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鍵器件，其選型設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，為工程應用中12脈整流逆變器母線電容的選型設計提供了參考依據。

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年前碳中和的持續進行，綠色新能源得以大力發展，促使各類電力電子用電設備得到廣泛應用。如：斬波器、變頻器、逆變器等。12脈整流逆變器優于6脈整流逆變器的輸入THDI和功率因數被各設備廠家普遍選用。母線電容作為12脈整流逆變器電網能量和負載能量交換的緩沖環節，其合適選型決定著母線電壓的可靠性和穩定性。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；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，可為工程設計提供參考依據。

1 電路結構

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，越有利于系統輸出側的穩定。但過大的容量不僅會增加整機成本，也會降低輸入側的功率因數。依據電壓紋波指標要求，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用中容量的過設計。

如圖2所示，輸入電源經過移相變壓器和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：

設系統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，工程應用中可跟據實際情況預留一定裕量。

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鍵指標。如選型過小，將導致電容過熱，從而影響電容的壽命；如選型過大，則會增加限制尺寸下結構布局的難度和成本的上升。通過紋波電流表達式計算結果指導選擇恰當的紋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：

根據帕瑟瓦爾定理結合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交流分量有效值和逆變側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調制比，cos為輸出負載功率因數。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，工程應用中可根據實際應用需求，代入參數數據，指導母線電容紋波指標選型。

3 驗證

12脈整流逆變器基本參數：

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。設定容許母線電壓波動率為3%，負載為純阻性負載，PWM調制比為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%。仿真結果與理論分析相近，選型計算方式具備工程應用參考價值。

4 結論

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。依據母線電壓波動率要求推導了母線電容最低容量選型計算公式，依據對12脈整流和三相逆變紋波電流分析推導了母線電容紋波電流選型計算公式。仿真結果驗證了所得選型計算公式的有效性，可為工程設計提供參考依據。

[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, 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, 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支撐電容的電壓脈動分析與設計 [J]. 電工技術學報, 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品開發。E-mail:295351289@qq.com