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基于Z源的煤矿局部通风机应急电源的仿真研究

作者: 发布时间:2020-01-21 08:53:13 阅读: 43 次

摘要:针对传统的电压源/电流源逆变器的一些不足之处,出现了一种新型的逆变器—Z源逆变器,它解决了传统逆变器的不足。本文主要介绍了在局部通风机的应急电源中采用Z源逆变器的可行性及其优点,并进行了仿真验证。

关键词:直通占空比;Z源逆变器;SVPWM

1  引言

由于煤矿井下局部通风机的电压等级为交流660V,而现在市场上大部分的应急电源输出电压多为220V/380V,无法直接给局部通风机提供应急电源。而基于煤矿井下较为恶略的生产环境,井下UPS蓄电池的电压等级过高存在安全隐患,所以蓄电池的电压应低于300V。所以需要设计一个应急电源,直流侧蓄电池的电压等级不能高于300V,且要得到输出为660V的交流电,在煤矿突然停电时为局部通风机提供应急电源,保证其正常工作。而这个设计的核心就是应急电源逆变器的设计,解决了它其他的问题也就迎刃而解。

将直流电压/电流变换成三相交流电压/电流的三相逆变器是最为常见的功率变换器之一。而当今的功率逆变技术主要是基于两种传统的逆变器拓扑结构:即电压源型逆变器和电流源型逆变器。但是由于传统的电压源型和电流源型逆变器都有其固有的局限性,因此限制了它们在很多场合的应用。所以一种新型的逆变器-Z源逆变器就应运而生了。Z源逆变器的出现,克服传统逆变器的诸多不足,提出了一种新的功率变换拓扑和理论。

2  Z源逆变器的结构及原理

   新型的Z源逆变器主要由3部分组成,分别是:直流电源、Z源网络、逆变模块。在直通时间里开关管Q7处于关断状态,在非直通时间Q7处于开通状态,从而保证逆变器始终运行再正常工作状态。

 图片1.png

                          1 三相Z源逆变器的拓扑图

   我们根据Z源逆变器的上下桥臂是否同时导通,将其分为两种基本工作状态。分别是:

2.1直通工作状态

此时逆变器上下桥臂同时导通。这种状态在传统的逆变器中是不允许出现的,会导致开关管损坏。但是Z源逆变器由于其电容上的电压不能突变、电感中的电流不能突变,从而能够确保开关管不会损毁。假设逆变器一个开关周期为T,其直通时间TD=DTD为直通占空比),由等效电路得:

Uc1= Uc2 = Uc    UL1= UL2= UL

2.2非直通工作状态

 UL= U0-Uc    Ui= UC-U0

Z源逆变器工作在稳定状态时,再一个开关周期TZ源网络的电感L不消耗能量,即:∫ULdt=0

由于逆变桥工作在这两种状态下,直通状态逆变桥直流侧电压为0,非直通状态下直流侧峰值电压为Vi

Vi=Uc-UL=2UC-U0=1/(1-2D)}U0=BU0

Z源逆变器的升压因子就是B。从上面的推导我们可以看出,通过设置Z源逆变器的直通占空比DD0.5),可以在逆变桥直流侧得到任意倍数的升压。所以逆变器输出的线电压的峰值为:

Uac=2/√3mVi=2/√3mBU0

0m2/√3(基本空间电压矢量的幅值为单位1

B=1/(1-2D

从上面的分析我们可以得到以下结论:Z源逆变器的输出电压可以随意升高或降低,不需要添加额外的中间升压电路,提高电路的效率同时也节省了成本;同时逆变器也可以承受瞬时短路,提高了系统的可靠性。

3  Z源逆变器的SVPWM原理及仿真

   图片2.png

    2 空间矢量及合成          图片3.png  图3 SVPWM在一个开关周期控制信号    

SVPWM技术是指利用逆变器的6个开关管开通/关断,从而形成了8种电压空间矢量,然后我们用这8种空间电压矢量来逼近所需要的电压。空间电压矢量分区及合成如图2

SVPWM控制技术中用直通零矢量全部替代或者部分替代V0V7矢量,即为Z源逆变器的SVPWM技术,图3所示就是Z源逆变器SVPWM在一个开关周期内的控制信号, t0为直通零矢量的作用时间,大小可以由逆变器的升压因子B得到。在逆变器的一个开关周期里,我们把直通零矢量平分为6份,每份为t06.通过控制插入直通状态的时间长短,就可以调整Z源逆变器升压因子B的大小,从而得到符合需要的交流侧输出电压。

     5SVPWM及控制信号S7的仿真模型。产生的SVPWM信号及S7的控制信号如图4.

 图片4.png

4                      5 三相Z源逆变器的SVPWM仿真模型

4 三相Z源逆变器仿真及结果

   我们利用matlab中的simulink工具箱构建了局部通风机应急电源的Z源逆变器的SVPWM仿真模型,如图5所示。仿真参数见表1.根据参数计算出直通零矢量时间和有效矢量的作用时间,利用matlab生成如图4所示的SVPWMQ7的控制信号,把这一控制信号加在Z源逆变器上,得到了图6所示的仿真结果。

 

参数

直流电压源 U0=300V

Z源阻抗网络 L1= L2 =1mH     C1= C2 = 1mF

直通占空比 D=0.35

开关周期 T=1/(10KHz

参考电压幅值 m=0.8

负载 R=10欧,L=5mH

参数

直流电压源

U0=300V

Z源阻抗网络

L1= L2 =1mH     C1= C2 = 1mF

直通占空比

D=0.35

开关周期

T=1/(10KHz)

参考电压幅值

m=0.8

负载

R=10欧,L=5mH

1 Z源逆变器系统的仿真参数

 图片5.png

6   电压Uac输出波形

6所示为线电压Uac的输出波形,输出频率为50HZ,线电压有效值为655V的三相交流电,符合局部通风机的额定电压要求。为输入直流电压的2.18倍,因此此Z源逆变器可以满足本设计的需要。

4 结束语

   Z源逆变器于有着效率高,结构简单,允许输入电压有较大的变化等优点,适应煤矿井下较为特殊的环境。利用matlab仿真软件构建了局部通风机Z源逆变器的仿真模型,并进行了仿真,得到了预期结果。当然,对于其中存在的一些不足之处,还有待日后生产实践中发现问题,进行改进。

参考文献:

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[2]李庭远,郑建勇,张先飞.Z源逆变器中SVPWM技术实现的研究[J].通信电源技术,20099):28.

[3]黄俊,王兆安.电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社,1999

[4]张超华.新型Z源逆变器的研究[ D].南京:南京航空航天大学,20091.

[5]刘红钊,黄义定,吕晓东.基于MatlabSVPWM变频器的仿真研究[J]2009(8)

[6]周志健. 基于DSP Z 源逆变器控制与设计[ D] . 合肥: 合肥工业大学, 2007: 3-4.

[7]王晶晶, 徐国卿, 徐铁柱. 基于DSP 高速信号处理器的空间电压矢量PWM 技术的研究与实现[ J] . 电力系统及其自动化学报, 2002, 14( 6) : 27.