（电力电子与电力传动专业论文）30kva三相逆变器模块设计及电感线圈损耗的分析和计算.pdf

a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to f t h en e we n e r g y , d i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m s ，a n dt h e 谢d el l s eo f u p s ，r e s e a r c ho nt h ei n v e r t e ri sb e i n gg i v e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s 。t h ep o w e rr a t i n ga n d t h ep o w e rd e n s i t ya r r eg e t i n gh i g h e ra n dh i g h e r h o wt od e s i g nah i 出p o w e rd e n s i t yi n v e r t e r m o d u l eb e c o m e sar & dh o t s p o t l cf i l t e ri sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ei n v e r t e rt o r e d u c et h eo u t p u th a r m o n i c s a n dt h ei n d u c t o ri st h ei n d i s p e n s a b l ef o rt h el cf i l t e r t h e e q u i v a l e n tr e s i s t a n c eo ft h ei n d u c t o ra f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h ei n v e r t e r s ot h ew i n d i n g l o s sa n dt h ea cr e s i s t a n c eo f t h ei n d u c t o r ss h o u l da l s ob ec o n s i d e r e d t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l yi n t r o d u c e st h em o d e mc o n t r o ls t r a t e g yf o ri n v e r t e r s ，a n dh o wt h e e q m v m e mr e s i s t a n c eo f t h ei n d u c t o ra f f e c t so nt h ep e r f o r m a n c eo f i n v e r t e r si sp e s e n t e d i nt h e s e c o n dc h a p t e r , t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ei n v e r t e rm o d u l e ，i n c l u d i n gd e s i g n so fi t sm a i n c i r c u i t ，t h ed r i v ec i r c u i t ，t h es a m p l i n gc i r c u i t ，a n dt h ec o n t r o lc i r c u i te t c i sp r e s e n t e di n d e t a i l i nt h et h i r dc h a p t e r t h ed e s i g n so ft h el cf i l t e ra n dt h ed o u b l el o o pc o n t r o lc i r c u i ta r e p r e s e m e d a n db o t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do ns a b e rp l a t f o r ma n dt h ee x p e r i m e n t r e s u l t so na l le x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ea r ep r e s e n t e d ，w h i c hv e r i f yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s i nt h ef o r t hc h a p t e r , am