逆變電源直流母線紋波電流分析與抑制研究
1 引言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，基于PWM的電壓型逆變電源得到廣泛應(yīng)用。該逆變電源中間有直流儲能濾波環(huán)節(jié)，一般采用大容量的電解電容。目前，電解電容的技術(shù)比較成熟，且價格便宜，被普遍應(yīng)用于直流母線。但在工程設(shè)計中，直流母線電容的參數(shù)選擇一直困擾著工程人員。通常認(rèn)為，不考慮成本和輸入功率因數(shù)，容值越大越好，但容值的增加不一定會減小電容損耗，而且出于成本及可靠性考慮，還須盡可能地減少直流側(cè)電容值。目前對于直流母線電容的研究較多。此處通過對逆變電源母線電容紋波電流的計算及對母線電壓紋波的分析計算來選擇直流母線電容參數(shù)，能有效避免因選擇電容過大造成紋波電流增大所產(chǎn)生的損耗，并能有效抑制電壓波動，減小電容成本，為實際工程設(shè)計提供了良好的依據(jù)。
2 選擇電容器的方法
2．1 電容紋波電流的計算
紋波電流指流過電容的交流電流。當(dāng)紋波電流過大，超過電容的承受能力時，會造成電容溫度過高，嚴(yán)重影響其工作壽命。因此在選擇電容時，必須考慮到電容通過紋波電流的能力。電容器的紋波電流受逆變電源各輸入輸出量變化及控制方法等諸多因素的影響，很難直接通過計算得到，通常多根據(jù)經(jīng)驗或計算機仿真的方法來估算。如果推導(dǎo)出一個電容器紋波電流的表達(dá)式，在設(shè)計逆變電源系統(tǒng)直流母線電容時將具有明顯優(yōu)勢。根據(jù)對逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，可得到計算直流母線電容器紋波電流的方法。圖1示出電壓型逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
由圖1可知，流過直流母線電容的紋波電流ic為整流輸出電流i1和逆變器輸入電流i2的差值，即：ic=i1-i2。i1和i2又可分別分解為直流分量和交流分量兩部分：
由上式可知，電容中的紋波電流有效值是由整流輸出的交流分量和逆變器輸入端的交流分量兩部分組成。
整流輸出的通過電容紋波電流計算公式如下。設(shè)參數(shù)λ=△u／Umax，△u為直流母線電壓波動，Umax為整流輸出電壓的最大值。
從上式可知，紋波電流與M，cosφ，λ，C等因素有關(guān)。其他參數(shù)恒定的條件下，電容值越大電容紋波電流越大，電容產(chǎn)生的熱量越多，造成的損耗就越大，嚴(yán)重縮短電容壽命。
2．2 電容容值的計算
經(jīng)過三相不可控整流后輸出電壓為6倍頻的周期波動電壓，如圖2所示。圖中，ua，ub，uc為三相輸入相電壓；uc為整流后未加電容的電壓；ur為加電容后的整流輸出電壓，由圖可知：
因此這里提出的計算方法在計算電容最小值選取時主要考慮的是逆變器直流側(cè)輸入等效阻抗R及母線電壓波動范圍λ。
3 驗證
逆變電源參數(shù)：三相輸入電壓為380 V／50 Hz，輸出功率為7．5 kW。假設(shè)直流母線電壓波動為5％，cosφ=0．85，M=0．9。
按照所提出的計算方法，直流母線電容參數(shù)為：
通過式(9)可得，Ic.rms=43．2 A。因此，此處選用1 500μF／450 V，能夠通過紋波電流為16．5 A的電解電容，采用四串四并的結(jié)構(gòu)，那么等效電容C=1 500μF，可承受電壓為1 800 V>1 539 V，能夠通過紋波電流有效值為56．4 A>43．2 A，滿足使用要求。C=1 500μF時直流母線電壓波形和母線電容紋波電流波形如圖3所示。
根據(jù)以往經(jīng)驗選定的直流母線電容值需保留很大的裕量，依據(jù)經(jīng)驗選定C為3 000μF的電解電容。通過仿真分析得到直流母線電壓波形和母線電容紋波電流波形分別如圖4所示。
對比圖3，4可知，兩組電容值都有效抑制了電壓波動，波動范圍都小于5％，符合要求，如圖3a和圖4a所示。但由圖3b和圖4b可知，通過大電容值所產(chǎn)生的電流紋波明顯增大，會造成損耗增大，縮短電容壽命，且大電容造價高，會增加設(shè)計成本。因此，綜合考慮電容值不宜選取過大，此處提出的方法在實際應(yīng)用中比較適用。
4 結(jié)論
通過對逆變電源直流母線電容紋波的計算和直流母線電壓分析，通過公式計算所得到的電容值相比依靠經(jīng)驗所取得的電容值小，能有效地減小電容的電流紋波，減小損耗，很大程度地降低成本。關(guān)于直流母線電容的算法已在實際中應(yīng)用，并取得了良好的效果。
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