（电力电子与电力传动专业论文）单元串联多电平pwm电压源型高压变频器的仿真研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 输出电压、电流的谐波和电动机转矩脉动都锻小。依据本文t 矗真研究得出的缩论， 在实际开发这种交颓器的遭程中，就可以对交颓器酾控刹方式、载波频率以及输 入变压器的备项参数进行合理的设计和选择，能够完成通过实验手段很难达到的 效果，充分魂满跫单元率联多电平p w m 电奔i 源鍪变颓器酶各颈优越静靛的要求， 呵以大大地缩短变频器的开发周期、降低系统的开发成本。 关键词：单元串联仿真 s i m u l i n k谐波多电平 i i i 。 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho fu n i tc a s c a d em u l t i 1 e v e r p w m v o l t a g e s o u r c e h i g h v o l t a g e c o n v e i t e r a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r sv a r i a b l es p e e dd r i v e si nh i g hv o l t a g er a n g ea r ew i d e l ye m p l o y e di n t h ei n d u s t r yf o ra p p l i c a t i o n ss u c ha si nw a t e rt r e a t m e n tp l a n t s o i la n dn a t u r a lg a s i n d u s t r y ，p a p e ri n d u s t r y ，c o o la s w e l la sh o tr o l l i n gm i l le t c t h eu n i tc a s c a d em u l t i l e v e l c o n v e r t e r sh a v ed r a w nt r e m e n d o u si n t e r e s tr e c e n t l yi nv a r i a b l es p e e dd r i v ea p p l i c a t i o n s d u et ot h e i r a d v a n t a g er e g a r d i n gh a r m o n i c s , p o w e rf a c t o r , t o r q u ep u l s a t i o n ，a n d c o m m o nm o d ev o l t a g e a sar e s u l t ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os p e e du pr e s e a r c h i n ga n d d e v e l o p i n g t h eu n i tc a s c a d eh i g hv o l t a g ec o n v e r t e ra sw e l la sp r o m p t i n gt h ea p p l i c a t i o n i nc h i n a t h e p a p e r i n t r o d u c e si nd e t a i lt h ec o n s t r u c t i o n ，w o r kp r i n c i p l e , c o n t r o ls t r a t e g ya n d d e s i g nt h o u g h to f t h e u n i tc a s c a d eh i g hv o l t a g ec o n v e r t e r o nt h eb a s eo f i t ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e das i m u l a t i o ns y s t e mm o d e lo fu n i tc a s c a d eh i g hv o l t a g ec o n v e r t e rw i t h 、r 、下c o n t r 0 1 w h i c hh a sb e e ne s t a b l i s h e db yu s i n gt h ef u n c t i o nb l o c k si n s i m u l i n k ， u s i n gt h em a t l a bs o f t w a r ew i t ht h es t r o n gm a t h e m a t i c a la n a l y t i c a ls k i l l ，p a r t i c u l a r l y ， u s i n gt h es i m u l i n kt o o lb o xi n c l u d e di nm a t l a b ，w