o d e io fi n d u c t o r si sb u i l tu pt or e f l e c ti t sm o r ea c c u r a t e c h a r a c t e r s f o rd i f f e r e n ti n d u c t o r s ，i tg i v e sd i f f e r e n tm e t h o d st oa n a l y z ea n dc a l c u l a t et h e w i n d i n gl o s s e sa n dt h ea c r e s i s t a n c e so ft h ei n d u c t o r s f i n a l l yd i f f e r e n ti n d u c t o r sw o u n db y s i n g l e s t r a n dc o p p e rw i r e s ，l i t zw i r e s ，a n dt h ep a r a l l e lm u l t i - s t r a n dw i r e sh a v eb e e nm a d e t o p r o v et h ep r e s e n t e dm e t h o d k e yw o r d s ：t h r e e p h a s ei n v e r t e r ，d o u b l ev o lr a g ea n dc u r r e n t l o o pc o n t r o l ，h a r d w a r ed e s i g n ，l cf i l t e r ，w i n d i n gl o s s ，a c r e s i s t a n c e 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 背景 科学技术和国民经济的迅速发展对电力的需求不断扩大。传统的由电网直接提供电 能的方式，使用方便、经济，但供电质量不免受到各种因素的影响。自从电子设备尤其 是计算机的闯世以来，供电电源的扰动就逐步成为一个重要的问题。不间断电源的出现 为圆满地解决目前存在的供电质量问题提供了一种有效的途径。不间断电源( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ，简称u p s ) ，是一种稳频、稳压、纯净、不间断的高质量电源。它 接在电网与用电设备之间，可以有效的屏蔽电网的各种干扰、噪声和顺态变化，为用电 设备提供频率和电压稳定、干净、纯正的正弦波交流电源。目前，u p s 已经广泛用于银 行、证券、军事、医疗和航空航天等领域。目前广泛应用的各种不间断电源( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ，简称u p s ) 和应急电源( e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ，简称e p s ) 都属于逆变电源。逆变器是整个u p s 的核心部件，无论是市电供电还是电池供电，最后 都由逆变器向负载供电，所以u p s 的性能主要取决于逆变器的性能l l 1 】。 另一方面，随着全球对能源短缺问题的认识不断提高，以及人类环境保护意识的日 益增强，各种利用可再生能源( r e n e w a b l ee n e r g y ) 的发电设备获得了迅猛的发展。对 太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能和燃料电池等一大批洁净能源开发利用的研 究工作不断深入，它们无时无刻不在改变着2 l 世纪人们对能源的认识。与各种可再生 能源与洁净能源的发展相对应，过去的大型发电站与集中式大电网供电的概念不再适合 于各种灵活的新型发电系统。这些新型的发电系统可以根据不同的自然条件与社会需求 而安嚣在不同的场合，具有十分宽广的功率范围，以便适应不同的要求，它们构成了一 个分散的发电、供电系统1 1 “。 于是分布式发电系统( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m ，d g s ) 的概念得以提出。 它不再像过去那样，仅由大型的火电、水电或者核电公司集中供电，再联结成集中的大 电网系统；而是根据实际的情况，由容量不同的众多发电设备分散联结，进而构成分散 式的供电网络【1 3 】。它们可以接入集中供电网络，也可以构成独立的供电系统，以适应不 用的应用需要。将各种发电装置与电网实现可靠联结的电力电子设备就成为新型的分布 式发电系统的关键技术之一，而这些电能转换装置的核心部件同样是逆变器。 另外，随着逆变器在u p s 系统和机车牵引系统的应用，特别是在分布式发电系统 的应用，逆变器功率等级越来越高【l 4 j 。高功率密度又要求逆变器向高频化发展。在大功 率逆变器系统中，三相逆变器又占大部分。