CN103546045B - 一种三相不控整流装置直流电容容值计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种三相不控整流装置直流电容容值计算方法，通过充电阶段和放电阶段的各个电压值、电容值交替计算，最终通过第n次放电电压和直流电容放电结束后的电压V_dc的比较和判断来确定得到直流电容C的容值；本发明依据允许的电压波动幅值，通过一种有效的迭代方法快速精确的计算出电容的容值。避免了传统方法通过估算或工程理论来选择电容容值的不足，有效的节约装置器件的成本，提高装置的运行性能和寿命。

Description

一种三相不控整流装置直流电容容值计算方法

技术领域

本发明属于电力电子应用技术领域，尤其涉及一种三相不控整流装置直流电容容值计算方法。

背景技术

电容滤波的三相不控整流装置大量应用于交-直-交变频器、不间断电源（UPS）、开关电源等应用场合中，主要应用在轨道交通、冶金、矿山、通信，电力，金融，石油，军事等各个领域中。直流电容的容值选择尤其重要，选择电容容值过大则提高装置成本与体积，选择容值过小则直流电压波动较大，影响装置的工作性能。直流电容的选择是大功率三相不控整流功率电路设计中的一个重要环节，选择的是否合适将直接影响系统的特性及安全性。

但是传统选择三相不控整流装置的直流电容的方法一般都采用人工估计，或估计试验，并没有一种简单易行的可求得三相不控整流装置直流电容容值的精确的确定方法，所以常常造成直流电容取值过大则提高装置成本，增大装置体积；直流电容取值过小则降低直流电压波形质量，影响整个系统的性能与稳定性。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出一种三相不控整流装置直流电容容值计算方法，可以精确地得到直流电容的容值，选择容值合适的直流电容用于三相不控整流装置系统，从而可以提高三相不控整流装置系统的可靠性与性能。

本发明采用的技术方案是：

一种三相不控整流装置直流电容容值计算方法，其特征在于：三相不控整流装置在工作中分为两个阶段：第一阶段为充电阶段，即电源通过二极管向负载R_L及直流电容C供电；第二阶段为放电阶段，即由直流电容C独立向负载R_L供电；

在这两个阶段中，充电阶段结束变为放电阶段的转换时刻为t₂，放电阶段结束时刻为t₄，经过n（）次充放电后，计算第n次的直流电容值为，其中：为第n-1次计算得到的电容值，s为电容容值变化方向函数，Δ为电容值步长Δ=；

通过直流电容放电的起始电压计算得到第n次t₄时刻的放电电压值，这里：

若，则；若，则；若，则结束计算，直流电容；

若，；若，，（d是电容值步长衰减因子，为大于1的整数，d越大步长衰减越快），；若，为要求的误差，则计算结束，得到直流电容容值：，为第n+1次计算得到的电容值，计算的精度即为；

其中，V₀为电容独立向负载供电时的起始电压，V_m为电源线电压的峰值，V_dc为直流电容放电结束后的电压，ω为电源角频率，e为自然指数。

在进行第一次充电阶段时，即起始时间0到第一个t₂时刻时，直流电容C具有初始容值，，k为初值直流电容值位置因子，k越大放电起始电压越接近，反之越接近。

那么第一次放电阶段的t₄时刻对应的电压值等于的时刻，相位值，那么当直流电容容值为时，可以计算得到t₄时刻的放电电压值；第二次计算直流电容容值，为初始电容值步长，（j是电容值步长起始因子，为大于1的整数，j越大起始步长越小），若，则，若，则，若，则结束计算，。

本发明的有益效果如下：

本发明提出的计算方法弥补了三相不控整流装置直流电容没有简单易行、精确的计算方法的空白，改善了以往只能根据经验进行取值或通过仿真软件甚至实验来试值的缺陷；本发明依据允许的电压波动幅值便可通过一种有效的迭代方法快速精确的计算出电容的容值，避免了传统的通过估计来选择电容容值的不足，有效的节约装置器件的成本，提高装置的运行性能，且计算效率非常高，准确精度高。

附图说明

图1是本发明适用的三相不控整流装置主电路的拓扑结构图

图2是本发明适用的三相不控整流装置的直流电压波形图

图3是本发明迭代计算的示意图

附图中的标记如下：

C—直流电容；R_L—负载；i_a—电源A相交流电流；VD₁-VD₆—6个整流功率二极管；i_s—整流输出电流；i_dc—负载电流；i_C—直流电容电流；u_d—直流电容电压；

V_m—电源线电压峰值；V₀—电容独立向负载供电时的起始电压；V_dc—直流电容放电结束后电压；V_{dc_min}—直流电压极限最低值；ω—电源角频率；t₁—直流电压为V_m时的时刻；t₂—电容独立向负载供电开始时刻；t₃—两个余弦波头相交时刻；t₄—直流电容放电结束时刻；C₁—直流电容以C₁值放电曲线；C₂—直流电容以C₂值放电曲线；C_n—直流电容以C_n值放电曲线。

具体实施方式

如图1所示，三相不控整流装置为传统结构，由直流电容C、负载R_L、6个整流功率二极管VD₁-VD₆组成，其中i_a为电源A相交流电流，i_s为整流输出电流；i_dc为负载。电流；i_C为直流电容电流；u_d为直流电容电压。

该装置的直流侧均需采用直流电容进行滤波，否则直流电压的波动幅度将达到13.4%，这将严重影响三相不控整流装置后级电路的性能。

如图2所示，三相不控整流装置运行时直流侧电压波形，图中两个余弦波头为电源线电压，为了进行简洁清晰的说明，只画出两个余弦波头。从起始时间0到t₂时刻电源通过二极管向负载及直流电容供电，此时i_s>0；t₂到t₄时刻由直流电容独立向负载供电，t2时刻余弦波头电压下降的速度（斜率）与直流电容独立向负载放电的电压下降速度（斜率）相等。为保证直流电容能够对直流电压起到滤波效果，t₂必然小于t₃。假如t₂时刻与t₃时刻重合，那么t₂、t₃、t₄时刻归于一点，对应的直流电压值为，电容值为，若保证直流电容能够对直流电压起到滤波效果则有：，。