ec a n f i n i s ht h es i m u l a t i o nr e s e a r c h a n da n a l y z ef o ru n i tc a s c a d eh i g hv o l t a g ec o n v e r t e rb yt h ew a yo f t h ed i a g r a mi nt h e i n t e g r a t e de n v i r o n m e n t ，w h i c h c a np r o v i d et h et e c h n i c a ls u p p o r ta n dt h eb a s i so ft h e o r y f o rd e v e l o p i n gt h es a m p l ea n d p r o m p t i n g t h e a p p l i c a t i o n ， t h ep a r a m e t e r d e s i g n o ff i l t e r i n g c a p a c i t o r s i n p o w e ru n i t o fu n i tc a s c a d e m u l t i - l e v e lh i g hv o l t a g ec o n v e r t e rh a sb e e nc o m p l e t e d ，a n dt h ea f f e c tp r o d u c e db y f i l t e r i n g c a p a c i t o r s o nc o n v e r t e rh a sb e e ns t u d i e dt o o t h ec a l c u l a t i o nm e t h o df o r f i l t e r i n gc a p a c i t o r h a sb e e ni n t r o d u c e d ，a n dt h ef i l t e r i n gf u n c t i o no ff i l t e r i n gc a p a c i t o r h a sb e e na n a l y z e do nt h eb a s eo f s i m u l a t i o nw a v e f o r mw i t c hw a sp r o d u c e dr e s p e c t i v e l y b vt h es i m u l a t i o no f t h es i n g l ep o w e r u n i ta n dt h ew h o l ec o n v e r t e r i ti sv e r i f i e dt h a tt h e v a l u eo ff i l t e r i n gc a p a c i t o r si ss e l e c t e da p p r o p r i a t e l yc a nl e a dt on o to n l yp r o v i d i n g t h e m o f es m 。o t hd i r e c tv o l t a g es o u r c et h a nt h eo t h e r s ，b u ta l s op r o v i d i n g w a t t l e s sp o w e r i v 。 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t c u r r e n tw h i c hi sn e e d e d b yl o a d a n dt h ec a p a c i t o r sh a v et h eb u f f e rf u n c t i o nt ow a t t l e s s p o w e r c u r r e n tb e c a u s eo f t h e l a g g i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h ec o n v e n e rl o a do nt h eb a s eo f t h ec a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o ni nt h ep a p e r ，t h ev a l u eo ff i l t e r i n gc a p a c i t o r si sah a l fo f t h ev a l u eo ff i l t e r i n gc a p a c i t o r si nt h ep r o d u c tp r o d u c e db yr o b i c o nc ow i t ht h e s a m em o d e l ，b u tt h ev a r i o u sc h a r a c t e ro fc o n v e n e rc a nm e e tt h es a m ed e m a n da st h e s y s t e