所以本课题通过中功率三相逆变器样机的 浙江大学硕士学位论文 研制，采用最新的硬件设计技术来探索和积累中功率三相逆变器系统设计技术，为以后 研究分布式系统中中功率三相逆变器并联和并网技术研究打基础。 损耗是高频磁性元件设计的重要依据【l 。在高频开关电源中，电感是不可缺少的 重要元件之一，电感上损耗的大小直接影响到整个开关电源的性能和效率。在低频时， 电感上的损耗主要是磁芯损耗，由于线圈直流电阻一般很小，线圈损耗一般可以忽略不 计。但是随着频率的增加，线圈损耗逐渐超过磁芯损耗，成为电感损耗的主要部分。对 于逆变器来说，电感的性能严重影响到l c 输出滤波器的性能。而l c 滤波器又影响到 输出波形的畸变程度以及系统的稳定性和动态响应特性。所以研究逆变器系统时，有必 要研究它普遍用到的l c 输出滤波器，研究l c 滤波器的电感以及电感的寄生电阻和线 圈损耗。 1 2 中功率逆变器主电路的发展1 5 1 普通三相逆变器又被称为两电平逆变器，如图1 所示，这种拓扑结构比较简单，为 了获得大功率只能依靠器件的串并联来实现。而串并联将会带来开关器件的静念均压、 动态均压、动态均流等。系列问题。技术上的不确定因素影响大，可靠性不高；且由丁输 出只有2 个电平，电压波动大，产生较大谐波。 图1 1 普通双电平逆变器 降压普通变频一升压电路两侧均需要大型变压器，体积大、成本高，变频部分一 般采用交一直一交结构，在输出频率较低的情况下，输出变压器的体积会很大，虽然控 制较为简单，但性能仍不理想。普通两电平逆变器直流侧电压通常由交流电整流获得， 存在直流环节，变频效率不高，主电路相对复杂。而交交直接变频电路省去中间直流环 节，装置体积小、重量轻，一次功率变换控制效率高。但是输出频率低。最高输出频率 一般为输入频率的1 3 - 1 2 ，而且控制复杂，通常仅用于低频场合。 日本长冈科技大学的a n a b a e 等人于1 9 8 0 年在i a s 年会上首次提出三电平逆变 器，又称中点钳位式( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆 浙江大学硕士学位论文 变器的研制开辟了一条新思路。后来三电平技术又发展到五电平，多电平逆变器。二极 管和电容钳位式由于均压问题，在无功调节中应用较好。串联型结构以其独特的拓扑形 式和显著的优点适用于变频调速，在交流传动领域应用前景乐观。但是总体来说在中功 率场合，普通的两电平逆变器结构还是具有结构简单、控制容易的优点，一般应用场合 还是两电平逆变器结构最多。 1 3 高压大容量功率器件的发展 最早的大功率器件是门极可关断晶闸管( g t o ) ，在当前各种自关断器件中，g t 0 容量最大、工作频率最 k ( 1 - 2 k h z ) 。g t o 是电流控制型器件，因而在关断时需要很 大的反向驱动电流，g t o 通态压降小、但d v d t 及d i d t 耐量低，需要复杂的吸收电路。 目前，g t o 虽然在低于2 0 0 0 v 的某些领域内已被i g b t 等所替代，但它在大功率电力 牵引中仍有明显优势，今后也必将在高压领域占有一席之地。 此后出现了大功率晶体管( g t r ) ，g t r 的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能 力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和u p s 内，g t r 正逐步被功率m o s f e t 和 i g b t 所代替。功率m o s f e t 是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控 制漏极电流的，因而它的显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电， 无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达1 0 0 k h z 以上，因而最适合应用于开关电 源等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。功率m o s f e t 的缺 点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。目前制造水平大概 是i k v 2 a 2 m h z 和6 0 v 2 0 0 2 m h z 。绝缘门极双极型晶体管( i g b t ) ，i g b t 的开关 速度低于功率m o s f e t ，却明显高于g t r ；i g b t 的通态压降同g t r 相近，但比功率 m o s f e t 低得多。i g b t 的电流、电压等级与g t r 接近，而比功率m o s f e t 高。i g b t 的发展方向是提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智 能产品f j 6 1 。 