塊;以功率傳輸母排為主的能量傳輸單元,聯(lián)接支撐電容與功率半橋單元,共1塊;以IGBT母排為主的功率半橋單元,主要有A相、B相、C相和制動(dòng)單元,共4塊。直流電源通過(guò)直流母線連接到電容母排,再通過(guò)匯流排(中點(diǎn))和熔斷器(正負(fù)極)連接到傳輸母排,最后連接到三相IGBT母排和制動(dòng)單元母排。除了主電路外,還有PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路及負(fù)載電路。

        圖1 逆變器電路連接關(guān)系圖

        三相三電平逆變器的每相都有P、O、N三種開(kāi)關(guān)狀態(tài),將三相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)相互組合則能輸出3×3=27種不同的狀態(tài),按照空間矢量的定義及基本矢量幅值的不同,可將27個(gè)矢量進(jìn)行如表1所示進(jìn)行分類(lèi)。

        表1 三電平逆變器基本矢量分類(lèi)表

        表1中開(kāi)關(guān)輸出狀態(tài)第一個(gè)字母表示A相輸出狀態(tài),第二個(gè)表示B相的輸出,第三個(gè)表示C相的輸出狀態(tài)。由于長(zhǎng)矢量開(kāi)關(guān)狀態(tài)的每相是直接接到母線的正端或負(fù)端,因此它的中線不會(huì)有電流,就不會(huì)影響中點(diǎn)電壓的平衡;對(duì)于三個(gè)零矢量開(kāi)關(guān)狀態(tài)而言,因?yàn)槟孀兤髟诹闶噶繝顟B(tài)時(shí)不工作,所以零矢量對(duì)中點(diǎn)電壓也沒(méi)有影響[7,8],如圖2所示。

        而中矢量和短矢量的開(kāi)關(guān)狀態(tài)至少有一相負(fù)載與電容母排中點(diǎn)相連,并和正或負(fù)母線形成回路,如圖3所示。

        這18個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)(12個(gè)短矢量開(kāi)關(guān)狀態(tài)和6個(gè)中矢量開(kāi)關(guān)狀態(tài))作用的任意時(shí)刻,流入或流出中點(diǎn)電流的絕對(duì)值一定等于某相電流i的絕對(duì)值,表2給出了這18個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)電容母排中點(diǎn)電流o影響的具體情況。

        圖2 長(zhǎng)矢量和零矢量對(duì)中點(diǎn)電流的影響

        圖3 中矢量和短矢量對(duì)中點(diǎn)電流的影響

        表2 不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的中點(diǎn)電流

        綜上所述,三相三電平中點(diǎn)電流是由開(kāi)關(guān)決定的,在不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下,其瞬間值等于某一相的輸出電流。

        2 復(fù)合母排中點(diǎn)電流震蕩機(jī)理

        實(shí)際的逆變器電路包含用于緩沖吸收的電容及大量的寄生分布參數(shù),主要包括:

        1)支撐電容器C1及其分布電阻ESR1和分布電感ESL1;

        2)電容母排吸收電容C2及其分布電阻ESR2和分布電感ESL2;

        3)電容母排到傳輸母排的分布電阻Rbus1及電感Lbus1(含連接銅排和熔斷器);

        4)傳輸母排的吸收電容C3及其分布電阻ESR3和分布電感ESL3;

        5)傳輸母排到IGBT母排的分布電阻Rbus2和分布電感Lbus2;

        6)IGBT母排的吸收電容C4及其分布電阻ESR4和分布電感ESL4。

        以表2的中POO開(kāi)關(guān)狀態(tài)為例,加入電路的分布參數(shù)(由于同一類(lèi)分布參數(shù)具有相似性,圖中的分布參數(shù)代表某一類(lèi)器件或線路)可得到如圖4所示的電流回路。

        圖4 帶分布參數(shù)的POO狀態(tài)時(shí)回路示意圖

        從圖4可以看出,由于PWM動(dòng)作產(chǎn)生豐富的高次諧波成分,在POO狀態(tài)時(shí)AT1和AT2的開(kāi)關(guān)動(dòng)作形成的電流為電路提供激勵(lì)源使電路產(chǎn)生階躍響應(yīng)。若用開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)電流等效為激勵(lì)電流源,將圖4中的RLC進(jìn)行串并聯(lián)的簡(jiǎn)化可得到如圖5所示的二階電路。

        圖5 POO狀態(tài)時(shí)電流的回路等效電路

        圖5中R為等效電阻,為支撐電容與傳輸母排聯(lián)接端到IGBT吸收電容之間總的回路電阻;L為等效電感,為支撐電容與傳輸母排聯(lián)接端到IGBT吸收電容之間總的回路電感,C為等效電容,為支撐電容與傳輸母排聯(lián)接端到IGBT吸收電容之間總的并聯(lián)電容。

        由圖5可知,只要有PWM開(kāi)關(guān)動(dòng)作,就會(huì)產(chǎn)生高頻激勵(lì)源,由于支撐電容、吸收電容、分布電阻和分布電感等參數(shù)的存在,且這些參數(shù)滿足一定關(guān)系電路中的電流就會(huì)產(chǎn)生振蕩。

