多逆变器－电机推进系统的环流分析及抑制方法

黄允灿, 刘理



多逆变器－电机推进系统的环流分析及抑制方法

黄允灿, 刘理

（海军驻武汉七一二所军事代表室，武汉 430064）

根据多逆变器－电机推进系统的电路结构，应用戴维南等效定理，分析了环流的产生机理，得到并联逆变器推进系统的等效输出电路，从而可以简化控制系统设计。根据环流产生的机理，讨论了加均流电抗器和加环流反馈控制的环流抑制方法。

多逆变器 电机推进系统 环流 戴维南等效原理

0 引言

并联逆变器的输入端直接并联，共用同一个直流源[1]，输出端通过均流电抗器或变压器并联在一起。如果各逆变器采用独立的直流电源时，假若直流电压有所不同，为了得到相同的输出电压，每个逆变器就会产生不同的PWM[2]波形，因此会导致产生较高次谐波，从而会形成较明显的环流而影响并联工作。

1 多逆变器并联－电机系统的模型等效输出电路

根据戴维南（Thevinin）等效原理，可以将多个逆变模块的推进系统简化成单个逆变器的系统，以2个并联的三相逆变器带三相阻感的一相为例，等效电路和戴维南等效变换后的电路如图1所示。

同单模块相比，并联系统的输出阻抗减小，外特性变硬。在相同负载条件下，输出电压下降量减小。

所以，逆变模块i的输出电流

2 环流产生的原因

由等效模型图看出，导致并联模块电流不同的原因有两方面：1）模块的输出电压不同。当并联模块开关管的开通占空比不同时，输出电压幅值就会出现差异。2）模块的输出阻抗参数不同。由于逆变器参数的分散性，用于多机并联的各电源模块外特性不一定一致。这两种情况会导致各台逆变器的输出电流出现幅值或相位的差异，这种电流差在各台逆变器间流动，形成系统的环流。环流的出现，不仅会严重影响逆变器的工作性能，使系统的效率降低，而且可能对逆变器的主电路器件产生较大影响，严重时甚至烧毁逆变器，因此必须加以控制。

3 环流的抑制方法

根据环流特征，电压型逆变器之间的环流可分为两类：1）由逆变器输出基波电压的幅值、频率或相位不同而导致的基波频率成分；2）由逆变器输出电压瞬时差而导致的开关频率环流成分，即谐波环流。

基波环流导致逆变器之间输出电流不均衡，通常要采取均流调节器加以抑制；谐波环流不对系统的电流均衡产生影响，消除谐波环流的最直接途径是尽量减小逆变器之间硬件参数的分散性，此外还要依靠电抗器的设计、逆变器PWM控制方式。

3.1 串均流电抗器

根据式（4），如果逆变器等效输出阻抗越大，输出电流对实际输出阻抗的灵敏度就越低，从而电流均分能力得到提高。

具体实现如图2所示。

3.2 加入均流反馈环节的控制技术

为了实现大电流输出，除了在逆变器输出端加入均流电抗器或者相间变压器外，需要将环流引入控制系统，对环流进行反馈控制。在并联控制技术中，主从控制法易于设计和实现，缺点是没有实现真正意义的冗余。对于大功率的驱动系统来讲，对并联逆变器的冗余性要求并不高，所以主从式控制仍然是驱动系统并联逆变器的常用控制结构[3]。根据环流抑制的原理，将主从式结构的均流控制技术分为两类：1）参考电流调节法。控制结构采用主从式，由主模块计算参考电流并发送给各从模块，从模块根据参考电流值来调节各自电流输出，从而使得各电流输出趋于一致。2）参考电压调节法。控制结构采用主从式或分布式，由主模块或者所有模块共同产生公共电压参考信号。

单个逆变器供电的异步电机变频调速采用速度、电流双闭环控制，具有比较满意的稳定性能。多个逆变器并联供电时，将瞬时环流引入控制系统中，使得控制系统中增加了环流参与的均流环，这样有可能会导致整个调速系统的不稳定。因此，逆变器的并联控制不仅要解决减小均流的问题，还要通过参数设计提高整个控制系统的可靠性。

4 仿真与实验结果

4.1 仿真结果

利用Matlab/Simulink仿真软件，对2个逆变器并联拖动三相电机负载的系统进行建模和仿真。

三相电机参数：

参照电机漏感参数，根据均流电抗器的选取原则，电感幅值选为3 mH[4]。

1）开关管特性差异对系统环流的影响

由图3(b)可以看出：当并联模块的开关管特性存在差异时，即使控制脉冲完全相同，仍会出现环流。而且，因为2个并联逆变器的控制脉冲完全同步，所以环流以直流和基波环流为主，谐波环流含量很少。

2）均流电感差异对系统环流影响的仿真研究

逆变器1的均流电抗器参数更小，对应的输出电流更大。由于并联逆变器的输出阻抗差异，2个逆变模块的电流相差较大，这样有可能因为超过逆变器的额定容量而烧毁分流大的模块。而且，各逆变模块间的环流量大小与滤波电感之间的大小差成正比。

4.2 试验结果

实验在2.2 kW的电动机上进行，电机调速采用恒压频比的开环控制方式。2个逆变器采用同步脉冲控制方式进行并联，改变2个并联逆变器的均流电抗大小，验证环流与均流电抗器的关系。图5为均流电抗器的参数为2 mH时2个逆变器的输出电流。图6为均流电抗器参数为4 mH时2个逆变器的输出电流。图7为2个逆变器的均流电抗器的参数分别为4 mH和2mH时对应的输出电流波形。

通过图的对比，可以看出：均流电抗器的电感越大时，2台逆变器之间的环流抑制效果越好，但同时也会降低逆变器的有效输出电压。2个逆变器的均流电感有差异时，会导致更大的环流产生，因此，对于多个逆变器并联的环流控制，尽量选择参数一致的均流电感，以减小外部因素引起的环流问题。

5 总结

本文建立了基于开关函数的并联逆变器的等效电路，通过分析等效电路，得出了系统产生环流的2个原因：并联逆变器的输出电压矢量的差异和输出阻抗的差异。

根据戴维南等效原理，得出逆变器并联系统的等效输出电路，推导等效电压和等效输出阻抗的表达式，从电机负载角度，任意多个并联逆变器可以简化为单个逆变器，从而可以简化整个控制系统的设计。特别提出了基于环流反馈的2种均流方法，为逆变器并联控制方案打下良好的基础。

[1] 吴旭升, 马伟明. 直流混合供电的多相电机数学模型的分析与研究[J]. 中小型电机, 2001, 28(1): 7-12．

[2] 卓放，周新，李可等．模块化PWM主电路实现的大容量有源电力滤波器．电力系统自动化，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] 于飞．多相永磁同步电动机控制与调速的仿真研究[D]. 武汉：海军工程大学， 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

黄允灿(1989-),男，助理工程师。研究方向：电机工程。