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采用多绕组高频变压器的新型多电平变换器拓扑及控制策略

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采用多绕组高频变压器的新型多电平变换器拓扑及控制策略

发布日期:2017-11-23 作者: 点击:

高压大容量多电平变换器曾经普遍利用于电气收稿曰期2012-07-04改稿曰期2013-08-31节能和高性能电力传动等场所。今朝常用的多电平变换器拓扑重要有二极管钳位式和级联H桥式两类。二极管钳位式变换器可以或许间接输入中高压交换电,而且可以或许采纳背靠背的情势完成四象限运转,普遍利用于乳钢等场所。然则该电路拓扑中钳位二极管的数目与电平数呈二次方干系,在更高电日常平凡必要较多的钳位二极管,而且在五电平以上的电路拓扑时,其直流母线电容的电压存在不可控地区,以是一样平常以三电平的利用最为普遍。由于电平数目的限定,使其事情电压遭到限定,输入侧每每要采纳变压器降压。比方在CRH2型协调号动车组中,起首采纳牵引变压器把输电路线的25kV交换电酿成1500V,而后采纳三电平变流器来驱动牵引机电。变频器批发

  级联H桥拓扑实践上可以或许完成随意率性多个单位的级联,是以可以或许利用于更高的电压品级,该拓扑不存在悬浮电容电压平衡的成绩,采纳移相PWM节制战略也比拟简略。级联单位布局模块化,便于产业现场的利用和培修。然则级联H桥拓扑在电网输入侧采纳工频移相变压器,这类变压器体积和分量比拟大,本钱较高,其二次三相绕组数目为3(为级联单位数),二次绕组数目过量招致变压器在工程完成上存在艰苦,从而也就限定了H桥级联的级数。

  由于传统的多电平变换器拓扑存在各类限定,以是近年来新型的多电平变换器拓扑也成为研讨的热门。环抱若何省去工频变压器,模块化多电平变并获得普遍的存眷。该电路拓扑采纳模块化级联布局,不必要输入变压器,级联数可以或许随意率性增长。然则该拓扑中存在大批的悬浮电容,而且输入频率越低时,悬浮电容的电压颠簸越大,是以今朝该拓扑一样平常利用在直流输电等范畴,在机电节制方面的利用较少。

  别的一类新型的多电平电路采纳高频变压器来取代传统的工频变压器来完成电气断绝和电压幅值的变更,也经常被称作电力电子变压器。今朝这一类拓扑重要采纳单输入单输入的双绕组高频断绝变压器,起首采纳电力电子变换器把高压交换电改酿成多其中高压高频交换电,而后颠末变压器断绝后再接负载变换器。如许假如各个变压器的二次侧负载不平衡,输入侧的电力电子变换器就必要停止额定的平衡节制。中也使用了一种单输入多输入的多绕组变压器,采纳高压交交变换器把工频高压交换电酿成高压高频交换,而后颠末高频变压器停止降压和断绝,是以二次绕组可以或许接多个变换器并驱动多个分歧的负载,多个二次绕组共用一个磁心,负载侧功率的不平衡不会对一次侧形成影响。

  本文提出了一种新型的采纳多绕组高频变压器的多电平变换器拓扑布局,输入端可以或许间接与中高压电网相连,省去了输入侧的工频变压器。采纳高频变压器断绝后,变换器的输入侧可以或许接多个分歧的负载,每一个负载的电压品级和必要的电平数都可以或许依据必要机动设置装备摆设。经由过程量绕组高频变压器可以或许完成功率和电压的平衡,电路拓扑的稳固性较好。

  电路拓扑采纳模块化布局,在简化节制战略的同时可以或许进步毛病冗余度,进步毛病修复才能。

  2电路拓扑布局本文提出的新型的采纳多绕组高频变压器的多电平变换器,其单相输入的电路拓扑如所示。全体电路由级联H桥整流器、H桥高频逆变器、H桥高频整流器、多绕组高频变压器和负载逆变器构成。