        3 復(fù)合母排多端口模型的建模

        復(fù)合母排因集成安裝了諸如支撐電容、吸收電容和IGBT及二極管等功率器件,端口多,結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。但將端口與端口間孤立來(lái)看不外乎電阻、分布電感及電容等關(guān)系,如果能將復(fù)合母排每個(gè)端口的關(guān)系都運(yùn)用電路仿真語(yǔ)言描述出來(lái),對(duì)應(yīng)相應(yīng)的電路元件符號(hào),就可以建立復(fù)合母排的電路仿真模型。

        本文運(yùn)用Ansoft Q3D軟件,提取了復(fù)合母排各端口參數(shù)矩陣,將其輸出為Pspice電路模型,再將Pspice模型轉(zhuǎn)化成Saber電路模型。

        在Ansoft Q3D中分別建立電容母排、傳輸母排和IGBT母排(功率器件母排)模型,根據(jù)上述方法對(duì)三種母排進(jìn)行信號(hào)加載,以電容母排的加載為例,如圖6所示。

        圖6 電容母排端口的加載

        圖6中Sink_Ain、Sink_Bin、Sink_Cin為直流正極、負(fù)極和中點(diǎn)的進(jìn)線端;Source_Aout、Source_Bout、Source_C1out、Source_C2out和Source_C3out為連接傳輸母排的出線端;Source_Cap_A1到Source_Cap_A4為兩個(gè)上支撐電容的正極連接端;Source_Cap_C1到Source_Cap_C8為四個(gè)支撐電容的中點(diǎn)連接端;Source_Cap_B1到Source_Cap_B4為兩個(gè)下支撐電容的負(fù)極連接端。

        將復(fù)合母排各端口加載完成后,在Ansoft Q3D中計(jì)算模型的、、參數(shù),即可得到復(fù)合母排多端口參數(shù)矩陣,然后在Ansoft Q3D中的輸出*.Cir的等效電路模型文件。可在Pspise的Model Editor新建一個(gè)元件模型,將*. Cir文件導(dǎo)入, 生成后綴名為.Lib的模型文件和后綴名為.olb的多端口電路模型。在得到復(fù)合母排的Pspise多端口仿真模型后,利用Saber提供的Nspito工具可以將Pspice模型轉(zhuǎn)成Saber模型。先將后綴名為.Lib的模型文件轉(zhuǎn)化為后綴名為.Sin的Saber中仿真所用的MAST語(yǔ)言文件。在完成*.Sin文件的轉(zhuǎn)化完成后,需要在SaberSketch中為多端口模型建立后綴名為.ai_sym符號(hào)文件,將符號(hào)的名字存為模型的名字,并和模型后綴名為.sin文件保存在同一目錄下,以便軟件自動(dòng)為符號(hào)和模型建立映射關(guān)系。只要映射關(guān)系正確就可以在Saber仿真中直接調(diào)用復(fù)合母排的多端口模型。

        4 復(fù)合母排中點(diǎn)電流震蕩的仿真與驗(yàn)證

        根據(jù)第3節(jié)所述的復(fù)合母排中點(diǎn)電流震蕩機(jī)理以及二階電路的原理可知當(dāng)?shù)刃Щ芈穲D5中的參數(shù)滿足:

        回路中的電路即產(chǎn)生振蕩,其振蕩周期為:

        根據(jù)支撐電容、吸收電容和熔斷器的參數(shù)手冊(cè)及復(fù)合母排仿真計(jì)算結(jié)果得到R=0.1226 mΩ,L=1.2298 nH,C=98.78 mF。根據(jù)式(2)計(jì)算可得到振蕩周期為=82.89 μs。

        圖7為逆變器正極熔斷器下方、負(fù)極熔斷器上方中點(diǎn)銅排實(shí)測(cè)電流波形,其振蕩周期約為82 μs。

        由此可見(jiàn)仿真計(jì)算出的數(shù)據(jù)=82.89 μs,與實(shí)測(cè)的82 μs基本吻合。

        5 結(jié)論

        本文以NPC三電平逆變器為例,研究了復(fù)合母排端口參數(shù)矩陣的提取方法及復(fù)合母排多端口電路模型的建模方法,分別建立了復(fù)合母排多端口Saber仿真模型,并且利用母排多端口模型搭建了NPC三電平逆變器的仿真系統(tǒng),根據(jù)中點(diǎn)電流的形成原理以及震蕩的機(jī)理,分析了逆變器元件的雜散參數(shù)對(duì)中點(diǎn)電流的影響,通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性,為逆變器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

        圖7 電容母排中點(diǎn)電流時(shí)域波形

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        Deng Chen, Pan Qijun, Huang Chuibing, Wu Wenli

        (National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033 China)

        TM72

        A

        1003-4862(2014)02-0038-04

        2013-05-16

        國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973項(xiàng)目(2013CB035601)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51077129)

        鄧晨(1990-), 男,研究生。研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)。

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