潛艇典型高頻鏈逆變電源仿真研究

熊義勇，趙鏡紅

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

潛艇上只有一個(gè)基礎(chǔ)電源——蓄電池組直流幅壓電源，這種直流幅壓電源不可能直接滿足潛艇各類負(fù)載的要求，如潛艇在水下續(xù)航時(shí)，一般不開(kāi)啟柴油機(jī)等發(fā)電設(shè)備，只能采用電力變換裝置將其變換為各種所需要的電源。潛艇以前一直采用直流-交流變流機(jī)組這種裝置獲得交流電，然而，這種變電模式振動(dòng)噪聲大、設(shè)備體積重量大、轉(zhuǎn)換效率低等，不能滿足現(xiàn)代艦船要求[1]。靜止逆變電源具有電氣性能良好、高效節(jié)能、體積重量小等優(yōu)點(diǎn)[2]，其使用的DC-AC變換器采用的是工頻變壓器。該變換器因體積較大而逐步被具有高頻環(huán)的逆變器所取代[3]。

目前高頻鏈逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有：電流型高頻鏈逆變器結(jié)構(gòu)和電壓型高頻鏈逆變器結(jié)構(gòu) 2 種。電流型高頻鏈逆變器功率開(kāi)關(guān)電流應(yīng)力大，輸出電壓波形失真度小，適用于小功率場(chǎng)合，電壓型高頻鏈逆變器輸出功率大、電壓紋波小、效率高，適用于中大功率場(chǎng)合[4 - 6]。文獻(xiàn)[7]提出了一種新型的串聯(lián)諧振電流源模式隔離的高頻鏈DC/AC逆變器，給出了輸出電壓及諧振電流的實(shí)時(shí)控制方案和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)邏輯組合方式，并闡述了關(guān)鍵環(huán)節(jié)參數(shù)的確定原則。文獻(xiàn)[8]提出了一種新型電壓型高頻鏈逆變電源以及相應(yīng)的雙極性三電平控制策略。但是，高頻鏈逆變電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，將不可避免出現(xiàn)逆變電源某些性能的下降，從而影響高頻鏈逆變器投入實(shí)際應(yīng)用。因此，需要對(duì)高頻鏈逆變電源的輸入輸出端電壓、電流諧波性能、損耗、效率、頻率與整機(jī)體積等進(jìn)行研究，提高改善電能質(zhì)量。

本文介紹適用于潛艇的典型電壓型高頻鏈逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略并制定了系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)方案，通過(guò)Ansoft與Simplorer的聯(lián)合仿真方法對(duì)高頻鏈逆變電源變壓器電磁特性進(jìn)行仿真分析，對(duì)同一電壓、不同開(kāi)關(guān)頻率的變壓器勵(lì)磁電流特性進(jìn)行分析研究，為變壓器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)；分析高頻逆變電源的干線干擾及其抑制措施，同時(shí)對(duì)高頻鏈逆變電源系統(tǒng)進(jìn)行原理仿真，并給出仿真結(jié)果，從而驗(yàn)證了高頻鏈逆變電源方案的可行性。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、工作原理

高頻鏈逆變電源作為潛艇交流電網(wǎng)的主要供電設(shè)備，所需功率比較大，基于此，設(shè)計(jì)潛艇用典型高頻鏈逆變電源的主電路如圖1所示。該高頻鏈逆變電源前級(jí)采用全橋PWM斬波電路；為了保證輸出交流電壓穩(wěn)定且質(zhì)量較好，后級(jí)采用正弦脈寬調(diào)制；蓄電池輸入濾波用以抑制高頻開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的高頻信號(hào)對(duì)電網(wǎng)的干擾。針對(duì)電源的單向功率傳輸，采用具有直流中間環(huán)節(jié)的單向電壓型高頻鏈逆變器[9 - 10]。

圖1 高頻鏈逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of high frequency link inverter