智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e s ) 是一种用于变频装置的模块，广泛 用于家用电器、工业控制等场合【1 7 1 8 l 9 1 。i p m 除了集成功率器件和驱动电路以外，还 集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至c p u ，以保证i p m 自身在任何情况下不受损坏。当前，i p m 中的功率器件一般由i g b t 充当。由于i p m 体积小、可靠性高、使用方便，故深受用户喜爱。目前国内的大部分家用变频空调器均 采用了i p m ，能根据环境温度自动调节电机的转速，以提高舒适度和降低能耗。 浙江大学硕士学位论文 1 4 三相逆变器开关调制技术的发展 逆变器开关调制技术一般有方波调制技术和s p w m 技术，对于三相逆变器系统来 说，还有空间矢量调制技术( s v m ) 。 1 4 1 空间矢量调制( s v m ) 技术1 1 1 0 l 空间矢量调制技术主要用在三相电机控制中。图1 2 所示为三相电压型逆变器的原 理电路图，它由6 个开关器件组成。逆变器输出的空间电压矢量为根据同一桥臂的上下 两个开关器件不能同时导通的原则，其三相桥臂开与关可以有8 种状态。在这8 种开关 模式中，有6 种开关模式输出电压，在三相电机中形成相应的6 个磁链矢量，另外2 种 开关模式不输出电压，不形成磁链矢量，称之为零矢量。各种状态形成的矢量在空间坐 标系中的位置关系如表1 2 所示。括号内的二进制数依相序a ，b ，c 表示开关的不同 状态，“l ”表示上桥臂功率器件导通，下桥臂器件关闭；“o ”表示的工作状态与此相反。 图1 2 三相逆变器主电路结构 表1 1 逆变桥开关组合及所对应的空间矢量 项目开关组合 导通开关 s 6 s is 2s is 2s 3s 2 s 4s 3s 4 s 4 s 5s 6s ，s 6s is ls js 5s 2s 4s 6 二进制编码1 0 01 1 00 1 00 1 10 1 11 0 11 1 l0 0 0 空间矢量 b l扔酝阮砺玩玢玩 浙江大学硕士学位论文 任意一个电压空间矢量的幅值和旋转角度都表示此刻输出p w m 波的基波幅值及频 率大小，它的相位则表示不同的脉冲开关时刻。因此，三相桥式逆变器的目标就是利用 这8 种基本矢量的时间组合，去近似模拟合成这样一个磁链圆。通常将一个圆周期6 等 份，并习惯地称之为扇区。每一扇区又可继续划分为任意的m 个小等份。当理想电压矢 量位于任一扇区之中时( 如图1 3 所示) ，就用该扇区的两个边界矢量和两个零矢量去合 成该矢量，例如：当理想电压矢量处于第一扇区时就由和两个非零矢量以及零矢量合成， 其他扇区依此类推。 在扇区i 内利用现和踢产生所需要的新的电压空间矢量，如图1 3 所示。由以和 踢的线性组合产生新电压空间矢量珥。设新空间矢量哳的作用电角度为彩t ，矢量明 的作用时间为c o t ，而不是石3 ，而且国z 缈正4 - 疋。于是在t 角度内，矢量协的 i +i ，l 有效长度为争u ij ，矢量以的有效长度为j 詈u ：i 。 、 u 2 , 哆飞 狐 扇区j j l 。 zju 7 ，u 趴 、彳 删l ? ? 扇区 ( ) 躯 v j7 u 5 、u o 图1 3 新电压空间矢量合成概念图 2 疗角度被空间矢量巩，巩，协，以，以，巩分解成六个扇区，每个扇区对 应的时间为7 r 1 3 。由于每个扇区都是类似的，分析一个扇区的情况可以推广到其他扇区。 扇区每一份的作用时间t s 对应p w m 调制中载波信号的周期，成为开关周期。实际 上开关周期t s 中合成的新电压空间矢量，由两个非零电压矢量和零矢量分时作用而构成 的序列，在时域中看作一段脉冲波形。在满足t s 中新电压空间矢量合成要求的前提下， 在一个开关周期t s 中非零矢量和零矢量组成的序列的构成顺序存在多个方法，于是就出 现了各种空间矢量调制( s v m ) 方法。 浙江大学硕士学位论文 1 4 2 正弦波脉宽调制( s p w m ) 1 1 , 1 1 1 s p w m 是提高逆变器输出电压质量的一种常见的方法。对于图1 2 所示的三相桥式 逆变电路，为了得到某一频率的三相正弦输出电压波形，可以用该频率的等相位差的正 弦波控制信号与一个频率较高的三角波相比得到各个开关管的控制信号。正弦波控制波 形与三角波载波波形如图1 4 所示。 匕= v md 州埘) 图1 4s p w m 调制波产生示意图 s p w m 又分为双极性输出和单极性输出。双极性s p w m 的输出电压是双极性的， 即在每个开关周期中有两种极性的电压输出。显然，两种极性的输出电压产生较大的开 关频率的谐波分量，而单极性输出单相桥式s p w m 逆变器能输出单极性电压，输出电 压的谐波大大减小。 