mp r o d u c e db yr o b i c o n o n l yb yr e d u c i n gt h en u m b e ro ff i l t e r i n gc a p a c i t o r s ， t h ep r o d u c i n gc o s to ft h ec o n v e n e rc a nb es a v e d2 5t h o u s a n dy u a nr m b ，m e a n w h i l e ， t h em a g n i t u d ea n dt h er e p a i r i n gc o s to f t h es y s t e ma r eg r e a t l yd e c r e a s e d t o o m a k i n gu s e o ft h es i m u l a t i o nm o d e lo f6 k vh i g hv o l t a g ec o n v e n e r ，w eh a s p r o c e e d e dt h es i m u l a t i o no fs t a r tp r o c e s s a n ds t e a d yr u n n i n gf o r6 k vh i g hv o l t a g e c o n v e n e rd r i v i n gm o t o rl o a d ，a n dh a v ed o n et h er e s e a r c h a n da n a l y s i so ns t e a d y c h a r a c t e r ，d y n a m i cc h a r a c t e ro f u n i tc a s c a d e m u l t i l e v e lh i g hv o l t a g ec o n v e n e rr u r m m g ， c o n v e r t e r so u t p u tv o l t a g e 、c u r r e n ta n dt o r q u ep u l s a t i o n b yt h ea n a l y s i s t os i m u l a t i o nw a v e f o r m w ec a nc o n c l u d et h a tu n i tc a s c a d e m u l t i l e v e rp w m v o l t a g e s o u r c ec o n v e n e rc a no u t p u tv e r yh i g he q u i v a l e n ts w i t c h f r e q u e n c ya t6 0 0 0 h zb yu s i n g v v v fc o n t r o la n dt h el o w e rc a r r i e rf r e q u e n c ya t6 0 0 h z ， w i t c hc a nr e s u l tt h a tt h e o u t p u t h a r m o n i c sa r ec o n c e n t r a t e di nt h er a n g eo fa b o u t 6 0 0 0 h z u s i n gt h ef e a t u r et h a tt h em o t o rh a sv e r yh i g hi n d u c t a n c et oh a r m o n i c sw i t h v e r yh i g hf r e q u e n c y ，t h ec o n v e n e rc a nk e e pt h eh a r m o n i c so fo u t p u tv o l t a g ea n d c u r r e n t 、t o r q u ep u l s a t i o no f m o t o r v e r ys m a l lw i t h i nt h ev e r yw i d es c o p eo fc h a n g i n g v e l o c i t yb e c a u s e o fi t ss p e c i a lc o n s t r u c t i o no nt h eb a s eo ft h ec o n c l u s i o nc o n c l u d e d b y t h es i m u l a t i o n ，w h e nd e v e l o p i n gt h ec o n v e n e r , w ec a n r e a s o n a b l ys e l e c tt h ec o n t r o lw a y a n dc a r r i e rf r e q u e n c yo f i t , d e s i g nt h ep a r a m e t e r so f t h ei n p u tt r a n s f o r m e r ，w i t c hc a n r e a c ht h