逆变电源母线电容纹波电流与容值优化研究_王正

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1、第4期电源学报No.42012年7月JournalofPowerSupplyJuly.2012逆变电源母线电容纹波电流与容值优化研究王正，于新平（沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110870）摘要：逆变电源直流母线电容的选取是逆变电源稳定工作的关键因素之一。通过对其电路的分析建立了计算逆变电源的纹波电流和最小电容值的计算公式，来选取合适的电解电容应用于逆变电源直流母线。最后利用Matlab仿真软件，进一步地验证了直流母线电容的选取原则的可行性。关键词：逆变电源；直流母线电容；纹波电流中图分类号：TM464文献标志码：A文章编号：20

2、95-2805（2012）04-0086-05引言应用。本文通过对逆变电源母线电容纹波电流的计算，以及对母线电压纹波的分析计算来选择直流母电力电子技术的发展使得基于PWM电压型逆线电容参数。能够有效避免因选择电容过大造成纹变电源（如图1）得到广泛的应用，其中间有直流储波电流增大产生损耗，并能有效抑制电压波动，减能滤波环节，一般采用的是大容量的电解电容。其小电容成本，为实际工程设计提供了良好的依据。作用主要是缓冲电网侧与负载之间的能量交换，稳定母线电压，抑制负载突变造成直流母线电压大幅[1]度的波动。目前，因电解电容的技术比较成熟，而且

3、价格便宜，被普遍应用于直流母线。但在工程设计中，直流母线电容的参数选择一直困扰着工程人员。通常认为，不考虑成本和输入功率因数，则容值越大越好，这有利于减小电压脉动，提高供电质量，并且容值越大，电容的等效串联电阻越小，允许通图1电压型逆变电源的拓扑节构过的纹波电流越大。然而，整流滤波电容越大，输入电流导通角变小，在同样的输出功率下，电容流过的纹波电流有效值反而会增大，而纹波电流是造成1选择电容器的方法损耗、引起电容发热的根本原因，该损耗与纹波电流有效值的平方和等效串联电阻的乘积成正比，所1.1电容纹波电流的计算以容值的增加不一定会减小电

4、容损耗[2]。而且出于纹波电流指流过电容的交流电流。当纹波电流成本及可靠性考虑，还须尽可能地减少直流侧电容过大超过电容的承受能力，会造成电容温度过高严量。目前对于直流母线电容的研究比较多[2-3]。文献重影响工作寿命。因此在选择电容时，必须考虑到[2]通过建立单相整流滤波电容纹波电流的数学模电容通过纹波电流能力。电容器的纹波电流受逆变型分析了容值变化对纹波电流和电容损耗以及电电源各输入输出量变化以及控制方法等多因素影容寿命的影响。对于电容值得选择缺乏明确的约束响，很难直接通过计算得到，一般多根据经验或者原则，并无明确的计算选择方法，不

5、便于实际工程计算机仿真的方法来估算。如果推导出一个电容器纹波电流的表达式，在设计逆变电源系统直流母线收稿日期：2012-06-06第4期王正，等：逆变电源母线电容纹波电流与容值优化研究87电容时将有明显优势。根据对逆变电源拓扑结构的式中：ΔU为直流母线电压波动；C为直流母线分析，可以得到计算直流母线电容器纹波电流的方电容值：Umax为整流输出电压的最大值；Umin为整流法。输出电压最小值；tc和tf分别表示电容充放电时间。[6]从图1中可以得出，流过直流母线电容的纹波逆变器输入端的纹波电流：电流ic为整流输出电流i1和逆变器输入电流i

6、2的差值，即（12）（1）式中：M为PWM调制比；Iac1.rms为整流输出电流整流输出电流i1和逆变器输入电流i2又可以有效值。分别分解为直流分量和交流分量两部分：因此可以得到直流母线电容纹波电流的表达（2）式为：（3）所以式（1）可以进一步表示为：（4）（13）由于（5）从上式可知，纹波电流与调制比M、功率因数将式（4）代入上式，可得cosφ、电压波动λ、电容值C等因素有关。其他参数恒定的条件下电容值越大电容纹波电流越大，电容（6）产生的热量越多，造成的损耗就会越大，会严重缩式中：；fx为整流输出频率。短电容寿命。由于电流iac1

7、和iac2不含有同频率的谐波分量，1.2电容容值的计算根据帕瑟瓦尔定理可以得到：经过三相不可控整流后输出电压为六倍频的周期波动电压如图2所示。（7）因此（8）由上式可看出，电容中的纹波电流有效值是由整流输出的交流分量和逆变器输入端的交流分量两个部分组成的。整流输出的通过电容纹波电流计算公式如下：ΔU设参数λ，令λ=Umax图2三相输入电压及母线电压波形（9）图2中，Ua，Ub，Uc是三相输入相电压；u1是整流之后未加电容的电压，u2是加电容后的整流输出（10）电压，由图可知：（14）（11）88电源学报总第42期电源。假设直流母线电压

8、波动为5%，负载功率因数当时：为0.85，调制比为0.9。按照本文计算方法则直流母线电容的参数选（15）择如下：直流母线电压最大值整理后得到：由式（18）解得（16）由图2可看出，电容放电时间为：所以即得到：（17）由式