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        一種基于磁耦合的三電平逆變器拓?fù)?/h1>
        2016-10-14 15:22:01劉念洲
        船電技術(shù) 2016年4期
        關(guān)鍵詞:電平載波元件

        劉念洲,袁 洋

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        一種基于磁耦合的三電平逆變器拓?fù)?/p>

        劉念洲,袁 洋

        (武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,武漢 430064)

        大功率電力電子變流裝置通常采用硬開關(guān)電壓型逆變器,逆變器中功率器件開關(guān)損耗較大、輸出電壓變化率大,對逆變器的散熱和負(fù)載的絕緣造成了較大的壓力,間接限制了逆變器的功率等級提升。本文提出了一種基于磁場耦合的三電平逆變器拓?fù)潆娐芳捌湔{(diào)制方法,負(fù)載等效開關(guān)頻率提高一倍,負(fù)載的電平跳變數(shù)也相應(yīng)增加。通過仿真和試驗測試,驗證了此電路拓?fù)涞挠行院蛯?shí)用性。

        磁耦合 三電平 逆變器拓?fù)?/p>

        0 引言

        基于脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的電壓型逆變器廣泛應(yīng)用各類電力電子裝置,然而由于功率器件自身的非理想特性,大功率硬開關(guān)逆變器通常采用2~4kHz的器件開關(guān)頻率以避免器件的熱負(fù)荷超過其耗散能力。較低的開關(guān)頻率導(dǎo)致負(fù)載開關(guān)次電流較大,且該頻率位于人耳敏感聽力范圍內(nèi),產(chǎn)生負(fù)載噪聲會降低操作者的舒適度。同時,由于功率器件高開關(guān)速度,逆變器輸出的電壓變化率往往可達(dá)數(shù)千伏每微秒,給逆變器負(fù)載的絕緣造成了較大的壓力,往往需采用體積較大的LCR型濾波器進(jìn)行濾波。

        本文以采用PWM技術(shù)的電壓型逆變器為研究對象,通過分析其輸出電壓的數(shù)學(xué)模型及負(fù)載上的電壓分配關(guān)系,提出了一種采用磁耦合實(shí)現(xiàn)三電平輸出的逆變器拓?fù)?,采用該拓?fù)淇梢酝ㄟ^普通兩電平逆變器實(shí)現(xiàn)負(fù)載上的三電平電壓輸入,同時負(fù)載上等效開關(guān)頻率提高一倍,從而有效地降低負(fù)載側(cè)的高頻電流和電壓變化率。仿真和試驗證明了該拓?fù)涞挠行院蛯?shí)用性。

        1 耦合多電平電路分析

        1.1 PWM逆變器負(fù)載電壓分析

        基于PWM技術(shù)的電壓型逆變器輸出至負(fù)載的電壓由逆變器多個橋臂作用于負(fù)載的電壓的矢量合成,對只存在兩個橋臂的H橋逆變器,其電壓即為兩個相橋臂的參考電壓之差,其物理意義及數(shù)學(xué)表達(dá)較為簡潔,因此本文采用H橋逆變器作為基本分析單元。兩電平H逆變器電路如圖1所示。

        采用單極倍頻的自然采樣的兩電平H橋逆變器輸出電壓為例進(jìn)行,負(fù)載側(cè)電壓數(shù)學(xué)表達(dá)如公式(1)所示[1]。

        (1)式(1)中:V—直流電壓的一半;—調(diào)制比;0—參考波頻率;ω—載波頻率;—載波初始相位角;Φ—參考波初始相位角。

        圖1 兩電平H橋逆變器電路圖

        分析可知,當(dāng)采用初始角度分別為1和2的兩個載波對同一參考波進(jìn)行調(diào)制,逆變器輸出基波相位相同,但高頻諧波之間存在相位差,對兩倍載波頻次的邊頻帶各次諧波的相位差均為2(1-2),對四倍載波頻次的邊頻帶各次諧波相位差為4(1-2)。如采用兩個參考波相位相同而載波相位不一致的H橋逆變器向同一負(fù)載供電,其高頻電流將存在相位差。

        1.2具有磁耦合元件的負(fù)載電壓特性分析

        應(yīng)用型人才的培養(yǎng)離不開實(shí)驗實(shí)訓(xùn)場所,一方面加強(qiáng)校內(nèi)實(shí)驗室建設(shè),按照工作環(huán)境和工作要求建立校內(nèi)仿真實(shí)驗室,模擬工作環(huán)境對學(xué)生進(jìn)行專業(yè)實(shí)踐方面的訓(xùn)練。另一方面,積極拓展校外實(shí)踐基地,與企業(yè)、工廠等單位合作建立大學(xué)生實(shí)踐基地,將部分實(shí)踐性課程搬入實(shí)踐基地組織教學(xué)[4]。