几乎对于所有的负载，逆变电源输出电压中的谐波都是有害的，因此，为了满足负 载的需要，常常在逆变器的输出端设有滤波器以消除开关频率的谐波。但是，提高载波 频率是以提高开关频率为代价的。单极性输出的s p w m 逆变器可以在不提高开关频率 的前提下提高开关带的谐波频率( 即在每个开关周期中输出电压脉动两次。这样单极性 s p w m 可以使输出电压最低次谐波频率较高，谐波幅值较小。 1 4 3 s v m 和s p w m 的比较 s p w m 原理正弦p w m 的信号波为正弦波，就是正弦波等效成一系列等幅不等宽的 矩形脉冲波形，其脉冲宽度是由正弦波和三角波自然相交生成的。正弦波波形产生的方 法有很多种，但较典型的主要有：对称规则采样法、不对称规则采样法和平均对称规则采 样法三种。第一种方法由于生成的p w m 脉宽偏小，所以变频器的输出电压达不到直流 侧电压的倍；第二种方法在一个载波周期里要采样两次正弦波，显然输出电压高于前者， 但对于微处理器来说，增加了数据处理量当载波频率较高时，对微机的要求较高；第三种 方法应用最为广泛的，它兼顾了前两种方法的优点。s p w m 虽然可以得到三相正弦电压， 浙江大学硕士学位论文 但直流侧的电压利用率较低，最大是直流侧电压的倍，这是此方法的最大的缺点2 1 3 ，】1 4 1 。 s v p w m 的出发点与s p w m 不同，s p w m 调制是从三相交流电源出发，其着眼点 是如何生成一个可以调压调频的三相对称正弦电源。而s v p w m 是将逆变器和电动机看 成一个整体，用八个基本电压矢量合成期望的电压矢量，建立逆变器功率器件的开关状 态，并依据电机磁链和电压的关系，从而实现对电动机恒磁通变压变频调速。若忽略定 子电阻压降，当定子绕组施加理想的正弦电压时，由于电压空间矢量为等幅的旋转矢量， 故气隙磁通以恒定的角速度旋转，轨迹为圆形。 s v p w m 比s p w m 的电压利用率高1 5 ，这是两者最大的区别，但两者并不是孤 立的调制方式，典型的s v p w m 是一种在s p w m 的相调制波中加入了零序分量后进行 规则采样得到的结果，因此s v p w m 有对应s p w m 的形式。反之，一些性能优越的s p w m 方式也可以找到对应的s v p w m 算法，所以两者在谐波的大致方向上是一致的，只 不过s p w m 易于硬件电路实现，而s v p w m 更适合于数字化控制系统。 1 5 逆变器控制策略的发展 逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能。稳态性能主要是指输 出电压的稳态精度和提高不平衡负载的能力：动态性能主要是指输出电压的t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 和负载突变时的动态响应水平1 1 ”1 。在这些指标中输出电压t h d 要求比较高，对于三相逆变器，一般要求阻性负载满载时t h d 小于2 ，非线性负载 ( 整流性负载) 的t h d 小于5 这些指标的实现和逆变器采用何种控制策略密切相关。 逆变器控制策略主要用到过以下几种技术： 1 5 1 重复控制1 1 1 6 i 逆变器电源的控制技术从总体上可以分为两大类：基于周期的控制、基于瞬时值的 控制。基于周期的控制是通过对前一周期或多个周期的输出波形进行处理，利用所得的 结果对当前的控制进行校正的控制方法。从本质上看，基于周期的控制是通过对误差的 周期性补偿，实现稳态的无静差效果。 在数字控制系统中，一种典型的基于周期控制方法就是重复控制。重复控制的基本 思想来源于控制理论的内模原理，图1 5 为重复控制框图，虚框中为重复控制器，c ( z ) 为补偿器，g ( z ) 为控制对象模型。 浙江大学硕上学位论文 图1 5 重复控制方框图 在重复信号发生器的作用下，控制器进行着一种逐周期点对应式的积分控制，通过 对波形误差的逐点补偿，稳态时可实现无静差控制效果。与积分环节相类似，重复控制 信号发生器对误差进行累加。在重复控制中，补偿量是记忆的，所以它不像传统p i d 控 制那样是依靠当前误差状态进行控制，只要每个周期的扰动出现在固定位置，重复控制 就可以通过几个周期的调整算出合适的补偿量，能够将扰动量完全消除。重复控制对于 周期性扰动的负载具有很好的校正作用，但是对于非周期性扰动校正作用较差，并且在 周期扰动出现时，校正过程较长，动态性能比较差，这是重复控制的一个重要缺陷。在 实际应用中重复控制一般与其他控制策略相结合，以得到较好的输出波形和动态响应。 1 5 2 瞬时值内换反馈双环控制1 1 1 7 , 1 1 8 | 瞬时值内环反馈舣环控制框图如图1 6 所示，内环为瞬时值环，用来控制输出电压 波形的正弦度，从而减小输出电压波形的畸变率。外环采用平均值环控制，以保证波形 的幅值与参考值一致。 图1 6 瞬时值内环反馈双环控制框图 1 5 3 电流电压双闭环控制 电压电流双闭环控制最先用在直流调速系统中，采用转速，电流双闭环调速系统， 转速调节器对转速的扰动进行调节并使之稳态无误差，其输出的限幅值决定允许的最大 电流；电流调一”器实现电流跟随，过电流自动保护和及时抑制电压扰动这样的系统具 有很好的动静态性能。