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        大功率斬波電源的高頻振蕩分析

        2019-07-08 00:32:42陳元初蔡宇峰涂紹平
        船電技術(shù) 2019年6期
        關(guān)鍵詞:分布電容大功率電抗器

        初 蕊,陳元初,蔡宇峰,李 超,涂紹平,甘 幸

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        大功率斬波電源的高頻振蕩分析

        初 蕊,陳元初,蔡宇峰,李 超,涂紹平,甘 幸

        (株洲電力機車研究所有限公司,湖南株洲 412001)

        大功率斬波等離子弧電源在基于IGBT斬波的超高系統(tǒng)集成頻率下會產(chǎn)生較大的電壓諧振導(dǎo)致熄弧,解決輸出側(cè)直流電壓高頻振蕩提高輸出電壓特性,是一個技術(shù)難題。本文以某等離子弧電源項目為基礎(chǔ)進行建模分析,進行仿真和試驗驗證。表明精確增加多級高頻濾波電容即可有效改善高頻諧振問題。

        斬波電源 高頻振蕩 等離子弧

        0 引言

        現(xiàn)代煤化工是一種通過等離子弧高溫使煤炭與工業(yè)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過程,該系統(tǒng)中等離子弧電源是最關(guān)鍵的部分;等離子弧主要對電流非常敏感,斬波電源系統(tǒng)需要配置大電感(幾mH到幾十mH)來限制電流的波動,由于大電流電抗器在設(shè)計制造時存在較大的分布電容,在斬波電源系統(tǒng)中此分布電容與負載及線路的寄生電感會形成高頻振蕩形成反電勢,此反電勢也會造成等離子弧不穩(wěn)定甚至熄滅。本文探討如何解決這個高頻振蕩問題,使系統(tǒng)能正常運行。

        1 斬波電源介紹

        斬波電源是一種利用IGBT等器件的高頻開關(guān)特性將固定的直流電壓轉(zhuǎn)換成可變的直流電壓的一種變換器,有多種主電路形式;本文中的大功率斬波電源的功率單元采用的是一種BUCK電路,單個IGBT的開關(guān)頻率為3 kHz,理想斬波電源的系統(tǒng)原理及輸出電壓如圖1所示。

        圖1 斬波電源等效系統(tǒng)原理圖

        大功率斬波電源就是利用IGBT的高頻特性設(shè)計的一種電壓快速響應(yīng)的等離子弧電源,通過配置大功率電抗器來提高輸出電流的紋波特性和穩(wěn)流特性。在工程應(yīng)用過程中,由于大功率電抗器自身存在分布電容,負載及線路中存在寄生電感,在輸出側(cè)會形成高頻振蕩過電壓,實際的電路如圖2所示,輸出波形如圖3所示。該振蕩電壓可能會損壞開關(guān)器件,更重要的是會使等離子弧熄滅。

        2 高頻振蕩分析

        對大功率斬波電源進行簡化后的高頻振蕩等效電路如圖2所示。其中為大功率平波電抗器4 mH,C為電抗器分布電容約50 nF,為負載和線路的寄生電感約5mH,R為負載電阻約0.8 Ω。

        系統(tǒng)輸入電壓為幅值E=810 V,頻率=3 kHz,占空比40%的方波電壓,如圖3;其傅里葉展開式為:

        其中:

        為周期(即1/f),為整數(shù)。

        由上述計算可以看到,0為恒定直流分量,公式剩余部分為交流分量;交流分量在分布電容和電感L之間形成串聯(lián)諧振,諧振頻率為:

        所以系統(tǒng)諧振為高頻振蕩,特征頻率為基波頻率的整數(shù)倍時輸出電壓均有不同程度的電壓諧振,交流分量的特征頻率在諧振點時諧振電壓最高;輸出電壓o為恒定直流分量和各特征頻率下的交流諧振電壓的復(fù)合電壓。

        根據(jù)串聯(lián)諧振回路原理,輸出電壓為:

        其中XX分別為對應(yīng)頻率下的平波電抗器,負載及線路寄生電感的阻抗;X//C為平波電抗器和分布電容并聯(lián)后的阻抗。采用PSIM軟件對上述電路進行建模仿真分析輸出電壓o的波形,波形圖如圖3所示。

