多逆變器－電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的環(huán)流分析及抑制方法

黃允燦, 劉理

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多逆變器－電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的環(huán)流分析及抑制方法

黃允燦, 劉理

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064）

根據(jù)多逆變器－電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，應(yīng)用戴維南等效定理，分析了環(huán)流的產(chǎn)生機(jī)理，得到并聯(lián)逆變器推進(jìn)系統(tǒng)的等效輸出電路，從而可以簡化控制系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)環(huán)流產(chǎn)生的機(jī)理，討論了加均流電抗器和加環(huán)流反饋控制的環(huán)流抑制方法。

多逆變器 電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng) 環(huán)流 戴維南等效原理

0 引言

并聯(lián)逆變器的輸入端直接并聯(lián)，共用同一個直流源[1]，輸出端通過均流電抗器或變壓器并聯(lián)在一起。如果各逆變器采用獨(dú)立的直流電源時，假若直流電壓有所不同，為了得到相同的輸出電壓，每個逆變器就會產(chǎn)生不同的PWM[2]波形，因此會導(dǎo)致產(chǎn)生較高次諧波，從而會形成較明顯的環(huán)流而影響并聯(lián)工作。

1 多逆變器并聯(lián)－電機(jī)系統(tǒng)的模型等效輸出電路

根據(jù)戴維南（Thevinin）等效原理，可以將多個逆變模塊的推進(jìn)系統(tǒng)簡化成單個逆變器的系統(tǒng)，以2個并聯(lián)的三相逆變器帶三相阻感的一相為例，等效電路和戴維南等效變換后的電路如圖1所示。

同單模塊相比，并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗減小，外特性變硬。在相同負(fù)載條件下，輸出電壓下降量減小。

所以，逆變模塊i的輸出電流

2 環(huán)流產(chǎn)生的原因

由等效模型圖看出，導(dǎo)致并聯(lián)模塊電流不同的原因有兩方面：1）模塊的輸出電壓不同。當(dāng)并聯(lián)模塊開關(guān)管的開通占空比不同時，輸出電壓幅值就會出現(xiàn)差異。2）模塊的輸出阻抗參數(shù)不同。由于逆變器參數(shù)的分散性，用于多機(jī)并聯(lián)的各電源模塊外特性不一定一致。這兩種情況會導(dǎo)致各臺逆變器的輸出電流出現(xiàn)幅值或相位的差異，這種電流差在各臺逆變器間流動，形成系統(tǒng)的環(huán)流。環(huán)流的出現(xiàn)，不僅會嚴(yán)重影響逆變器的工作性能，使系統(tǒng)的效率降低，而且可能對逆變器的主電路器件產(chǎn)生較大影響，嚴(yán)重時甚至燒毀逆變器，因此必須加以控制。

3 環(huán)流的抑制方法

根據(jù)環(huán)流特征，電壓型逆變器之間的環(huán)流可分為兩類：1）由逆變器輸出基波電壓的幅值、頻率或相位不同而導(dǎo)致的基波頻率成分；2）由逆變器輸出電壓瞬時差而導(dǎo)致的開關(guān)頻率環(huán)流成分，即諧波環(huán)流。

基波環(huán)流導(dǎo)致逆變器之間輸出電流不均衡，通常要采取均流調(diào)節(jié)器加以抑制；諧波環(huán)流不對系統(tǒng)的電流均衡產(chǎn)生影響，消除諧波環(huán)流的最直接途徑是盡量減小逆變器之間硬件參數(shù)的分散性，此外還要依靠電抗器的設(shè)計、逆變器PWM控制方式。

3.1 串均流電抗器

根據(jù)式（4），如果逆變器等效輸出阻抗越大，輸出電流對實(shí)際輸出阻抗的靈敏度就越低，從而電流均分能力得到提高。

具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

3.2 加入均流反饋環(huán)節(jié)的控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)大電流輸出，除了在逆變器輸出端加入均流電抗器或者相間變壓器外，需要將環(huán)流引入控制系統(tǒng)，對環(huán)流進(jìn)行反饋控制。在并聯(lián)控制技術(shù)中，主從控制法易于設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是沒有實(shí)現(xiàn)真正意義的冗余。對于大功率的驅(qū)動系統(tǒng)來講，對并聯(lián)逆變器的冗余性要求并不高，所以主從式控制仍然是驅(qū)動系統(tǒng)并聯(lián)逆變器的常用控制結(jié)構(gòu)[3]。根據(jù)環(huán)流抑制的原理，將主從式結(jié)構(gòu)的均流控制技術(shù)分為兩類：1）參考電流調(diào)節(jié)法。控制結(jié)構(gòu)采用主從式，由主模塊計算參考電流并發(fā)送給各從模塊，從模塊根據(jù)參考電流值來調(diào)節(jié)各自電流輸出，從而使得各電流輸出趨于一致。2）參考電壓調(diào)節(jié)法?？刂平Y(jié)構(gòu)采用主從式或分布式，由主模塊或者所有模塊共同產(chǎn)生公共電壓參考信號。