潛艇蓄電池電壓為某一電壓等級(jí)的寬幅壓，同時(shí)逆變電源負(fù)載和工作環(huán)境比較復(fù)雜，對(duì)逆變電源控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力、動(dòng)靜態(tài)性能、穩(wěn)定性、可靠性等具有較高的要求，因此采用前級(jí)直流電壓反饋調(diào)節(jié)PWM占空比和后級(jí)輸出交流電壓電流反饋調(diào)節(jié)SPWM調(diào)制比的方式進(jìn)行控制。

高頻變壓器前后級(jí)均由 4 個(gè)功率開(kāi)關(guān)管器件組成，V1，V4（V5，V8）作為一組，V2，V3（V6，V7）作為一組，每組同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行信號(hào)控制。主電路輸入直流電壓經(jīng)PWM逆變器斬波成10 kHz的高頻脈沖方波，經(jīng)過(guò)中間高頻變壓器進(jìn)行電氣隔離和能量傳輸，再經(jīng)過(guò)全橋整流濾波輸出直流電壓到SPWM逆變器，經(jīng)濾波器輸出標(biāo)準(zhǔn)的50 Hz正弦波電壓。

考慮到潛艇對(duì)電網(wǎng)波形質(zhì)量的要求，采用前后兩級(jí)閉環(huán)控制系統(tǒng)的逆變電源。典型高頻鏈逆變電源控制電路[11 - 12]如圖 2 所示，控制電路采用 DSP2407，產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)和倍頻SPWM調(diào)制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)管。逆變電源采用前后兩級(jí)閉環(huán)控制方式，主電路整流濾波輸出側(cè)設(shè)置直流電壓傳感器，LC濾波輸出側(cè)設(shè)置電流傳感器和電壓傳感器，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)調(diào)理電路后反饋到TMS320F2407A DSP的控制電路，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖2 逆變電源總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure of inverter power supply

該系統(tǒng)方案的特點(diǎn)是：主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方式靈活，前后兩級(jí)閉環(huán)控制保證逆變電源性能優(yōu)良，可靠性高，整個(gè)裝置成本低廉[13]。

2 高頻鏈逆變電源系統(tǒng)仿真模型

Ansoft Maxwell是我國(guó)早期使用的計(jì)算電磁場(chǎng)有限元軟件，能利用矩陣準(zhǔn)確快捷地求解電磁場(chǎng)，具有操作簡(jiǎn)單、建模簡(jiǎn)便、計(jì)算快捷準(zhǔn)確、后處理功能強(qiáng)大的特點(diǎn)[14 - 15]。

利用Ansoft仿真軟件在二維瞬態(tài)場(chǎng)中建立變壓器幾何模型、設(shè)定材料屬性、指定邊界條件、網(wǎng)格剖分、設(shè)定求解選項(xiàng)，變壓器激勵(lì)源使用外置電路[16 - 18]。變壓器模型繞組匝數(shù)設(shè)置為10匝變比為1；變壓器所使用的鐵芯材料使用鐵基非晶合金材料，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.6 T，在Material選項(xiàng)中自定義廠家提供的B-H曲線參數(shù)，一、二次繞組均采用銅導(dǎo)線繞組使用Ansoft自帶的Copper材料；模型的網(wǎng)絡(luò)剖分大小對(duì)仿真結(jié)果的精確度有很大影響，文中各區(qū)域均分配1 mm。分析采用 Ansoft Maxwell 12 與 Simplorer 8 聯(lián)合仿真方式，仿真時(shí)間設(shè)為100 ms、求解時(shí)間為2 μs，場(chǎng)信息保存時(shí)間步長(zhǎng)為 1 ms（Ansoft與 Simplorer 的仿真時(shí)間同步），如圖3所示。

3 變壓器電磁特性仿真結(jié)果與分析

在變壓器體積、材料等參數(shù)都相等的條件下，針對(duì)某型潛艇電網(wǎng)，輸入175～320 V間不同幅壓的直流電壓E、改變PWM波的開(kāi)關(guān)頻率f，對(duì)變壓器的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm和鐵芯損耗PFe進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如表1所示。

圖3 高頻鏈逆變電源系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation model of high frequency link inverter power supply system

表1 不同電壓下變壓器的磁感應(yīng)強(qiáng)度和鐵芯損耗Tab.1 Magnetic flux density and core loss of transformer under different voltage