ee f f e c t st h a tc a nn o tb eo b t a i n e d b yt h ee x p e r i m e n t s ，a d e q u a t e l ym e e tt h e v a r i o u sr e q u i r e m e n t so ft h eu n i tc a s c a d em u l t i l e v e rp w m v o l t a g es o u r c ec o n v e n e r t h i sc a n g r e a t l ys h o r t e nt h ed e v e l o p i n gc y c l e ，c u td o w n t h ed e v e l o p i n gc o s t k e yw o r d ：u n i tc a s c a d e s i m u l a t i o ns i m u l i n kh a r m o n i cm u l t i l e v e l v 东北大学硕士学位论文 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：去支水 日期：h 阳牛2 ，z 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变 频调速技术也得到了j “泛的应j | j 。目前，大功率高压变频器的使用范围基本上覆 盖了找国各主要行业，如：电力、市政供水、冶金、石油、化工、采矿、煤炭、 造纸、建材等。产品电压等级包括3 k v 、6 k v 和1 0 k v 以及油田专用潜油电泵使用 的1 ，6 0 0 v - 2 ，4 0 0 v 产品，基本可拖动风机、水泵、压缩机等各类负载。据统计，我 国发电总量的6 6 消耗在电动机j _ 二，而各类风机、水泵、空压机这些装置又占去 ，电机耗电的一半以上，尽管低压电机( 6 9 0 vv a t ) 的数量是高压的几十倍，但所消 耗的电能仅为高压的八分之一一左右。高压电动机利用高压变频器可以实现无级调 速，既可满足生产一 艺过程对电动机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量， 又可大幅度的节约能源，降低生产成本。从目前高压变频器的一般使用情况来看， 平均节电可达3 0 ，因而，无沦是在新建项目中，还是在技改项目中，高压变频 系统的投入和使用，是非常有效的节能手段。t 5 1 1 6 1 1 9 1 除了以上从节能的角度看其经济效益之外，变频装置的使用，改善了功率因 数，避免了直接起动造成对电机损坏和对电网的冲击事故，直流改为交流，减少 了停产维修时间，装置的智能化优化了生产工艺，提高了产品质量，也带来了十 分可观的直接经济效益，在某些场合大于节电本身带来的效益。 钊对大、中型厂矿中实际落后的风机、泵类、压缩机等大中型电机驱动系统， 及目前在国内大功率i g b t ( i g c t ) 变频器生产能力很低的情况下，开发大功率高 频高压变频器，其意义在于：具有良好的节能效果，有巨大的市场容量，有广阔 的产业化前景和巨大的经济效益；同时，开发大功率变频器涉及到的d s p 控制， 嵌入式软件，现场总线，电力电子等技术，对产业化发展和机器人工业以及数控 机床工业等都具有极强的辐射和关联效应【2 1 n 高压变频器作为一个节约资源型的产品，结合了传统的电力技术、传动技术、 光机电一体化技术和现代的通信互联网技术、绿色节能环保技术，在二十一世纪 必将更加符合人类对生产和环保的要求，随着电力电子技术的不断发展，产品的 不断改进，概念的深入，市场的拓展，将会显示出巨大的技术发展前景和市场需 二杞最。 东北尢学硕士学位论文第一章绪论 1 2 高压变频器和p q v l 技术的研究现状 目前在国内外商压变频器市场，高压变频器种类有很多。根据高压组成方式， 可分直接高压型和高低一高型；根据有无中间直流环节，可分为交一交变频器和交 直一交变频器。在交直交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分电压源型 ( 也称电压型) 和电流源型( 也称电流型) 1 1 1 。 1 2 1 传统的高压变频器逆变电路 ( 1 ) 普通三相逆变器 如图1 l 所示，这种拓扑结构比较简单，通常也称为双电平逆变器，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态均压、 动态均压、均流等一系列问题。技术上的不确定因素影响大，可靠性不高；且由 于输出只有两个电平，电压波动大，产生较大谐波。 图1 1 普通双电平逆变器 f i 9 1 1g e n e r a lt w o - l e v e l g o n v g r t e r ( 2 ) 高低高型变频器 高一低一高型变频器采用变压器实行输入降压，输出升压的方式，其实质上还是 低压变频器，只4 i 过从电网和电动机两端来看是高压的，是受到功率器件电压等 级技术条件的限制而采用的变通方法，需要输入、输出变压器，存在中间低压环 节电流大、效率低下、可靠性下降、占地面积大等缺点，只用于一些小容量高压 电动机的简单调速。