        由上述計算和仿真結(jié)果可以看出,輸出電壓直流分量為324 V,振蕩電壓峰值約為1100 V,最小值約為-410 V,振蕩范圍約為±700 V。該大功率斬波電源的輸出為高頻振蕩,振蕩電壓波動范圍大,在輸出側(cè)呈現(xiàn)反電壓;等離子弧負載在起弧階段(見參考文獻2)對電壓要求高速響應(yīng)同時不允許有反電勢的情況,所以高頻振蕩會影響等離子弧負載的正常運行。

        圖2 大功率斬波電源原理

        圖3 系統(tǒng)輸出波形及放大后的波形

        3 高頻振蕩改善

        以等離子弧做負載的大功率斬波電源主要是要求輸出電流穩(wěn)定;對于電壓,要求在起弧過程中響應(yīng)速度快,并且不能有反電勢出現(xiàn),否則會滅弧。根據(jù)以上原則可以選擇高頻濾波電容,電容值選擇滿足慮除高次振蕩電壓即可,電容值太大會影響直流電壓的快速響應(yīng)特性。

        3.1 濾波電容計算方法

        電容的濾波過程就是電容的充放電過程,如圖4所示,在0-1時間段電容處于充電階段,振蕩電壓峰值被抑制;電容充電過程如下式:

        其中U0為電容的初始電壓,取700 V(振蕩峰值);Uc取2倍直流分量值(確保諧振時不產(chǎn)生負電壓);R為回路充電電阻,取1 Ω;t= t1- t0≈1×10-7 s。計算得濾波電容約為80 nF。

        同樣在2-3過程電容處于放電階段,抑制電壓跌落趨勢使電壓波動限制在正電壓范圍以內(nèi)。電容放電過程如下式:

        其中0為電容的初始電壓,取324 V(直流分量);U確保不產(chǎn)生負電壓即可,取50 V;R為回路放電電阻(負載),取0.8 Ω;=3-2≈1×10-7s。計算得濾波電容約為67 nF。

        3.2 仿真分析和試驗驗證

        通過上述計算,采用PSIM軟件對大功率斬波電源系統(tǒng)進行仿真分析,仿真模型如圖5所示,仿真輸出波形如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看到加裝高頻濾波器之后,高頻振蕩電壓的峰值由1100 V降低到625 V,諧振最低電壓由-400 V升高到55 V;仿真結(jié)果與計算基本相符,也滿足實際工程應(yīng)用的要求。

        在工程化應(yīng)用中,普通薄膜電容不具備高頻濾波特性,高壓瓷介電容才能有效濾除高頻諧波分量。該等離子弧用大功率斬波電源采用的是單個6.8 nF的高壓瓷介電容多個并聯(lián)配置方式,加裝高頻濾波支路前后的波形如圖7和圖8所示,高頻振蕩得到明顯抑制,同時又不影響輸出電壓的快速響應(yīng)能力。

        4 結(jié)語

        本文結(jié)合對電路的分布電容和雜散電感精確的建模計算,精確增加多級高頻濾波電容即可有效改善高頻諧振問題。通過計算仿真和工程應(yīng)用對比,該方案可行且并確保項目順利投產(chǎn),本文提出的計算思路和解決辦法對大功率高頻電路應(yīng)用有很強的借鑒意義。

        圖5 系統(tǒng)仿真模型

        圖6 增加濾波電容前后的輸出電壓波形

        圖7 未加高頻濾波的電壓波形

        圖8 加裝高頻濾波后電壓波形

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        Analysis of High Frequency Oscillation in High Power Chopper Power Source

        Chu Rui, Chen Yuanchu, Cai Yufeng, Li Chao, Tu Shaoping, Gan Xing

        ( Zhuzhou CRRC Times Electric Co., Ltd, Zhuzhou 412001, Hunan, China)

        TN751

        A

        1003-4862(2019)06-0017-03

        2018-12-20

        初蕊(1987-)女,工程師。研究方向:變流控制、測試技術(shù)。E-mail: churui@csrzic.com

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