從表1的仿真結(jié)果分析得：

1）當(dāng)輸入電壓一定時(shí)，變壓器的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著頻率的減小而增大，且在工頻時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)入磁飽和狀態(tài)。

2）在工作磁感應(yīng)強(qiáng)度相同時(shí)，變壓器鐵芯損耗與工作頻率成正比；在相同頻率下，鐵芯損耗隨著工作磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增大。

3）在幅壓條件下，變壓器的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度要大于最大電壓的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度。

輸入相同一次電壓下改變開(kāi)關(guān)頻率，對(duì)變壓器的勵(lì)磁電流特性進(jìn)行分析和研究。輸入電壓E=320 V，開(kāi)關(guān)頻率f=10 kHz時(shí)的變壓器原邊電壓、原邊磁感應(yīng)強(qiáng)度波形、原邊勵(lì)磁電流波形分別如圖4、圖5和圖6所示，原邊電壓是頻率10 kHz的方波，波形質(zhì)量符合仿真輸入值；產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度是10 kHz的三角波，幅值是0.038 T；勵(lì)磁電流是與磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的三角波，波形理想。

圖4 f=10 kHz 時(shí)變壓器原邊電壓Fig.4 Primary voltage of transformer at f=10kHz

圖5 f=10 kHz 時(shí)的原邊磁感應(yīng)強(qiáng)度波形圖Fig.5 Waveforms of primary side magnetic induction intensity at f=10kHz

圖6 f=10 kHz 時(shí)的原邊勵(lì)磁電流波形圖Fig.6 Waveforms of primary excitation current at f=10kHz

圖7 f=50 Hz 時(shí)變壓器原邊電壓Fig.7 Primary voltage of transformer at f=50Hz

圖8 f=50 Hz 時(shí)的原邊磁感應(yīng)強(qiáng)度波形圖Fig.8 Waveforms of primary side magnetic induction intensity at f=50Hz

圖9 f=50 Hz 時(shí)的原邊勵(lì)磁電流波形圖Fig.9 Waveforms of primary excitation current at f=50Hz

輸入電壓保持320 V不變，開(kāi)關(guān)頻率為f=50 Hz時(shí)的變壓器原邊電壓、原邊磁感應(yīng)強(qiáng)度波形、原邊勵(lì)磁電流波形分別如圖7、圖8和圖9所示，原邊電壓是頻率50 Hz的方波，電壓波形發(fā)生畸變；產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度是50 Hz的變形的三角波，幅值是5.164 T，變壓器已經(jīng)工作在磁飽和狀態(tài)；勵(lì)磁電流因磁飽和而產(chǎn)生勵(lì)磁涌流現(xiàn)象。

通過(guò)以上分析可以得到：

1）當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率在10 kHz時(shí)，變壓器工作在線性飽和區(qū)內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度與勵(lì)磁電流變換成線性關(guān)系。

2）當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率在50 Hz時(shí)，變壓器的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)了鐵心的初始飽和值，變壓器發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流波形也發(fā)生了畸變，出現(xiàn)了高于穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流數(shù)倍的勵(lì)磁涌流。

3）相同容量的變壓器，頻率與工作磁感應(yīng)強(qiáng)度成反比。

圖10 未加 LC 濾波器時(shí)輸入電流Fig.10 Input current without adding LC filter

圖11 未加 LC 濾波器時(shí)輸入電流放大電路Fig.11 Input current amplifying circuit without adding LC filte

4 逆變電源系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文的單向電壓源高頻鏈逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性，需要在高頻鏈逆變電源系統(tǒng)模型中，輸入直流電壓 E 為 200 V，輸出電壓 Uo為 50 Hz 137 V 正弦交流電壓，載波頻率fc為10 kHz。

由于高頻鏈逆變電源的開(kāi)關(guān)管輸出端接高頻變壓器，將不可避免的會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流和尖峰電壓，對(duì)輸入端產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，甚至?xí)㈤_(kāi)關(guān)管燒毀。這一現(xiàn)象在對(duì)電磁兼容有極高要求的潛艇上不允許出現(xiàn)，因此有必要對(duì)高頻鏈逆變電源的電磁干擾做出有效抑制。

