12脈整流逆變器母線電容的選型計算

張甲兵，陳元初，康惠林，劉軍華

應(yīng)用研究

12脈整流逆變器母線電容的選型計算

張甲兵，陳元初，康惠林，劉軍華

（通達電磁能股份有限公司，湖南長沙 410217）

母線電容是逆變器的關(guān)鍵器件，其選型設(shè)計影響著整機的尺寸、重量、功率密度、成本和性能指標。分析建立了12脈整流逆變器母線電容容量、紋波電流計算公式并仿真驗證了其有效性，為工程應(yīng)用中12脈整流逆變器母線電容的選型設(shè)計提供了參考依據(jù)。

母線電容 逆變器 12脈整流 紋波電流

0 引言

隨著“十四五”2030年前碳達峰、2060年前碳中和的持續(xù)進行，綠色新能源得以大力發(fā)展，促使各類電力電子用電設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。如：斬波器、變頻器、逆變器等。12脈整流逆變器優(yōu)于6脈整流逆變器的輸入THDI和功率因數(shù)被各設(shè)備廠家普遍選用。母線電容作為12脈整流逆變器電網(wǎng)能量和負載能量交換的緩沖環(huán)節(jié)，其合適選型決定著母線電壓的可靠性和穩(wěn)定性。文獻[1，4]對常用的三相逆變器母線電容紋波和電壓脈沖進行了研究分析，并給出了初步的選取依據(jù)；文獻[5]則針對多相H橋逆變器支撐電容電流進行了深入探討。但12脈整流逆變器包含12脈波整流和三相逆變兩部分，母線電容的選取僅通過分析三相逆變部分來進行顯然不能滿足應(yīng)用需求。

對12脈整流逆變器母線輸入和輸出紋波電流進行分別分析，得出母線電容紋波電流表達式，并通過電壓紋波和輸出功率要求，得出容量計算表達式。通過仿真驗證該選型計算的有效性，可為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 電路結(jié)構(gòu)

圖1給出了12脈整流逆變器的主電路拓撲。該拓撲由輸入供電電源、移相變壓器、2個三相不控整流橋、母線電容、三相逆變器和輸出LC濾波器組成。

圖1 12脈整流逆變器主電路

2 母線電容選型計算

2.1 母線電容容值計算

在同等輸出功率條件下，一般來說母線電容容量越大，母線電壓紋波越小，越有利于系統(tǒng)輸出側(cè)的穩(wěn)定。但過大的容量不僅會增加整機成本，也會降低輸入側(cè)的功率因數(shù)。依據(jù)電壓紋波指標要求，通過理論分析計算，選擇合適的母線電容容量能有效避免實際工程應(yīng)用中容量的過設(shè)計。

如圖2所示，輸入電源經(jīng)過移相變壓器和2個三相不控整流橋整流成12倍頻的周期波動電壓。

圖2 整流橋輸入電壓和母線電壓

其中，uuuuuu為輸入電源經(jīng)移相變壓器移相后相電壓，u為整流后未加母線電容電壓，u為整流后加母線電容電壓。

由圖2可知，電容放電時間：

設(shè)系統(tǒng)容許母線電壓波動率為λ，并令：

則母線最低電壓為：

令：

由式（6）可解得時間1，代入式（4）可算出f。

母線電容充電時間為：

為方便計算，輸出功率P下，用純電阻等效替代三相逆變器的直流輸入阻抗，則有：

電容純電阻負載下放電方程為：

在電壓波動率λ限制下，則

以上給出了滿足母線電壓波動率λ下的最小母線電容容量的選型依據(jù)，工程應(yīng)用中可跟據(jù)實際情況預(yù)留一定裕量。

2.2 母線電容紋波電流計算

紋波電流耐受值是母線電容選型的關(guān)鍵指標。如選型過小，將導(dǎo)致電容過熱，從而影響電容的壽命；如選型過大，則會增加限制尺寸下結(jié)構(gòu)布局的難度和成本的上升。通過紋波電流表達式計算結(jié)果指導(dǎo)選擇恰當?shù)募y波電流耐受值母線電容顯得非常必要。