1 1 0 目前，高压电动机的变频调速方案基本上不再采用低压变 频器和输入输出变压器组成的“高一氏一高”方案，而是采用无输出变压器的“高，高” 方案，直接用高压变频器拖动高压电机。 ( 3 ) 交一交变频电路 普通双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 效率不商，主电路相对复杂。而交一交直接变频电路省去中间直流环节，装置体积 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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 t 2 ，而且控制复杂，通常仅用于低频场合。 ( 4 ) 电流源型变频器 电流源型变频器( c s i ) 采用大电感作为中间直流滤波环节。整流电路一般采用 晶闸管作为功率器件，少数也有采用g t o 的( 可关断品闸管) ，主要目的是采取电 流l w m 控制，以改善电流输入波形。逆变部分一般采用晶闸管或g t 0 作为功率器 件。由于存在着大的平波电抗器和快速电流调节器，所以过电流保护比较容易。 当逆变侧出现短路等故障时，由于电抗器存在，电流不会突变，而电流调节器则 会迅速响应，使整流电路晶闸管的出发延迟角迅速后移，电流能控制在安全范围 内。为了对接地短路也实现保护，通常把滤波电抗器分成两半，上下直流母线各 串一半。这种变频器的优点是能量可以回馈电网，系统可以四象限运行。虽然直 流环节电流的方向不能改变，但整流电压可以反向( 当整流电路工作在有源逆变状 态时) ，能量可以回馈到电网。电流源型变频器输入功率因数一般较低，且会随着 转速的下降而降低，通常要附加功率因数补偿装置。另外它还会产生较大的共模 电压，当没有输入变压器时共模电压会施加到电动机定子绕组中心点和地之间， 影响电动机绝缘；输出电流谐波较高，会引起电动机的额外发热和转矩脉动。由 于输入功率因数较低，导致无功电流较大，系统功率会随着负载的降低而降低。 电流源型变频器种类较多，主要有串联二极管式、输出滤波器换相式、负载换相 式和g t 0 一p w m 式等。其中前三种电流源型变频器的逆变功率器件都采用晶闸管， 输出1 2 0 0 导通方式。g t o - p w m 式电流源型变频器采用g t o 作为功率器件，逆变器一 般采用电流p w m 控制方式。在控制系统上，电流源型变频器在般应用时采用电 压一频率协调控制。电流源型变频器的输出电压是由输出电流及负载决定的，所以 为了实现电压一频率的协调控制，必须设置电压环，以实现输出电压的闭环控制。 高性能时，通常采取磁场定向矢量控制，采用常见的转速、电流双闭环，通过速 度和磁通闭环调节器分别得到定子电流的转矩分量和励磁分量，经过极坐标变换， 得到定了电流幅值和负载角，定子电流的幅值作为电流环的给定值，控制晶闸管 整流电路实现定子电流的闭环控制，负载角和同步旋转坐标系的位置角叠加在一 起，用于逆变侧品闸管的触发脉冲分配。 1 2 2 新型多电平电压源型逆变器 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 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 变器，又称巾点钳位式( n e u t r a l p 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 源型逆变器的研制开辟了条新思路。它的一般结构是由几个电平台阶合成阶梯 波以逼近正弦波输出电压。这种变换器由于输出电压电平数的增加，使得输出波 形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压虑力较小，无需均压电路， 开关损耗小，d u d t 较小，对电机绝缘十分有利。 在此基础卜 ，经过多年的研究，发展卅3 种主要的拓扑结构： 1 ) 二极管钳位式( d i o d e c l a m p e d ) ； 2 ) 电容钳位式( f 1 y i n g c a p a c i t o r s ) ； 3 ) 单元串联多电平p _ | v m 电压源型； 这3 种结构与普通双电平逆变器相比具有以下优点：更适台大容量、高压的场 合；可产生m 层阶梯形输出电压，理论上提高电平数可接近纯正弦波形、谐波含 量很小；电磁干扰( e m ) f - i 题大大减轻，因为开关元件一次动作的d u d t 通常只有 传统双电平的1 ( m 1 ) ；效率高。消除同样谐波，双电平采用p w m 控制法开关频 率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作，开关频率低、损耗 小，效率提高 4 1 。