        在具有磁耦合元件的電路中,可以通過磁場耦合使不同支路的電流產(chǎn)生耦合,改變電路中負(fù)載阻抗上的電壓電流特性。本文中以如圖2所示的電路分析磁耦合元件向負(fù)載供電時負(fù)載上的電壓特性。

        圖2 具有磁耦合元件的雙電源供電電路

        對圖2電路列寫電路方程如公式(2)所示。

        由公式(2)可以解得負(fù)載上的電壓表達(dá)式如公式(3)所示。

        式(2)和式(3)中:1和2—兩個交流電源電壓;1和2—兩個交流電源電流;1和2—兩個線圈自感;12—耦合元件互感;—負(fù)載阻抗;—電源角頻率;U—負(fù)載上電壓。

        當(dāng)耦合元件自感相等并且全耦合時:如兩電源同相位,負(fù)載上電壓與兩電源電壓同相位;如兩電源相位互差180°,負(fù)載上電壓為零。

        采用兩個參考波相同、載波錯90°相位的兩電平H橋逆變器并聯(lián)向同一負(fù)載供電,按圖2方向串入磁性耦合元件供電則可消除負(fù)載上的兩倍載波頻次的邊頻帶各次諧波,從而達(dá)到使開關(guān)頻率加倍的效果。

        本文以采用單極倍頻調(diào)制的H橋逆變器為例進(jìn)行分析,但各種PWM逆變器基本原理一致,文中方法同樣適用于其它形式的PWM逆變器,僅需根據(jù)其諧波成分改變載波的初始相位可得到同樣的效果[2,3]。

        2 仿真與試驗驗證

        根據(jù)本文分析搭建如圖3所示仿真電路,兩H橋逆變器參考波相同,載波錯90°電角度,開關(guān)頻率為2kHz,負(fù)載電壓及頻譜分析如圖4所示。

        圖 3 磁耦合逆變器仿真電路

        由圖4可知負(fù)載上電壓呈三電平特性,高頻成分為4倍的開關(guān)頻次及其邊波帶,與本文分析一致。

        根據(jù)仿真結(jié)果搭建實(shí)物平臺進(jìn)行驗證,試驗波形如圖5所示,其中通道一為負(fù)載上電壓,通道二為一相逆變器直接輸出的電壓。 試驗結(jié)果表明逆變器直接輸出為兩電平電壓波形,而負(fù)載電壓為三電平電壓,與本文中分析及仿真結(jié)果相吻合。

        3 結(jié)論

        本文提出了一種基于磁場耦合的三電平逆變器拓?fù)?,通過兩電平逆變器得到了負(fù)載上的三電平電壓,同時使負(fù)載等效開關(guān)頻率提高一倍。采用該拓?fù)?,可以有效地降低開關(guān)器件應(yīng)力,降低負(fù)載的絕緣壓力。仿真及試驗證明了本文所提出三電平逆變器拓?fù)涞恼_性。本文所提出的逆變器拓?fù)湓诖蠊β誓孀兤鞯脑O(shè)計中具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

        [1] 周克亮.電力電子變換器PWM技術(shù)原理及實(shí)踐.人民郵電出版社, 2010年2月第一版

        [2] H.W.Van der Broeck and H.C. Skudelny, “Analytical analysis of the harmonic effects of a PWM ac drive,” IEEE Trans on Power Electronics, 1988, 3(2): 216-223.

        [3] J.T. Boys and P.G. Handley, “Harmonic analysis of space vector modulated PWM waveforms,” IEE Proceedings (London), 1990,137(4): 197-204.


        A Three-level Inverter Topology Based on Magnetically Coupling Theory

        Liu Nianzhou, Yuan Yang

        (Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

        Hard-switch voltage source inverter(VSI) is generally used as high-power power electronics device. VSI generates high switching loss and dv/dt, and this limits ingrading the power-grade level of VSI. This paper puts forward a three-level inverter topology based on magnetic coupling theory and the modulating method. The output switch-frequency is doubled and the number of output voltage-level increases one level. The simulation and experiment verifies the topology.

        magnetic coupling; three-level inverter; inverter topology

        TM464

        A

        1003-4862(2016)04-0051-03

        2015-12-23

        劉念洲(1979-),男,高級工程師,研究方向電力電子與電力傳動。

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