12脈整流逆變器母線電容的選型計(jì)算

張甲兵，陳元初，康惠林，劉軍華

應(yīng)用研究

12脈整流逆變器母線電容的選型計(jì)算

張甲兵，陳元初，康惠林，劉軍華

（通達(dá)電磁能股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410217）

母線電容是逆變器的關(guān)鍵器件，其選型設(shè)計(jì)影響著整機(jī)的尺寸、重量、功率密度、成本和性能指標(biāo)。分析建立了12脈整流逆變器母線電容容量、紋波電流計(jì)算公式并仿真驗(yàn)證了其有效性，為工程應(yīng)用中12脈整流逆變器母線電容的選型設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

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(dá)峰、2060年前碳中和的持續(xù)進(jìn)行，綠色新能源得以大力發(fā)展，促使各類(lèi)電力電子用電設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。如：斬波器、變頻器、逆變器等。12脈整流逆變器優(yōu)于6脈整流逆變器的輸入THDI和功率因數(shù)被各設(shè)備廠家普遍選用。母線電容作為12脈整流逆變器電網(wǎng)能量和負(fù)載能量交換的緩沖環(huán)節(jié)，其合適選型決定著母線電壓的可靠性和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[1，4]對(duì)常用的三相逆變器母線電容紋波和電壓脈沖進(jìn)行了研究分析，并給出了初步的選取依據(jù)；文獻(xiàn)[5]則針對(duì)多相H橋逆變器支撐電容電流進(jìn)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(guò)分析三相逆變部分來(lái)進(jìn)行顯然不能滿足應(yīng)用需求。

對(duì)12脈整流逆變器母線輸入和輸出紋波電流進(jìn)行分別分析，得出母線電容紋波電流表達(dá)式，并通過(guò)電壓紋波和輸出功率要求，得出容量計(jì)算表達(dá)式。通過(guò)仿真驗(yàn)證該選型計(jì)算的有效性，可為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 電路結(jié)構(gòu)

圖1給出了12脈整流逆變器的主電路拓?fù)?。該拓?fù)溆奢斎牍╇婋娫础⒁葡嘧儔浩鳌?個(gè)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(jì)算

2.1 母線電容容值計(jì)算

在同等輸出功率條件下，一般來(lái)說(shuō)母線電容容量越大，母線電壓紋波越小，越有利于系統(tǒng)輸出側(cè)的穩(wěn)定。但過(guò)大的容量不僅會(huì)增加整機(jī)成本，也會(huì)降低輸入側(cè)的功率因數(shù)。依據(jù)電壓紋波指標(biāo)要求，通過(guò)理論分析計(jì)算，選擇合適的母線電容容量能有效避免實(shí)際工程應(yīng)用中容量的過(guò)設(shè)計(jì)。

如圖2所示，輸入電源經(jīng)過(guò)移相變壓器和2個(gè)三相不控整流橋整流成12倍頻的周期波動(dòng)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(jīng)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(shí)間：

設(shè)系統(tǒng)容許母線電壓波動(dòng)率為λ，并令：

則母線最低電壓為：

令：

由式（6）可解得時(shí)間1，代入式（4）可算出f。

母線電容充電時(shí)間為：

為方便計(jì)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(fù)載下放電方程為：

在電壓波動(dòng)率λ限制下，則

以上給出了滿足母線電壓波動(dòng)率λ下的最小母線電容容量的選型依據(jù)，工程應(yīng)用中可跟據(jù)實(shí)際情況預(yù)留一定裕量。

2.2 母線電容紋波電流計(jì)算

紋波電流耐受值是母線電容選型的關(guān)鍵指標(biāo)。如選型過(guò)小，將導(dǎo)致電容過(guò)熱，從而影響電容的壽命；如選型過(guò)大，則會(huì)增加限制尺寸下結(jié)構(gòu)布局的難度和成本的上升。通過(guò)紋波電流表達(dá)式計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)選擇恰當(dāng)?shù)募y波電流耐受值母線電容顯得非常必要。

由圖1知，流過(guò)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(cè)輸出電流z的交流分量的差值，即：

則流過(guò)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(jù)帕瑟瓦爾定理結(jié)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(cè)交流分量有效值和逆變側(cè)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(gòu)成，計(jì)算如下：

整理后得：

式中：C母線電容值，母線電壓波動(dòng)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(shí)間，t母線電容放電時(shí)間，可由2.1得到。

三相逆變器輸入交流分量有效值計(jì)算如下[6]：

式中：I為逆變器輸出相電流有效值，為PWM調(diào)制比，cos為輸出負(fù)載功率因數(shù)。當(dāng)為0，約為0.615時(shí)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(jì)算表達(dá)式，工程應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，代入?yún)?shù)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)母線電容紋波指標(biāo)選型。

3 驗(yàn)證

12脈整流逆變器基本參數(shù)：

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(shè)定容許母線電壓波動(dòng)率為3%，負(fù)載為純阻性負(fù)載，PWM調(diào)制比為0.615，計(jì)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(dú)立帶滿載時(shí)，母線紋波電流有效值約95.1 A；三相逆變器獨(dú)立帶滿載時(shí)，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(shí)母線紋波電流有效值約135 A，母線電壓波動(dòng)率約2.8%。仿真結(jié)果與理論分析相近，選型計(jì)算方式具備工程應(yīng)用參考價(jià)值。

4 結(jié)論

針對(duì)12脈整流逆變器母線電容的選型進(jìn)行了理論分析和計(jì)算。依據(jù)母線電壓波動(dòng)率要求推導(dǎo)了母線電容最低容量選型計(jì)算公式，依據(jù)對(duì)12脈整流和三相逆變紋波電流分析推導(dǎo)了母線電容紋波電流選型計(jì)算公式。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所得選型計(jì)算公式的有效性，可為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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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(chǎn)品開(kāi)發(fā)。E-mail:295351289@qq.com