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：分析
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(kāi)關(guān)電壓型逆變器，逆變器中功率器件開(kāi)關(guān)損耗較大、輸出電壓變化率大，對(duì)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(jí)提升。本文提出了一種基于磁場(chǎng)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(kāi)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(guò)仿真和試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)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(kāi)關(guān)逆變器通常采用2～4kHz的器件開(kāi)關(guān)頻率以避免器件的熱負(fù)荷超過(guò)其耗散能力。較低的開(kāi)關(guān)頻率導(dǎo)致負(fù)載開(kāi)關(guān)次電流較大，且該頻率位于人耳敏感聽(tīng)力范圍內(nèi)，產(chǎn)生負(fù)載噪聲會(huì)降低操作者的舒適度。同時(shí)，由于功率器件高開(kāi)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(duì)象，通過(guò)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)洌捎迷撏負(fù)淇梢酝ㄟ^(guò)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(shí)負(fù)載上等效開(kāi)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(yàn)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(gè)橋臂作用于負(fù)載的電壓的矢量合成，對(duì)只存在兩個(gè)橋臂的H橋逆變器，其電壓即為兩個(gè)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(jiǎn)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(gè)載波對(duì)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(duì)兩倍載波頻次的邊頻帶各次諧波的相位差均為2(1-2)，對(duì)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(gè)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(kāi)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所，一方面加強(qiáng)校內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(yàn)室，模擬工作環(huán)境對(duì)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(guò)磁場(chǎng)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(shí)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(duì)圖2電路列寫(xiě)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(gè)交流電源電壓；1和2—兩個(gè)交流電源電流；1和2—兩個(gè)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(shí)：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(gè)參考波相同、載波錯(cuò)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(kāi)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(yàn)驗(yàn)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(cuò)90°電角度，開(kāi)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(kāi)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(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)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(yàn)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(chǎng)耦合的三電平逆變器拓?fù)?，通過(guò)兩電平逆變器得到了負(fù)載上的三電平電壓，同時(shí)使負(fù)載等效開(kāi)關(guān)頻率提高一倍。采用該拓?fù)?，可以有效地降低開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力，降低負(fù)載的絕緣壓力。仿真及試驗(yàn)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(jì)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(jí)工程師，研究方向電力電子與電力傳動(dòng)。
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一種基于磁耦合的三電平逆變器拓?fù)?/p>
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大功率電力電子變流裝置通常采用硬開(kāi)關(guān)電壓型逆變器，逆變器中功率器件開(kāi)關(guān)損耗較大、輸出電壓變化率大，對(duì)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(jí)提升。本文提出了一種基于磁場(chǎng)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(kāi)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(guò)仿真和試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)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(kāi)關(guān)逆變器通常采用2～4kHz的器件開(kāi)關(guān)頻率以避免器件的熱負(fù)荷超過(guò)其耗散能力。較低的開(kāi)關(guān)頻率導(dǎo)致負(fù)載開(kāi)關(guān)次電流較大，且該頻率位于人耳敏感聽(tīng)力范圍內(nèi)，產(chǎn)生負(fù)載噪聲會(huì)降低操作者的舒適度。同時(shí)，由于功率器件高開(kāi)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(duì)象，通過(guò)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)洌捎迷撏負(fù)淇梢酝ㄟ^(guò)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(shí)負(fù)載上等效開(kāi)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(yàn)證明了該拓?fù)涞挠行院蛯?shí)用性。
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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(gè)載波對(duì)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(duì)兩倍載波頻次的邊頻帶各次諧波的相位差均為2(1-2)，對(duì)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(gè)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
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圖2 具有磁耦合元件的雙電源供電電路
對(duì)圖2電路列寫(xiě)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。
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當(dāng)耦合元件自感相等并且全耦合時(shí)：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(gè)參考波相同、載波錯(cuò)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(kāi)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(yàn)驗(yàn)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(cuò)90°電角度，開(kāi)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(kāi)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(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)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(yàn)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(chǎng)耦合的三電平逆變器拓?fù)?，通過(guò)兩電平逆變器得到了負(fù)載上的三電平電壓，同時(shí)使負(fù)載等效開(kāi)關(guān)頻率提高一倍。采用該拓?fù)?，可以有效地降低開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力，降低負(fù)載的絕緣壓力。仿真及試驗(yàn)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(jì)中具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。
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