圖10是未加LC濾波器時(shí)直流干線電流，圖11是圖10的放大電路，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，輸入主干線上的電流值在開(kāi)始時(shí)存在脈沖震蕩，電流有效值小于10 A，但電流諧波脈沖幅值很大，高達(dá)105A，甚至在20 ms時(shí)達(dá)到2×105A，如此高的諧波電流是高頻鏈逆變電源無(wú)法承受的，不僅會(huì)燒毀電源設(shè)備，還會(huì)損毀輸入和輸出端設(shè)備。

圖12是加入LC濾波器時(shí)輸入電流，可以看到輸入端在LC濾波后電流諧波明顯較小，最大諧波脈沖集中在0～30 ms，之后電流僅存在幅值很小的諧波。

圖12 加入 LC 濾波器時(shí)輸入電流Fig.12 Input current when adding LC filter

對(duì)比圖10和圖12直流干線加入LC濾波器前后的電流值，可以證明直流輸入LC濾波器能有效濾除直流干線上的電流諧波，能有效抑制高頻信號(hào)干擾。

圖13是變壓器初級(jí)電壓仿真波形，圖14是變壓器次級(jí)電壓仿真波形，變壓器在高頻開(kāi)關(guān)作用下產(chǎn)生尖峰電壓，特別是在前 5 個(gè)周期產(chǎn)生的尖峰電壓脈沖較高，這也是直流輸入干線的信號(hào)干擾源之一，實(shí)際電路設(shè)計(jì)中需要對(duì)功率開(kāi)關(guān)管增加RC緩沖電路，這樣不僅能減小電路諧波，還能延長(zhǎng)功率開(kāi)關(guān)管使用壽命。

圖13 變壓器初級(jí)電壓仿真波形Fig.13 Simulation waveform of transformer primary voltage

圖14 變壓器次級(jí)電壓仿真波形Fig.14 Secondary voltage simulation waveform of transformer

圖15 是整流濾波輸出電壓，圖中所示電壓在經(jīng)過(guò)1個(gè)周期的調(diào)整后開(kāi)始趨于穩(wěn)定，電壓幅值在180～220 V之間震蕩，相對(duì)于要求的直流電壓存在一定差距，但并不影響逆變電源正常工作。

圖15 整流濾波輸出電壓Fig.15 Rectifier filter output voltage

圖16 是后級(jí)輸出SPWM波，由于受到輸入直流電壓值不穩(wěn)定的影響，輸出SPWM波頂部和底部存在波動(dòng)，波形質(zhì)量符合實(shí)驗(yàn)要求。

圖16 輸出 SPWM 波Fig.16 Output SPWM wave

圖17 是輸出電壓，電壓波形在經(jīng)過(guò) 2 個(gè)周期的調(diào)整后達(dá)到輸出137 V，50 Hz的穩(wěn)定正弦波的要求。

圖17 輸出電壓Fig.17 Output voltage waveform

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)典型高頻鏈逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并制定系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)方案，基于Ansoft仿真軟件建立變壓器模型，利用Simplorer搭建高頻鏈逆變電源系統(tǒng)仿真電路，使用Ansoft與Simplorer的聯(lián)合仿真方法分析原邊一次電壓為PWM波的情況下，高頻變壓器磁飽和時(shí)的電場(chǎng)分布、磁感應(yīng)強(qiáng)、勵(lì)磁電流、諧波、鐵芯損耗及飽和特性等，為高頻鏈逆變電源變壓器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)；分析高頻逆變電源對(duì)干線的干擾并驗(yàn)證了高頻逆變電源電路的合理性，為高頻鏈逆變電源應(yīng)用于潛艇上的電磁兼容問(wèn)題提供有效參考；同時(shí)對(duì)高頻鏈逆變電源系統(tǒng)進(jìn)行原理仿真，并給出仿真結(jié)果，從而驗(yàn)證了高頻鏈逆變電源方案的可行性。