  采纳多绕组高频变压器的电路拓扑布局级联H桥整流器颠末一个滤波电感后间接与电网相连,在恰当的节制下发生多个直流母线。各个直流母线分离与一个高频H桥逆变器相连,把直流电逆酿成高频交换电,作为高频变压器一次绕组的输入。高频变压器的二次绕组分离接多个H桥高频整流器,把高频交换电整流为直流电压。为了表述便利,这里把与变压器一次侧相连的称为H桥高频逆变器,与变压器二次侧相连的称为H桥高频整流器。实际上所示的电路拓扑可以或许四象限运转,以是这里的H桥高频整流器和逆变器的说法也是绝对的。

  由于颠末了多绕组变压器的断绝,二次侧整流发生的各个直流母线便是互相断绝的,是以负载逆变器可以或许是多个高压的三相逆变器来驱动多个机电或许多相机电,也能够或许是H桥级联情势的中高压逆变器来驱动中高压负载。各个负载的功率品级和电压品级都可以或许机动设置装备摆设,全体电路拓扑的节制战略和稳固性阐发将在后面停止先容。

  在所示的布局中,多绕组变压器的一次绕组的数目由电网电压和级联H桥整流器中所采纳的开关器件的耐压值来决议,而二次绕组的数目则由负载决议。比方在今朝海内高速铁路牵引中,级联H桥整流器可以或许间接与高压牵引供电网相连,各级单位的直流母线可以或许节制为1500V.二次绕组的数目由牵引机电的个数来决议。固然,依据各子单位直流母线电压的高下,H桥高频整流器和高频逆变器还可以或许采纳三电平H桥布局。

爱乐彩票平台  3级联H桥整流器节制战略起首来阐发级联H桥型整流器的节制战略,为了阐发便利,仍旧以所示的单相输入的电路拓扑为例,对其节制战略和稳固性停止阐发。

  假定级联H桥整流器中,第n级单位的直流母线电压为Vm,开关函数为n,则该级单位在交换侧的输入电压为假定该级单位直流母线上的负载电流为i1Ln,则直流母线电压的状况方程输入电流。

爱乐彩票平台  依据调节器。电流环的输入为全体整流器的输入电压值。整流器各级单位采纳移相PWM节制,在整流器的节制中临时不考虑各级直流母线电压的平衡成绩。

  真验证。采纳4级级联的H桥整流器,交换输入电压幅值为1000V,每级直流母线电压给定值为300V,则4级直流母线电压之和的节制成果如所示。可见直流母线电压之和可以或许很好地节制在给定值邻近。由于是单相整流器,直流母线电压上存在着二倍频的颠簸。

  为级联H桥整流器的开关函数,依据开关状况的分歧,的取值可以或许为-1,0或许+1.为第个H桥高频逆变器的开关函数,其取值为-1或许+1,如所示。是H桥高频逆变器输入到高频变压器一次绕组的电流。

  在节制中,使与变压器一次绕组相连的一切H桥高频逆变器的开关函数和开关状况都保持同等,即开关函数为4高频变换器节制及直流母线电压平衡上述的级联H桥整流器的节制战略完成了对一切直流母线电压之和的节制。本节将在此基础上对直流母线电压的平衡停止先容。遭到开关器件开关频率的限定,高频逆变器和高频整流器都采纳方波节制,占空比为50%.高频变换器输入的电压波形如所示。

  由于级联H桥整流器中一切级联H桥单位侧的调制比同样,其输入侧的电流都为,而且可以或许疏忽PWM移相形成的误差。以第1级(n=1)和第2级(n=2)单位的母线电压为例停止阐发,依据式(8)和式(9),两级直流母线之间的差值满意高频变换器的输入电压波形为了阐发各级单位的直流母线电压的平衡性,以高频变压器输入侧的一级单位电路为例停止阐发。如所示,左边为级联H桥整流器的一个单位,右边为高频逆变器单位,而且与高频多绕组变压器的一个一次绕组相连。

