基于Z源逆变器在局部通风机应急电源的仿真研究

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

中图分类号TM46 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）87-0075-02

0 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。

1 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。

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。

1.1 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=DT（D为直通占空比），由等效电路得：

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。

2 Z源逆变器的SVPWM原理及仿真

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。

在SVPWM控制技术中用直通零矢量全部替代或者部分替代V0和V7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t0/6。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。

图5为SVPWM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。

3 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SVPWM和Q7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。

图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 结论

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。

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