逆变系统中通过采样输出电感电流( 如图1 1 0 所示，c ( s ) ，c ，( s ) 分别为外环和内环控制器) 或电容电流和输出电容电压，将外环电压调节器的输出作为 浙江大学硕士学位论文 内环电流环的给定，通过调节电流使得输出电压跟踪参考电压值，提高系统的动态响应。 在设计上认为电流内环速度快于电压外环，在设计电压外环时，可将电流内环看成一个 比例环节，这样电压外环的设计可以大大简化。实践中，由于两个环的互相影响，参数 整定比较困难。 图1 7 电压电流双闭环控制 1 5 4p i d 调节器 捌 p i d 调节器是按误差信号的比例，积分和微分进行控制的调节器，是技术成熟，应 用最为广泛的一种调节器。其结构简单，参数易于调整，在长期的工业应用中已积累了 丰富的经验。在实际应用中，根据实际工作经验在线整定p i d 参数，往往可以取得较为 满意的控制效果。逆变器的p i d 控制框图如图1 8 所示。 图1 8p i d 控制框图 框图中g ( s ) 为被控对象，在逆变器中即为s p w m 脉冲发生器、逆变桥及输出l c 滤波器。c ( s ) 为经典的p i d 控制器，其传递函数如下： c ( 驴罴“，+ 等+ i q 心( 1 - 1 ) k ，k ，髟分别为比例、积分，微分系数。其中增大k 。可以加快系统响应时间， 减小系统稳态误差，提高控制精度，但也会使系统相对稳定性降低，甚至造成系统不稳 定；积分的作用可以消除或减小控制系统的稳态误差，但积分也有可能使系统的响应变 慢，并可能使系统不稳定。减小积分作用有利于增加系统的稳定性，减小超调量，但 系统静态误差的消除会随之变慢。微分的加入可以在误差出现或变化瞬问，按偏差变化 的趋向进行控制，得到一个早期修正的作用，有利于增加系统的稳定性，加速系统的动 态响应。但微分作用也可以放大系统的噪声，降低系统抗干扰能力。 浙江大学硕士学位论文 但是现在逆变器控制一般采用d s p 控制， 行p i d 控制。把式( 1 1 ) 写成时域方程有 ，( t ) = k e e 蝎卜( r 冲竭警0 需要把p i d 控制器进行离散化，才能进 ( 1 - 2 ) 对上式进行离散化，采用矩形化进行数值积分，即以求和代替积分，分别得到第k 。1 次和第k 次采样时刻调节器输出 “( t ) = k ，p ( 七) + k ，p ( 甩) t + 髟 e ( k ) - e ( k 一1 ) 】 n ；0 一l u ( k - 1 ) = k ，e ( k - 1 ) + k ，e ( 疗) t + 髟k ( 七一1 ) 一p ( 七一2 ) 】 式中，t s 为调节器的采样周期。 酬的= “动一“七一1 ) = k k 幼一e ( k 1 ) 】+ k 巧d ) + 蟛k t ) 一2 e ( k 一1 ) + “一2 ) 1 也可以写成 u ( k ) = u ( k 一1 ) + ( k p + k 。t + k d ) e ( 七) 一( k p + 2 k d ) p ( 膏一1 ) + k d e ( k 一2 ) ( 1 - 3 ) 上面各式中，各符号意义如下： “( 七) ：p i d 调节器的第k 次输出值： u ( k 一1 ) ：p i d 调节器的第k 1 次输出值； e ( 七) ：第k 次采样时，给定量和反馈量之间的差值； e ( k 一1 ) ：第k 一1 次采样时，给定量和反馈量之间的差值； e ( k 一2 ) ：第k 2 次采样时，给定量和反馈量之间的差值； 1 6 电感损耗分析i l 2 5 i 电感损耗主要分为两部分：磁芯损耗和线圈损耗。铁磁物质在交流磁化过程中，因 消耗能量发热，磁材料损耗即磁芯损耗功率( p ) 由磁滞损耗( p h ) 、涡流损耗( p c ) 和 剩余损耗( p c ) 组成。线圈损耗只要是指流过电流的线圈处在自身磁场或者其他线圈产 生的磁场中产生涡流从而产生的涡流损耗。 浙江大学硕士学位论文 1 6 1 磁芯损耗 当磁芯进行磁化时，送到磁场的能量包含两部分：一部分转化为势能，当去掉磁化 电流时，磁场能量可以返回电路；而另外一部分能量变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉。 这部分因发热而消耗掉的能量就是磁滞损耗。当电感线圈中流过激励电流时，磁势产生 全部磁通。在磁芯中流过，产生感应电动势。因为磁芯材料的电阻率不可能无限大，绕 着磁芯周边有一定的电阻值，感应电压产生电流i c 一涡流流过这个电阻，引起i c 2 r 损耗， 这就是涡流损耗。剩余损耗是由于磁化驰豫效应或滞后效应引起的损耗。所谓驰豫是指 在磁化过程或反磁化的过程中，磁化状态并不是随磁化强度变化而立即变化到它的最终 状态，而是需要一个过程，这个时问效应便是引起剩余损耗的原因。 