除上述共同特点外，3 种拓扑结构各有优缺点，比较如下： ( 1 ) 二极管钳位的多电平逆变器 | c 鲁耐 s ： 1 卜k z i 铀啼_ c jk i 仉，1 与蛊- 泽譬 0 挝 i 5 “2 王 国1 2 二极管钳位三电平逆变器主电路结构图 f i 9 12s t r u c t u r eo f m a m c f f c u i tw i t hd i o d e - e l a m r k x t t h r e e 1 e v e lc ：o l r l v e r t e f 图1 2 所示是一个单相的二极管钳位三电平逆变器主电路结构图，其中，v d a 、 v d a 、v d b 、v d b 为钳位二极管，分压电容c l - c 2 ，故v c l = v c 2 = e ，2 ，v t a l 、v t a l 和v t b 】、v t b l 等互补。 采用一定的开关控制策略对开关管进行控制，在负载端可得到预期的电压、 频率可调的高压交流电，如图1 2 所示。增加分压电容、钳位二极管、功率开关管 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 可以得到多电平变换电路。若要得到m 电平，则需要( m 1 ) 个直流分压电容，每一 桥臂需要2 ( m 一1 ) 个主开关器件和( m 1 ) ( m 一2 ) 个钳位二极管。在需要网象限可逆运 行的场合，可将两组相同的多电平变换器按照“背靠背”的方式进行连接。二极 管多电平变换器的优点是：便于双向功率流控制；功率凼数控制方便。缺点是： 电容均压较为复杂和困难，均压措施导致主电路或控制过程复杂。在二极管钳位 的多电平结构中，三电平交换器的电容电压具有自动平衡的能力，是一种非常优 异的电路结构，a b b 等公司生产的该种拓扑结构的高压变额器，已经在中国的生 产现场运行。 ( 2 ) 电容钳位的多电平逆变器 图13 所示为单相的飞跨电容三电平变换器的拓扑结构图。可以看出，直流侧 电容不变，钳位二极管被钳位电容所代替，工作原理与二极管钳位电路相似，但 在电压合成方面，开关状态的选择比后者具有更大的灵活性。 通过对比，不难看出，这种拓扑结构虽省去了嵌位的二：极管，但又引入彳i 少 电容。对高压大容量系统而言，电容体积庞大、占地多、成本高、封装不易。然 而电容的引进使电压合成的选择增多，通过在同一电平上进行合适的不同开关状 态的组合，可使电容电压保持均衡，可较好地应用于有功调节和变频调速系统， 但控制方法非常复杂，而且开关频率将增高，开关损耗加大，效率随之降低，迄 今为止，该种电路结构尚未达到实用化程度。 曙c , t k 丰b 一z s e 。b 密i 。扣咯! 、 瓜 i 。b z f h ，烹要是 考虑变频器的控制方式u 腰= c o n s t a n t 。接着一一介绍单个功率单元、一相和三相不 带邀碗撬豹镑爽模鍪及其镓冀结果，结莱表爨该交鬟器辕密鹣线毫藤波形鑫2 l 令 电平组成，接近正弦波，且电压谐波含量非常低，可以很好的解决其它类型高压 变赣器普遍存在戆谐渡运瑟，麓谨了浚邂释输灭滤波器秘设诗，甚至霹鏊誊貉赣 出滤波器。 3 9 东北是学硕士学位论丈 第四章功率单元滤波环节的参数诗萁 第四章功率单元滤波环节的参数计算 攀元串联多毫乎变频器是采零萋予令 囊压囊率肇元事联懿方式寒实魂麓压瓣 出，对j ：6 k v 输出锻压等级的变频器来说，爱实现6 k v 高压输出，6 k v 变频器 戆每掇麦5 令额定瞧愿为6 9 0 v 翳功零擎元率联纛戏，三摺簸爨裁翥要1 5 令功率 单元。而每个功率单元的中间回路都需要滤波电容，这样来，变频器就需要大 量弱滤波瞧容。鼓罗宾藤公司生产泌攀元串联多毫平变频器为铡，5 0 0 k w 懿褒压 变频器每个功率单元滤波电容的值约为6 2 0 c l 胛采用3 串4 并结构，每个功率单 元藏鬻要1 2 个4 7 0 0 月t f 4 0 0 v 瓣滤波魄容，螫令交频嚣裁雾要1 8 0 个壤容，这在整 个变频器的生产成本中占有很大的比重。这不仅仅怒增大了系统的成本和体积， 露置，鑫予惑容谴惩寿念戆簌鑫，蔫要定袭趸接，纛培大7 夔令系绞魏维掺燕窝 维修成本。 溺踅，袁该类交颧器熬开发裒生产当中，是了辫低癜本，对滤波整容茨计算 和选择就成为一个非常关键的问题，在满足系统要求的前提下，合理的设计、选 择毫餐，聪熬个系绞泌各矮瞧裴据拣露戏搴熬控毒l 蛰其毒十分重要熬懑义。 4 。l 滤波电容c 的计算 功率单元的中间网路的电容滤波环节，设置的目的是为滤平脉动的整流电压， 为电鹾型逆褒器提檄个较为平滑的直流电压源。虢夕 ，由于逆交器受载酶滞后 特性，负载所需要的无功电流需要中间回路提供，因此逆交器也起到缓冲无功电 流的作瘸。这样，设计滤波电路对，盛须扶平滑整流铡输出毫压和尽量减少负载 电流变化引媳的电压波动出发来选择电容c 的参数。 滤波电容c 的计算依据是在直流电流脉动最严熏豹情况下，保持电压辣动在 容许的范围内。由于功率单元的负载电流和逆变器棚负载电流相同，均为正弦电 流，剐直流阐路的脉动电流也是有规律的，脉动静形状取决子负载功率因数c o s o 和负载电流的大小”1 。并且蠢流侧这一脉动直流电流引起的电压波动幅值au 是 功率因数私负载电流的函数，记为： 矗u ：坐 ( ，1 ) m 8 c 式中；a 是与零有关的变量，可根据m 值由褒4 1 鸯褥。 致电容器两端电压波动幅值与端电压平均值的酉分比为k i 6 ，有 4 0 。 东北大学硕士学位论文 第四幸功率单元滤波环节的参数计算 k ：丁a u c ：黑 ( 4 2 ) u ? ，u 。