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《浙江大学》 2010年
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大容量400Hz中频逆变器拓扑和数字控制技术研究

刘春喜  
【摘要】:静止式中频电源供电系统已经成为各国海军新一代战舰中频供电的发展方向,研究并解决大容量中频逆变电源所需的关键技术是舰船供电安全、可靠、连续的保证。本文对300kVA级大容量400Hz/115V逆变器的拓扑和数字控制技术进行了深入研究,重点研究了以下几点内容:1)大容量400Hz/115V逆变器的拓扑研究和输出LC滤波器最优参数设计。2)数字控制延时产生机理、减小方法和对系统性能的影响;3)大容量400Hz/115V系统中考虑延时影响时的比例谐振控制设计。 由于输出电压低,因此大容量400Hz/115逆变器的输出电流大,若采用常规的电路结构,开关频率不宜过高;由于基波频率又高,因此系统带宽比较低,不利于系统响应速度和波形质量的提高。在对常用电路拓扑进行比较分析的基础上,选取了三个单相两单元H桥级联逆变组合拓扑作为主电路结构,该结构具有较高的等效开关频率,有利于系统带宽的提高;另外由于三相控制系统是相互独立的,因此带不平衡负载的能力很强。通过分析IGBT损耗对壳温和系统效率的影响,对该逆变器最高开关频率进行了估计。对两单元H桥级联逆变输出PWM波形的解析表达式进行了推导计算,得到了输出电压的边频带谐波分布规律和THD变化规律,用于设计最优的LC滤波器截止频率。然后,综合考虑输出电压单次谐波含量、输出电压THD、滤波电感上的基波压降、电感电流纹波等因素,给出了LC滤波器参数设计的具体方法,这一方法可推广用于其它相似结构的逆变系统,通过仿真和实验对该设计方法进行了验证。 分析PWM逆变器的数字控制延时产生机理,提出减小延时的PWM方法,分析延时对系统性能的影响。以H桥逆变器为例,研究了五种数字SPWM实现方法:对称规则采样SPWM、不对称规则采样SPWM、改进不对称规则采样SPWM、多次采样固定更新SPWM和多次采样立即更新SPWM,分析了每种方法引入的延时。分析表明后三种SPWM方法可以有效地减小延时,通过实验验证了理论分析。在两单元H级联逆变器基础上,分析了改进不对称规则采样SPWM方法对系统延时的影响,介绍了基于DSP和FPGA的改进不对称规则采样SPWM脉冲产生方法。然后,对延时环节的频域特性进行了分析,比较了1、2、3阶Pade近似对延时环节的逼近程度。通过分析可知,对于400Hz系统,采用二阶或三阶Pade近似比较合适。 在考虑数字控制延时的条件下,对不同开关频率下的大功率400Hz逆变器比例谐振控制进行了研究。通过在连续域设计中引入等效延时环节的方法,对控制参数进行了设计,并分析了数字控制延时对系统性能的影响。逆变器带线性负载时,采用比例谐振控制,在较低的开关频率下即可达到很好的稳态和瞬态性能;非线性负载时,在较高的开关频率下,可有效的补偿3、5、7次谐波,输出电压的THD仍然较大。通过采用输出电压前馈补偿,可以减小系统输出阻抗,在开关频率为6kHz和8kHz时,不但可以有效的补偿3、5、7次谐波,还可以使THD满足要求,同时系统还有很快的瞬态响应速度。系统采用三相结构时,在较强不平衡和非线性负载下,也具有很好的输出特性。 最后,以一个400Hz原理样机为例,对所提方法进行了实验研究。在考虑延时的情况下对样机的比例谐振控制参数进行了设计,并通过实验进行了验证,实验结果和理论分析基本一致。实验表明通过减小数字控制延时确实可以改善系统性能,同时也验证了在400Hz系统连续域设计中加入延时环节的设计方法的有效性。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM464

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