1 6 2 磁芯损耗计算 在低频时，磁芯损耗主要是由于磁滞损耗引起的。但是在2 0 0 3 0 0 k h z ，涡流损耗 和剩余损耗远远超过了磁滞损耗。磁芯损耗可以由式4 1 来估算 b = 矿4 群v( 1 3 ) 式中r i 一损耗系数；卜工作频率；b 。一磁芯幅值磁感应强度；v 体积；a 和 1 3 分别为大于1 的频率和磁感应损耗系数。其中r l ，a 和b 的值可以在磁芯厂家的技术 手册上查到。 1 6 3 电感寄生电阻 电感寄生电阻在本质上来源于电感上的损耗。电感损耗主要分为两部分：电感磁芯 损耗和电感线圈损耗。低频时，电感损耗主要是磁芯损耗；随着流过电感电流频率的增 加，电感的线圈损耗开始占主要部分，特别是当电感的气隙比较大时。而线圈损耗已经 不是直接由线圈的直流电阻算出来的损耗，而是大于这个值，当频率高到几百k h z 时， 线圈损耗要远大于线圈直流电阻产生的损耗。把这部分远大于直流电阻引起的损耗定义 为交流电阻产生的损耗l l ”j 。 在电感气隙可以忽略的时候，电感线圈的交流电阻主要是由高频下导线的集肤效 应、邻近效应及可能存在的气隙效应引起的。集肤效应主要是对单根导线来说的。当导 线中流过高频电流时，高频电流在导线中会产生涡流，产生的涡流在导线中心和原电流 相消，而在导线表面的部分和原电流相加。这样，主电流和涡流之和在导线表面加强， 越向导线中心越弱，电流趋向导体表面。这就是集肤效应。研究表明，导线中电流密度 从导线表面到中心按指数规律下降。导线的有效截面减少而电阻加大，损耗加大。为便 于计算和比较，工程上定义从表面到电流密度下降到表面电流密度的o 3 6 8 ( 即l e ) 的 浙江大学硕士学位论文 厚度为趋肤深度或穿透深度a ，即认为表面下深度为的厚度导体流过导线的全部电 流，而在层以外的导体完全不流过电流。与频率f 和导线物理性能的关系为： = 高 式中p 为导线材料的磁导率：7 为材料的导电率；k 为电导率的温度系数。 邻近效应是指当回流导体靠近时，两导体之间，磁场方向相同而加强；而导线之外 侧，磁场相反而抵消，磁场很弱，或者为零。这样使得电流在相邻内侧表面流通，磁场 集中在两导线间，导线外侧，既没有电流，也没有磁场，能量主要存储在导线之间。邻 近效应同样使得导线的有效截面面积减少，增大了线圈损耗。 当电感气隙比较大时，电感线圈损耗除了由集肤效应和邻近效应产生的损耗外，还 有一部分由于气隙效应产生的损耗。气隙效应则是指当电感开比较大的气隙时，气隙附 近的磁力线会发生弯曲，这些发生弯曲的磁力线会跟气隙附近的导线正交在导线中产生 额外的涡流，增加了线圈的损耗。这部分损耗也被称作为气隙损耗 1 2 3 j 2 4 】。 1 7 本文研究内容及研究成果 本文的主要研究目标是研发3 0 k v a 三相半桥逆变器样机进行模块化设计和对变流 器中不可缺少的电感的线圈损耗的研究，为以后从物理上优化逆变器l c 滤波器电感打 下基础。本文在第二章中详细讨论了3 0 k v a 实验样机系统的设计，介绍了设计和实现 过程；在第三章中讨论了逆变器双环控制策略和控制参数的设计以及l c 滤波器参数设 计；并给出了仿真结果和实验结果。 本文研究成果主要包括以下几个方面： a ) 建立了一台3 0 k v a 实验样机，对它进行了必要的散热设计和结构设计并进行了 细致的调试。 b ) 介绍了设计过程中的器件、材料选择；驱动保护电路原理和设计；层 叠式直流母线的设计方法和优点；计算机辅助的三维结构设计；驱动 保护电路设计：辅助电源电路和基于d s p 和c p l d 的数字控制平台。 c ) 研究了电感线圈损耗产生的来源，并且针对不同类型的电感线圈分别用一维计 算和两维仿真的方法对它的线圈损耗和交流电阻进行了分析计算和研究，最后做实 验验证了这些方法的有效性。 浙江大学硕士学位论文 参考文献 1 1 吴红缨，u p s 高频化技术及其系统的研究，浙江大学博士学位论文，1 9 9 8 年 【1 2 1m o h a m m a dn m a r w a l i ，j i n - w o oj u n e , a l lk e y h a n i ， c o n t r o lo f d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m s - p a r t i i ：l o a ds h a r i n g c o n t r o l ”，i e e e t r a n s o n p o w e r e l e c t r o n i c s ，v 0 1 1 9 ，n o 6 ，n o v 2 0 0 4 i 3 jk a r t h i e kt h y a g a r a j a n ，a s a dd a v a r i ，a l lf e l i a e h i 。 