4 c 表4 1a 与巾的关系表 t 曲l e 41r e l a t i o nt a b l eo f aa n d 巾 中( 度) o1 53 04 5 6 0 7 59 0 a 0 5 5 80 5 8 40 6 4 20 7 0 90 7 3 20 7 6 80 8 l o 0 2 04 06 08 01 0 0 图4 1a 与中的关系曲线图 f i g41 r e l a t i o nc u r v eo f aa n d 中 从而可求得电容器电容量c 为： c = 篾等( d ( 4 3 ) k8 4 u 。、 式中6 3 ：逆变器输出角频率( r a d s ) ； i ：逆变器输出电流有效值( a ) ； u d ：直流侧电源电压( v ) ； 由于5 0 0 k w ，6 k v 变频器每相主回路结构由5 个额定电压u 为6 9 0 v 、主回 路的结构和参数完全相同的功率单元串联而成，每个功率单元流过的电流就等于 电动机的相电流，因此，功率单元的输出电流额定值i 为5 4 a ，频率f 为5 0 h z ， 输出侧的功率因数为c o s 巾- - - - 0 8 7 。 功率单元的输入电压为三相交流电，线电压的有效值u 为6 9 0 v ，整流单元为 三相二极管整流，可以得到整流侧直流输出电压u d ： u d = l3 5 u = 13 5 * 6 9 0 = 9 3 1 5 v( 44 ) 。4 l 东北大学硕士学位论文 第四章功率单元滤波环节的参数计算 由于功率单元输出侧的功率因数为o8 7 ，由表中可查出对应的a 值为o6 4 2 ， 为了平滑整流侧输出电压和尽量减少负载电流变化引起的电压波动，取k = 5 根据 公式可以i 卜算出滤波电容c 的取值”1 ： c ：! ! ! ! 生竺：1 0 0 0 6 4 2 5 4 k 4 + u d 5 + 3 1 4 4 9 3 15 根据以上计算，滤波电容c 的取值选为o0 0 3 f 。 4 2 单个功率单元的仿真 ( 45 、 根据上节的计算结果，单独对个功率单元电路进行仿真，来观察和研究滤 波电容c 的取值对直流侧整流电压波形的影响。 4 2 1 仿真电路 仿真电路采用第三章33 节中图38 所示的一个功率单元的仿真模型，在功率 单元的输出端外加一个感性负载) ( l ( 用一个电阻r 和一个电感i 。串联) ，模拟感应电 动机负载，使输出电流的额定值i 为5 4 a ，频率f 为5 0 h z ，输出侧的功率因数为 08 7 。 仿真电路如图42 所示，通过示波器分别观察滤波电容滤波前后的直流侧电流 j1 、i 2 波形、滤波电容两端的电压波形，以及功率单元的输出端外加负载x l 两端 的电压波形和流过负载的电流波形。 图4 2 计算功率单元中滤波电容的仿真电路 f i g4 2s i m u l a t i o nc i r c u i to f c a l c u l a t i n g f i l t e rc a p a c i t o ri np o w e ru n i t 仿真参数的选择依据如下： 4 2 糸毙走攀颈士学棱论文荽四章功率单元滤波环节的参数诗纂 由于：x l = r + j 跳( 46 ) c o s 啦= 08 7 霹此虻砝噤) = 3 0 。 ( 47 ) 托= 旦1 = 竺5 4 = 1 2 艘 4 ，8 ) t o ， r 一1 1q ：l = 2 0 2 m h ； 功率簿元的输入电匿为三相交流电，线电压有效值为6 9 0 v ，输入交压器的箭边输 出阻抗u 。为8 ，为了简化仿真电路，用个三相y 接的理想电源祁等效电阻、 等效电感的窜联来替代实际的输入变压器来避行仿真。 由： u 。一8 + u s = 6 9 0 ( 49 ) 得：u s = 7 5 0 v 理想电源的线电压有效馕为7 5 0 v ；对于额定输出电压为6 k v 、颧定容量为 5 0 0 k w 的变颡器，每耜由5 个额定电压为6 9 0 v 的功率单元串联而成，每个功率 单元承受全部的输出患流，但只提供1 1 5 的棚电压和1 1 5 的输出功攀【n 。输入变压 器的每个副边绕组的输出功率约为3 3 k v a ，取为3 5 k v a ，变压器总的额怒容量 s 。= 3 5 + 1 5 2 5 2 5 k v a 。 对于中小容量韵变压器，变压器内部的满抗压降。和电阻压降u ，比值为 1 5 f 2 9 1 ，在这里取僚为1 ，既u x 一以。 计算输入变压器内部的籁路阻抗电压公式为： u d = 拶；+ 玎j 跫。l o ) 计算输入变压爨拆台到二次绕缌的内部等效漏抗压降u x 、等效电阻压降 u ，： 眵翳= 磙= - u 荔2 2 = 击= 铂弼 4 国 稳入变鼹器的每个二次绕组的输出额定电流，。为： 。击= 湍划彳 嘲 计算输入变压器折合到二次绕组的内部等效电阻熙： 矗。= 迤竺墨= r 7 5 0 * 5 6 7 篇0 引q 1 3 ) 。 3 。，。0 3 + 2 7 东北大学硕士学位论文第四章功率单元滤波环节的参数计算 计算输入变压器折合到二次绕组的内部等效漏抗x 。： x 。