單個逆變器供電的異步電機(jī)變頻調(diào)速采用速度、電流雙閉環(huán)控制，具有比較滿意的穩(wěn)定性能。多個逆變器并聯(lián)供電時，將瞬時環(huán)流引入控制系統(tǒng)中，使得控制系統(tǒng)中增加了環(huán)流參與的均流環(huán)，這樣有可能會導(dǎo)致整個調(diào)速系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，逆變器的并聯(lián)控制不僅要解決減小均流的問題，還要通過參數(shù)設(shè)計提高整個控制系統(tǒng)的可靠性。

4 仿真與實(shí)驗結(jié)果

4.1 仿真結(jié)果

利用Matlab/Simulink仿真軟件，對2個逆變器并聯(lián)拖動三相電機(jī)負(fù)載的系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。

三相電機(jī)參數(shù)：

參照電機(jī)漏感參數(shù)，根據(jù)均流電抗器的選取原則，電感幅值選為3 mH[4]。

1）開關(guān)管特性差異對系統(tǒng)環(huán)流的影響

由圖3(b)可以看出：當(dāng)并聯(lián)模塊的開關(guān)管特性存在差異時，即使控制脈沖完全相同，仍會出現(xiàn)環(huán)流。而且，因為2個并聯(lián)逆變器的控制脈沖完全同步，所以環(huán)流以直流和基波環(huán)流為主，諧波環(huán)流含量很少。

2）均流電感差異對系統(tǒng)環(huán)流影響的仿真研究

逆變器1的均流電抗器參數(shù)更小，對應(yīng)的輸出電流更大。由于并聯(lián)逆變器的輸出阻抗差異，2個逆變模塊的電流相差較大，這樣有可能因為超過逆變器的額定容量而燒毀分流大的模塊。而且，各逆變模塊間的環(huán)流量大小與濾波電感之間的大小差成正比。

4.2 試驗結(jié)果

實(shí)驗在2.2 kW的電動機(jī)上進(jìn)行，電機(jī)調(diào)速采用恒壓頻比的開環(huán)控制方式。2個逆變器采用同步脈沖控制方式進(jìn)行并聯(lián)，改變2個并聯(lián)逆變器的均流電抗大小，驗證環(huán)流與均流電抗器的關(guān)系。圖5為均流電抗器的參數(shù)為2 mH時2個逆變器的輸出電流。圖6為均流電抗器參數(shù)為4 mH時2個逆變器的輸出電流。圖7為2個逆變器的均流電抗器的參數(shù)分別為4 mH和2mH時對應(yīng)的輸出電流波形。

通過圖的對比，可以看出：均流電抗器的電感越大時，2臺逆變器之間的環(huán)流抑制效果越好，但同時也會降低逆變器的有效輸出電壓。2個逆變器的均流電感有差異時，會導(dǎo)致更大的環(huán)流產(chǎn)生，因此，對于多個逆變器并聯(lián)的環(huán)流控制，盡量選擇參數(shù)一致的均流電感，以減小外部因素引起的環(huán)流問題。

5 總結(jié)

本文建立了基于開關(guān)函數(shù)的并聯(lián)逆變器的等效電路，通過分析等效電路，得出了系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流的2個原因：并聯(lián)逆變器的輸出電壓矢量的差異和輸出阻抗的差異。

根據(jù)戴維南等效原理，得出逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的等效輸出電路，推導(dǎo)等效電壓和等效輸出阻抗的表達(dá)式，從電機(jī)負(fù)載角度，任意多個并聯(lián)逆變器可以簡化為單個逆變器，從而可以簡化整個控制系統(tǒng)的設(shè)計。特別提出了基于環(huán)流反饋的2種均流方法，為逆變器并聯(lián)控制方案打下良好的基礎(chǔ)。

[1] 吳旭升, 馬偉明. 直流混合供電的多相電機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析與研究[J]. 中小型電機(jī), 2001, 28(1): 7-12．

[2] 卓放，周新，李可等．模塊化PWM主電路實(shí)現(xiàn)的大容量有源電力濾波器．電力系統(tǒng)自動化，2002，26（16）：45-4.

[3] N．Kawakami, M．Hombu．Quick response and low-distortion current control for multiple inverter-fed induction motor drives．IEEE Trans on power electronics, 1994, 9(2):240-247.

[4] 于飛．多相永磁同步電動機(jī)控制與調(diào)速的仿真研究[D]. 武漢：海軍工程大學(xué)， 2001．

Circulation Analysis and Restraining Method of Multi Inverter for Motor Propulsion System

Huang Yuncan, Liu Li

(Naval Representatives Office in No.712 Research Institute, Wuhan 430068, China)

TM461

A

1003-4862（2014）11-0064-04

2013-06-10

黃允燦(1989-),男，助理工程師。研究方向：電機(jī)工程。