  别的一方面,高频逆变器在变压器一次绕组侧的输入电压为是以可以或许获得两级单位的电压差值为假定高频多绕组变压器的各个一次绕组特征同等,每一个绕组的电阻和电感为尺2和,则可以或许列出状况方程在该级单位中,直流母线电压的状:由式(13)可以或许看出,直流母线的值决议了u2n的巨细,而u2n和绕组中反电动势62n的绝对巨细决议了电流和电压的相位差,也便是决议了能量的活动偏向。疏忽绕组的漏感,则各绕组交链同一个磁场,是以可以或许觉得各个绕组中的反电动势雷同,是以可以或许获得态方程为综合式(12)和式(14)可以或许获得可以或许看出,在这类节制战略下,fv12的值渐渐衰减到零,衰减光阴常数为Li/Ri,也便是说各级直流母线的电压值是平衡的。前面的推导进程都是在变压器的一次绕组完整对称的前提下得出的,假如绕组之间存在必定的差异,比方反电动势存在必定的差异,则式(14)酿成此时,终极的电压差V12并不衰减到零,而是稳固在一个牢固值,也即是说各级直流母线电压之间存在必定的静差。

  采纳上述的高频逆变器节制战略后,变压器一次侧各单位的母线电压仿真成果如所示。可以或许看出,固然各个直流母线电压的初始值不同等,在起动以后都能敏捷收敛到给定值,而且各直流母线的电压可以或许完成平衡。

  5毛病冗余及毛病运转阐发在所示的变换器拓扑中,一切的变换器单位都是H桥,而且变压器的电压比可以或许计划为1:1,此时级联H桥整流器、H桥高频逆变器和H桥高频整流器中都可以或许采纳异样的电路布局,所选用的电力电子器件的电压品级也同等,是以具有很强的通用性,从而也进步了全体电路的可修复性和可靠性。

  在变压器的二次侧,假如每一个绕组经由过程变换器来分离驱动一个负载,则假如该变换器呈现毛病,则只必要切除该负载和变换器便可,并不会影响其余单位的运转。假如二次的多个绕组配合驱动一个负载,如H桥级联形式,则在某个变换器毛病下,只要旁路该变换器,负载降额运转,不会影响其余单位的失常运转。

  在变压器的一次侧,由于交换输入端的电压幅值是确定的,以是在一样平常情况下,假如级联H桥整流器的某个单位发生毛病,则残剩的单位不克不及输入充足的电压值,会形成电路无奈继承运转。是以,为了进步体系的可靠性,一样平常在一次侧多增长一个或许几个冗余绕组,并增长响应的级联H桥单位和高频逆变单位。在某个H桥单位或许高频逆变单位发生毛病时,异样只必要切除该级单位,残剩的电路可以或许继承运转,而不会对二次侧形成影响。

爱乐彩票平台  从上面的阐发来看,本文提出的电路拓扑布局具有很强的毛病运转才能和毛病冗余,可以或许包管全体体系在毛病下可以或许疾速规复运转,具有很好的可靠性。

爱乐彩票平台  6。级联H桥整流器的输入电压和电流的波形如所示,可以或许看出,级联H桥整流器的输入电流和电压可以或许节制为同相位,进步了输入侧的功率因数,而且电流波形具有很好的正弦度。

  高频H桥输入的电压波形如所示。此中Mi和2为一次侧H桥变换器的波形,M3和M4为二次侧的H桥变换器的输入波形。

  压终极仍旧存在必定的静差,这是由于变压器的两个绕组参数并不完整同等形成的,可以或许经由过程变压器的计划和加工工艺来包管误差在必定范围内图中两级直流母线电0直流母线电压平衡进程7论断本文提出的采纳多绕组中频变压器的新型多电平拓扑利用机动,可以或许接分歧种类和分歧电压品级的负载。采纳的中频变压器绝对于传统的工频变压器减小了体积和分量,降低了体系的本钱。本文所采纳的级联H桥整流器节制战略可以或许很好地节制交换输入侧的功率因数,并可以或许完成对全体母线电压之和的节制。本文经由过程实践阐发了高频逆变器的节制战略和各单位的直流母线电压的平衡性。仿真和试验成果注解,该拓扑节制战略简略明白,体系具有很好的稳固性,高频变压器可以或许完成各单位之间功率的均匀分派,从而完成电压的平衡,该电路拓扑具有很好的利用远景。


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