梁哲兴 ，何 艳



船用逆变电源的设计及试验研究

梁哲兴1，何 艳2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 空军预警学院，武汉430019）

针对船用逆变电源宽范围直流输入电压和抗负载冲击的要求，搭建Matlab仿真平台进行主回路参数设计，并进行试验验证。试验结果表明，该逆变电源可以在宽范围输入电压内均输出额定功率，并满足系统所提的抗冲击能力要求。

逆变电源 宽范围输入电压 抗负载冲击

0 引言

某型船舶电力分系统在特定条件下由蓄电池提供唯一动力源，而分系统各设备供电需要交流电源，这就要求设计逆变电源将蓄电池供给的直流电转化为恒定的交流电输出给负载供电。

蓄电池往往是由多块电池通过电路串并联构成特定的蓄电池组，其特点是：蓄电池在给设备供电过程中一直处于放电状态，充满电的蓄电池组端电压与放完电的蓄电池组端电压有一定的差异。本电池组供电电压为288～438V DC，电压范围比较宽，根据系统要求，在该供电电压范围内均能输出额定功率。

本文通过采用成熟的“逆变模块+正弦波滤波+升压输出”电路设计方案，在一定程度上提高了设备工作的可靠度。同时采用分柜体模块化结构设计方案，提高了设备的可维修性。

1工作原理及设备构成

1.1 工作原理

逆变电源主回路原理示意图如图1所示。

由端子L1和L2作为直流288～438 V输入，经过KM1接触器与逆变单元构成的回路进行预充电，预充电完成后KM1接触器断开，KM2接触器闭合，经过逆变单元将直流288～438 V输入逆变为三相PWM波输出。三相PWM波含有丰富的高次谐波，经过滤波单元将谐波含量控制在一定范围内。再经过升压输出单元，输出三相390 V/50 Hz正弦波，供给船舶上相关负载使用。

1.2 设备构成

逆变电源采用分柜体结构设计方案，逆变单元、滤波单元、升压输出单元单独成柜，再并柜安装在公共底座上。

逆变电源由逆变柜、滤波柜和输出柜组成。

2 主要参数仿真计算

根据图1，搭建稳态时仿真模型[1]，如图2所示。

逆变电源输入条件：288～438V DC，输出条件：电压三相390 V/50 Hz，额定功率30 kW，功率因数0.8（滞后）。

为满足宽范围内均能输出390 V/50 Hz电压和30 kW额定功率，必须确保在任一工况下输入电压变化时逆变单元输出电压保持恒定。根据输入电压值，通过调节逆变单元的PWM占空比，使逆变单元输出电压保持恒定。在输出功率一定的情况下，当输入电压最小时，逆变单元PWM输出的占空比最大，输入电流也最大。本文中所作的仿真是按照最低输入电压额定功率输出工况进行的。

设置仿真参数如下：输入电压288 V，PWM开关频率3 kHz，占空比0.94，滤波电感0.4 mH，滤波电容3.2 mF，三相升压变压器容量50 kVA，变比160/430，负载为3 mΩ电阻与7mH电感串联构成的三相阻感负载。仿真结果如图3和图4所示。

由图3和图4中升压变压器输出的线电压和相电流有效值波形，可以得出升压变压器输出的线电压为390 V，输出相电流为61 A。

根据输出功率与电压、电流的关系：

式(1)中，代表输出功率，代表输出线电压，代表输出相电流，代表输出功率因数。

根据式(1)，代入=390V，=61A，=0.8，可计算出输出功率为33kW，满足30 kW的额定功率及1.1倍过载要求。

3 试验验证

根据仿真参数设计，进行设备研制。针对设备需求，匹配电源和负载，搭建试验平台，电气示意图如图5所示。

通电进行试验，用示波器等仪器测量相关物理量，主要波形如图6～图8所示。说明：图6-图8中，波形1和3为示波器测量到的真实波形，波形2实际上不存在，为干扰波形。其中图6，波形1为额定工况运行时的直流母线电压波形，波形3为额定工况运行时的输出电流波形；图7，波形1为突加满负荷时输出电压波形，波形3为突加满负荷时输出电流波形；图8，波形1为突卸满负荷时输出电压波形，波形3为突卸满负荷时输出电流波形。由图6-图8可以看出，所设计的逆变电源输出电压可达到390V/50 Hz，输出电流可达61A，同时可承受满负荷的突加和突卸。试验验证结果与仿真结果保持一致，进一步说明逆变电源设计能满足需求。

4 结语

本文根据总体要求，设计主电路拓扑方案，借助于Matlab仿真平台进行参数设计，并搭建试验平台，对设计的逆变电源进行相关试验验证。

试验表明，理论计算仿真结果与试验验证结果一致，设计的逆变电源可以满足总体的需求。

[1] 徐德鸿 .电力电子系统建模及控制. 机械工业出版社, 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

梁哲兴(1982-)，男，高级工程师。研究方向：电力电子技术。