l o a ds h a d n gc o n t r o li nd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n s y s t e m ”，s s s t 0 5 ，p a g e ：4 2 4 - 4 2 8 ，m a r 2 0 0 5 1 4 郑琼林，郝荣泰，机车用5 0 k v ai g b t 逆变器的电磁兼容设计，中国电机工程学报，v 0 1 2 0n o ，5 m a y2 0 0 1 5 】李永东，倚鹏，大功率高性能逆变器技术发展综述，电气传动，2 0 0 0 ，( 6 ) ：3 8 ， 1 6 杜磊，5 0 k v a z 极管箝位三电平逆变器模块研究，浙江大学硕士论文，2 0 0 6 ，5 1 7 黄挚雄，李志勇，危韧勇，智能功率模块i g b t - i p m 及其应用，电气传动自动化，2 0 0 2v 0 1 2 4n o ，2 1 8 徐维广，邹江峰。智能功率模块i g b t - i p m 在逆变器中的应用，电气应用，2 0 0 5v 0 1 2 4n o 4 1 9 李树良，张杰，尹放，新一代智能功率模块( i p m ) 基本原理及其控制i c 原理分析，微处理机， 2 0 0 1n o 0 2 1 1 0 徐德鸿主编，电力电子系统建模及控制，浙江大学出版社，2 0 0 6 1 1 1 1 林渭勋主编，现代电力电子电路，浙江大学出版社，2 0 0 2 7 1 1 2 余艳，孙云莲陈忠仁，基于d s p 变频调速系统的对称电压空间矢量控制，低压电器，2 0 0 4 n o 1 1 1 1 3 石红芹，曾辉，吕方亮，改进的s p v f f l 等面积算法在u p f c 中的应用研究，微计算机信息，2 0 0 6 v 0 1 2 2n o 2 2 1 1 4 需凡军，李正熙，基于d s p 的种不对称规则s p 删采样算法电机技术，2 0 0 6n o 2 【1 1 5 】m o r i y a m a a ，a n d oi ，t a k a h a s h ii ，“s i n u s o i d a lv o l t a g ec o n t r o lo f as i n g l ep h a s eu n i n t e r r u p t i b l e p o w e rs u p p l y b ya h i g h g a i n p lc i r c u i t ，i n d u s t r i a l v o l u m e l , 3 1 a u g - 4s e p t 1 9 9 8 p a g e ( s ) ：5 7 4 5 7 9 v 0 1 1 f 】1 6 ly i n g - y ut z o u ，s h i h l i a n gj u n g ，h s i n - c h u n gy e h ， a d a p t i v er e p e t i t i v ec o n t r o lo f p w m i n v e r t e r s f o rv e r yl o wt h da c - v o l t a g er e g u l m i o nw i t hu n k n o w l al o a d s , p o w e re l e c t r o n i c s , i e e et r a n s a c t i o n so n v o l u m e1 4 ，i s s u e5 ，s e p t 1 9 9 9p a g e ( s ) ：9 7 3 9 8 1 1 1 7 j 一h oc h o i ，b y o u n g - j i nk i m 。“i m p r o v e dd i g i t a lc o n t r o ls c h e m eo f t h r e ep h a s eu p si n v e r t e ru s i n g d o u b l ec o n t r o ls t r a t e g y a p p l i e d p o w e r e l e c t r o n i c sc o n f e r e n c ea n d e x p o s i t i o n , 1 9 9 za p e c9 7 c o n f e r e n c e p r o c e e d i n g s1 9 9 z ，t w e l f t h a n n u a l v o l u m e2 , 2 3 - 2 7f e b 1 9 9 7p a g e ( s ) ：8 2 0 8 2 4v 0 1 2 1 1 8 a b d e l r a h i mn m ，q u a i c o ej - e ， a n a l y s i sa n dd e s i g no f am u l t i p l ef e e d b a c kl o o pc o n t r o l s t r a t e g yf o rs i n g l e - 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