船用逆變電源的設計及試驗研究

梁哲興 ，何 艷

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船用逆變電源的設計及試驗研究

梁哲興1，何 艷2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 空軍預警學院，武漢430019）

針對船用逆變電源寬范圍直流輸入電壓和抗負載沖擊的要求，搭建Matlab仿真平臺進行主回路參數(shù)設計，并進行試驗驗證。試驗結果表明，該逆變電源可以在寬范圍輸入電壓內(nèi)均輸出額定功率，并滿足系統(tǒng)所提的抗沖擊能力要求。

逆變電源 寬范圍輸入電壓 抗負載沖擊

0 引言

某型船舶電力分系統(tǒng)在特定條件下由蓄電池提供唯一動力源，而分系統(tǒng)各設備供電需要交流電源，這就要求設計逆變電源將蓄電池供給的直流電轉(zhuǎn)化為恒定的交流電輸出給負載供電。

蓄電池往往是由多塊電池通過電路串并聯(lián)構成特定的蓄電池組，其特點是：蓄電池在給設備供電過程中一直處于放電狀態(tài)，充滿電的蓄電池組端電壓與放完電的蓄電池組端電壓有一定的差異。本電池組供電電壓為288～438V DC，電壓范圍比較寬，根據(jù)系統(tǒng)要求，在該供電電壓范圍內(nèi)均能輸出額定功率。

本文通過采用成熟的“逆變模塊+正弦波濾波+升壓輸出”電路設計方案，在一定程度上提高了設備工作的可靠度。同時采用分柜體模塊化結構設計方案，提高了設備的可維修性。

1工作原理及設備構成

1.1 工作原理

逆變電源主回路原理示意圖如圖1所示。

由端子L1和L2作為直流288～438 V輸入，經(jīng)過KM1接觸器與逆變單元構成的回路進行預充電，預充電完成后KM1接觸器斷開，KM2接觸器閉合，經(jīng)過逆變單元將直流288～438 V輸入逆變?yōu)槿郟WM波輸出。三相PWM波含有豐富的高次諧波，經(jīng)過濾波單元將諧波含量控制在一定范圍內(nèi)。再經(jīng)過升壓輸出單元，輸出三相390 V/50 Hz正弦波，供給船舶上相關負載使用。

1.2 設備構成

逆變電源采用分柜體結構設計方案，逆變單元、濾波單元、升壓輸出單元單獨成柜，再并柜安裝在公共底座上。

逆變電源由逆變柜、濾波柜和輸出柜組成。

2 主要參數(shù)仿真計算

根據(jù)圖1，搭建穩(wěn)態(tài)時仿真模型[1]，如圖2所示。

逆變電源輸入條件：288～438V DC，輸出條件：電壓三相390 V/50 Hz，額定功率30 kW，功率因數(shù)0.8（滯后）。

為滿足寬范圍內(nèi)均能輸出390 V/50 Hz電壓和30 kW額定功率，必須確保在任一工況下輸入電壓變化時逆變單元輸出電壓保持恒定。根據(jù)輸入電壓值，通過調(diào)節(jié)逆變單元的PWM占空比，使逆變單元輸出電壓保持恒定。在輸出功率一定的情況下，當輸入電壓最小時，逆變單元PWM輸出的占空比最大，輸入電流也最大。本文中所作的仿真是按照最低輸入電壓額定功率輸出工況進行的。

設置仿真參數(shù)如下：輸入電壓288 V，PWM開關頻率3 kHz，占空比0.94，濾波電感0.4 mH，濾波電容3.2 mF，三相升壓變壓器容量50 kVA，變比160/430，負載為3 mΩ電阻與7mH電感串聯(lián)構成的三相阻感負載。仿真結果如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4中升壓變壓器輸出的線電壓和相電流有效值波形，可以得出升壓變壓器輸出的線電壓為390 V，輸出相電流為61 A。

根據(jù)輸出功率與電壓、電流的關系：

式(1)中，代表輸出功率，代表輸出線電壓，代表輸出相電流，代表輸出功率因數(shù)。

根據(jù)式(1)，代入=390V，=61A，=0.8，可計算出輸出功率為33kW，滿足30 kW的額定功率及1.1倍過載要求。

3 試驗驗證

根據(jù)仿真參數(shù)設計，進行設備研制。針對設備需求，匹配電源和負載，搭建試驗平臺，電氣示意圖如圖5所示。

通電進行試驗，用示波器等儀器測量相關物理量，主要波形如圖6～圖8所示。說明：圖6-圖8中，波形1和3為示波器測量到的真實波形，波形2實際上不存在，為干擾波形。其中圖6，波形1為額定工況運行時的直流母線電壓波形，波形3為額定工況運行時的輸出電流波形；圖7，波形1為突加滿負荷時輸出電壓波形，波形3為突加滿負荷時輸出電流波形；圖8，波形1為突卸滿負荷時輸出電壓波形，波形3為突卸滿負荷時輸出電流波形。由圖6-圖8可以看出，所設計的逆變電源輸出電壓可達到390V/50 Hz，輸出電流可達61A，同時可承受滿負荷的突加和突卸。試驗驗證結果與仿真結果保持一致，進一步說明逆變電源設計能滿足需求。

4 結語

本文根據(jù)總體要求，設計主電路拓撲方案，借助于Matlab仿真平臺進行參數(shù)設計，并搭建試驗平臺，對設計的逆變電源進行相關試驗驗證。

試驗表明，理論計算仿真結果與試驗驗證結果一致，設計的逆變電源可以滿足總體的需求。

[1] 徐德鴻 .電力電子系統(tǒng)建模及控制. 機械工業(yè)出版社, 2005.

Design and Experiment Research of Marine Inverter

Liang Zhexing1, He Yan2

（1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Air Early Warning Academy, Wuhan 430019, China）

According to the demand of wide-range input DC voltage and anti-load impact for marine inverter, the matlab simulation platform is set up to verify the design parameters of the major loop. The test results indicate that the output rated power in wide-range input DC voltage can be achieved by the inverter, and anti-load impact demanded by system can be satisfied.

inverter; wide-range input DC voltage; anti-load impact

TM464

A

1003-4862（2016）03-0050-03

2014-11-09

梁哲興(1982-)，男，高級工程師。研究方向：電力電子技術。