由圖1知，流過母線電容C的紋波電流c為三相逆變器輸入電流n和12脈整流側(cè)輸出電流z的交流分量的差值，即：

則流過母線電容C紋波電流有效值I為：

將式（12）代入式（13）解得：

根據(jù)帕瑟瓦爾定理結(jié)合nac和zac不含同頻率諧波分量，則有：

從式（15）可知，母線電容紋波電流有效值由整流側(cè)交流分量有效值和逆變側(cè)交流分量有效值疊加而成。

整流器交流分量有效值分由充電和放電兩部分構(gòu)成，計算如下：

整理后得：

式中：C母線電容值，母線電壓波動率，移相變壓器副邊有效值，f整流輸出頻率，t母線電容充電時間，t母線電容放電時間，可由2.1得到。

三相逆變器輸入交流分量有效值計算如下[6]：

式中：I為逆變器輸出相電流有效值，為PWM調(diào)制比，cos為輸出負載功率因數(shù)。當為0，約為0.615時I取的最大值[6]。

將式（16）、（17）代入式（14）可得：

上式（19）給出了12脈整流逆變器母線電容紋波理論計算表達式，工程應(yīng)用中可根據(jù)實際應(yīng)用需求，代入?yún)?shù)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)母線電容紋波指標選型。

3 驗證

12脈整流逆變器基本參數(shù)：

輸入三相三線線電壓380 Vac/50 Hz，移相變壓器線電壓變比1:1，輸出功率50 kW。設(shè)定容許母線電壓波動率為3%，負載為純阻性負載，PWM調(diào)制比為0.615，計算得輸出電流143 A。

圖3 母線電容紋波電流、紋波電壓仿真

由圖3可知，12脈整流器獨立帶滿載時，母線紋波電流有效值約95.1 A；三相逆變器獨立帶滿載時，母線紋波電流有效值約93.9 A；12脈整流三相逆變器帶滿載時母線紋波電流有效值約135 A，母線電壓波動率約2.8%。仿真結(jié)果與理論分析相近，選型計算方式具備工程應(yīng)用參考價值。

4 結(jié)論

針對12脈整流逆變器母線電容的選型進行了理論分析和計算。依據(jù)母線電壓波動率要求推導(dǎo)了母線電容最低容量選型計算公式，依據(jù)對12脈整流和三相逆變紋波電流分析推導(dǎo)了母線電容紋波電流選型計算公式。仿真結(jié)果驗證了所得選型計算公式的有效性，可為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

[1] 蔡曉燕, 徐敬濤, 劉繼茂, 等.光伏逆變器中DC-link 電容的選型計算[J]. 電力電子技術(shù), 2012, 46(4): 43-44, 59.

[2] 李星宇, 李崇堅, 朱春毅, 等. 三電平變流器直流側(cè)電容的紋波分析[J]. 電氣傳動, 2013, 43(S1): 93-97.

[3] 柯建興, 肖飛, 林哲侃, 等. 大功率三電平逆變器直流母線電容的紋波電流問題研究[J]. 通信電源技術(shù), 2019, 36(7): 1-3, 16.

[4] 裴雪軍, 陳材, 康勇. 三相電壓源逆變器直流側(cè)支撐電容的電壓脈動分析與設(shè)計 [J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2014, 29(3): 254-259, 269.

[5] 艾勝, 賈昊松, 曾啟帆, 等. 多相H橋逆變器支撐電容電流計算[J]. 電源學(xué)報, 2018, 16(3): 106-112.

[6] Kolar J W, Round S D. Analytical calculation of the RMScurrent stress on the DC-link capacitor of voltage-PWM con-verter systems [J]. IEE Proceedings on Power Application, 2006, 153(4) : 535-543.

Analytic calculation of the bus capacitor for 12-pulse rectifier inverters

Zhang Jiabing, Chen Yuanchu, Kang Huilin, Liu Junhua

(TDElectromagnetic Energy Co., Ltd, Changsha 410217, Hunan)

TM561

A

1003-4862（2022）11-0070-04

2022-03-28

張甲兵（1988-），男，碩士，工程師，主要從事電力電子裝置研究和產(chǎn)品開發(fā)。E-mail:295351289@qq.com