三相逆变器传导干扰的抑制

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电力电子装置广泛应用于国民经济和国防建设的诸多领域,尤其电力电子装置构成的各种独立电力系统日趋普及。电力电子装置工作在高电压、大电流和高功率高频环境下,其电力电子器件通断瞬间产生很高的电压变化率和电流变化率,伴随电路中的寄生参数形成高频干扰源,产生严重的电磁干扰EMI(Electromagnetic Interference)。电磁干扰造成输入输出电流畸变、功率因数下降、效率降低,甚至损坏设备。其中,三相逆变电路广泛应用于交流并网和电机驱动领域。严重的电磁干扰对电网及其同网中的电气电子设备造成影响更加严重;电磁干扰使电动机绕组出现过电压击穿、出力减小、高频损耗增加、机组过热烧毁等诸多问题。
  本文对三相逆变器的传导干扰抑制进行了深入研究,分析了三相逆变器SPWM调制方式下差模干扰的频谱特征。功率器件开通瞬间桥臂经受的高电流变化率,在寄生参数间引起寄生振荡造成差模干扰。在保证不影响负载电流的前提下,提出了在桥臂与负载间引入耦合电感-差模滤波器,减小了功率器件开通瞬态电流冲击并抑制电流变化率。进一步添加的续流回路,可有效解决耦合电感两侧线圈磁链跃变带来的过电压问题,并有效抑制回路中的振荡电流。实验结果表明此结构可有效地抑制功率变换器的差模干扰。
  在分析SPWM、SVPWM和AZSVPWM1等调制方式下的共模电压干扰频谱分布特征基础上,发现电力电子器件高频通断响应时桥臂中心结点相对参考地形成很高电压变化并通过寄生电容形成共模干扰。本文提出了利用现存主电路寄生参数,整体设计了新型耦合电感-EMI滤波器。采用带有电容的反向耦合电感解耦后等效的负电容,可抵消桥臂中点对地的寄生电容,阻断了输入侧/输出侧两个回路的共模干扰路径;同时,解耦后其他支路与RhCh支路分别构成共模和差模滤波器。实验研究表明三相逆变器直流输入侧/交流输出侧的共模干扰和输出差模干扰得到有效抑制。
  为消除三相三桥臂逆变器输出侧共模电压,确定了补偿电压源的引入方式和拓扑结构。研究了补偿回路受控电压源和三个桥臂中点电压瞬时值之间的对应关系。在原有拓扑中添加第四桥臂作为补偿电压源,消除了共模电压或使共模电压恒为常值。对死区时间内输出电压特征进行提取和逻辑分析,结合各相电流方向和功率器件通断状态之间的关系,给出了全周期的各相编码状态控制第四桥臂的触发算法。明确了实际电压矢量与理论参考电压矢量的关系。实验表明添加补偿电压源和优化控制策略,有效地抑制了输出侧共模干扰。
  考虑延时补偿,提出基于最优时间的五电压空间矢量模型预测控制,在αβ轴电流误差代价函数误差最小的前提下,确定有效电压空间矢量的开关组合,计算每组有效电压空间矢量的最优时间。基于Lyapunov原理验证了系统的稳定性,并验证了参数不匹配情况下系统仍具有很好的动态性能。该算法有效降低了共模电压,提升了稳态控制精度,减小了负载电流谐波。
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