：一u s * u x ：7 5 0 ； 5 6 7 ：o 9 1 q “一 万一万瓦广一”“ 妒等= 罴丑9 棚 仿真参数：u s = 7 5 0 v , b = 0 9 1q ，k 一2 9 m h x u = r + j ( i ) l = i1 + j 2 3 1 4 0 0 2 0 2 ( q ) 载波频率为：6 0 0 h z ，滤波电容c = o 0 0 3 f 。 4 2 2 仿真波形 仿真结果如下面图4 3 ，图44 ，图45 ，图46 ，图4 7 ，图4 8 所示 雹 d t i m e ( s ) 图4 3 直流侧电流i ：的仿真波形 f l g4 3s i m u l a t i o nw a v e f o r m o f d i r e c tc u r r e n ti z t i m e ( 曲 图4 4 直流侧电流i 。的仿真波形 f 追4 4s i m u l a t i o n w a , e f o r mo fd i r e c te m l e n ti ( 41 4 ) f 4 1 5 ) ( 4 1 6 ) 图43 中i ：为直流侧滤波电容后端的电流波形，从波形图可以看出，电流不仅 4 4 东北大学硕士学位论文第四章功率单元媳波环节的参数计算 有正向工作电流，还有反向充电电流，这说明滤波电容不仅仅起到滤波作用，还 能吸收电感性负载提供的回馈电流，缓冲无功电流。 图4 4 中，i 1 为直流侧滤波电容前端的电流波形，由于是兰相二极管整流，整 流后的电流波形为六脉波。 图4 5 功率单元的输出电流的仿真波形 f i g 4 ，5s i m u l a t i o nw a v o f o r mo f p o w e r u n i t so u t p u tc u r r e n t t i m e ( s ) 图4 6 功率单元的输出电压的仿真波形 f i g 4 6s i m u l a t i o n w a v e f o r mo f p o w e ru n i t so u t p u tv o l t a g e 把图4 5 、图4 6 比较，可以看出，负载的电流波形比电压波形滞后约3 0 0 ，输 出侧的功率因数为o8 7 ，符合模拟的感应电动机负载要求。 4 5 i ! ! 堕塑兰竺堕墨 苎里兰塑至兰垄堕壅堡蔓塑查垫盐茎 - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - - ， 艺 u 3 图4 7 滤波电容两端的电压u e 的仿真波形 f 培4 7s i m u l a t i o nw a v e f o r mo f v o l t a g eu c o i lf i l t e r i n gc a p a c i t o r s 观察图47 ，通过对滤波电容两端的电压u c 的仿真波形进行分析，可以看到滤 波电容两端的电压波动： u c 2 9 5 6 9 2 4 3 3 2 vf 417 ) 电容器两端电压波动幅值与端电压平均值的百分比为k ： k = 等u = 旦9 4 0 - 3 4 。( 5 ( 4 1 8 ) d 、 、 用以上的仿真电路来进行仿真，仿真结果显示，电容器两端电压波动幅值与端 电压平均值的百分比k 能够很好的满足功率单元的滤波要求，仿真结果与4 1 节 根据功率单元的负载情况和滤波要求，依据滤波电容的计算公式得出的计算结果 一致。 表4 2 输出频率和滤波电容对直流电压波动的影响 t a b l e 42t h ee f f e c to nd i r e c tv o l t a g ew a v e b y o u t p u tf r e q u e n c ya n df i l t e r i n gc a p a c i t o r s f ( h z ) 51 52 53 55 0 c 00 0 7 01 4 1 3 65 2 39 0 2 。7 0 1 7 1 00 0 6 01 52 2 78 4 47 7 3 2 4 1 9 2 00 0 4 51 6 7 9 1 00 1 65 2 45 3 26 7 0 0 0 3 01 83 5 1 4 l o 1 02 9 64 5 4 2 8 00 0 2 01 93 5 1 7 9 0 1 52 2 1 07 5 63 8 另外，通过比较图4 6 和图4 7 ，可以看出滤波电容两端电压波动的频率是功 ；筝单元输出电压频率的2 倍，取决于功率单元输出电压频率。为了研究功率单元 4 6 东北大学项士学位论文 第v g 章功率单元滤波环节的参数计算 输出电压频率和滤波电容的大小这两者对直流电压波动的影响，分别改变图4 2 仿真电路中功率单元滤波电容的值以及功率单元输出电压的频率，而保持其它条 件不变，进行仿真，观察功率单元输出频率和滤波电容的值对直流环节电压波动 的影响，仿真结果见表42 。 从衷42 中可以看出，在功率单元滤波电容的值保持不变的情况下，功率单元 输出频率越低，直流环节电压波动的幅度就越大；在功率单元输出频率保持不变 的情况下，滤波电容的值越大，直流环节电压波动的幅度就越小。波动的幅度在 负载不变的条件下，取决于功率单元输出电压频率和滤波电容的大小。 因此，在选择功率单元滤波电容值的大小时，1 i 仅仅要考虑系统在5 0 h z 时的 工作状况，还要考虑系统在低频时的工作状况。在此基础上，为了