在计算直流C容值之前，电源线电压的峰值V_m、电源角频率ω、直流电容放电后的电压为已知数值，直流电容C独立向负载供电时的起始电压V₀与直流电容C容值正相关，直流电容的放电方程为，放电速度与C容值负相关，迭代计算第一次需要设设定C容值的初始值，C初始值需满足，于是设想在V_{dc_min}与V_m之间余弦波头上一处的电压为直流电容独立向负载放电的起始电压，又因为直流电容放电后的电压为已知，直流电容放电起始的电压值必然大于放电结束后的电压，且，为了缩小C值的范围，将直流电容独立向负载放电的起始电压V₁设在V_dc与V_m之间第一个余弦波头上。

于是可得到具体的迭代计算过程如下：

计算初始容值，，k取值不同V₁的位置不同，k越接近1，则V₁越接近V_m，反之V₁越接近V_dc。不同的功率级别需要直流电容容值不同，k值亦不同；

直流电容取得初始值后，便可计算放电结束后电压值。t₄时刻相位值，那么当直流电容容值为时，可以计算得到t₄时刻放电结束后的电压值；

第二次计算需要以电容计算步长改变直流电容容值，即，为初始电容值步长，不同功率级别的装置需要的容值不同，自然初始步长值也不同，为了提高计算方法的适应性，取，。s为电容容值变化方向函数，若，则，若，则，若，则结束计算，。

在第n次（）计算，直流电容值为，直流电容放电起始电压需要以当前的直流电容容值为条件来计算，，然后可以计算得到t₄时刻的电压值。同样，需要判断值的大小，若，则，若，则，若，则结束计算，。此时还需要判断是否需要改变直流电容步长值，判断条件为：连续两次计算均大于或连续两次计算均小于于，则步长不变；否则需要减小步长。即：若，则；若，则，。更新下一次计算的直流电容值为：。此时判断直流电容容值是否达到要求的精度，若（为要求的误差），则计算结束，得到直流电容容值：，计算的精度即为。

根据工程设计做出了如下实例：

电源线电压380V，频率50Hz，则V_m=537.32V，角频率ω=314.16，要求直流电压波动5%，即直流电容放电结束电压V_dc=510.45V，以本发明的计算方法进行计算，计算过程及结果可见表1。从表1可以看出，仅需6次迭代计算误差就已经小于1%，经11次迭代计算后误差小于0.1%，可见计算效率非常高。

表1

Claims (3)

1.一种三相不控整流装置直流电容容值计算方法，其特征在于：三相不控整流装置在工作中分为两个阶段：第一阶段为充电阶段，即电源通过二极管向负载R_L及直流电容C供电；第二阶段为放电阶段，即由直流电容C独立向负载R_L供电；

在这两个阶段中，充电阶段结束变为放电阶段的转换时刻为t₂，放电阶段结束时刻为t₄，经过n次充放电后，计算第n次的直流电容容值为C_n＝C_n-1+s·ΔC_n-1，其中：C_n—1为第n-1次计算得到的直流电容容值，s为直流电容容值变化方向函数，ΔC_n—1为直流电容容值步长，其中，n为整数，n≥2，j是直流电容值步长起始因子，j为大于1的整数，j越大起始步长越小；

通过直流电容放电的起始电压计算得到第n次t₄时刻的放电电压值 $V_{t_4\_n}=cos\left(arctan\right(\frac{1}{{\mathrm{\ωR}}_L{C}_n}\left)\right)\·e^{-\frac{\mathrm{\ω}(t_4-t_2)}{{\mathrm{\ωR}}_L{C}_n}},$ 这里：

若则s＝-1；若则s＝1；若则结束计算，直流电容容值C＝C_n；

若 $(V_{t_4\_n}-V_{dc})\&CenterDot;(V_{t_4\_n-1}-V_{dc})>0,$ ΔC_n＝ΔC_n-1；若 $(V_{t_4\_n}-V_{dc})\&CenterDot;(V_{t_4\_n-1}-V_{dc})<0,$ d＞1，其中d是直流电容容值步长衰减因子且为大于1的整数，d越大步长衰减越快，C_n+1＝C_n+s·ΔC_n；若ε为要求的误差，则计算结束，得到直流电容容值：C＝C_n+1，C_n+1为第n+1次计算得到的直流电容容值，计算的精度即为ε；

其中，V₀为电容独立向负载供电时的起始电压，V_dc为直流电容放电结束后的电压，ω为电源角频率，e为自然指数。

2.根据权利要求1所述的一种三相不控整流装置直流电容容值计算方法，其特征在于：在进行第一次充电阶段时，从起始时间0到第一个t₂时刻时，直流电容C具有初始容值k＞1，其中V_m为电源线电压的峰值，k为初始直流电容容值位置因子，k越大放电起始电压越接近V_dc，反之越接近V_m。

3.根据权利要求2所述的一种三相不控整流装置直流电容容值计算方法，其特征在于：在第一次放电阶段的t₄时刻对应的电压值等于V_dc的时刻，相位值其中t₃为两个余弦波头相交时刻；那么，当直流电容容值为C₁时，计算得到t₄时刻的放电电压值第二次计算直流电容容值C₂＝C₁+s·ΔC₁，ΔC₁为初始电容值步长j越大起始步长越小，若则s＝-1，若则s＝1，若则结束计算，C＝C₁。