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基于極點配置的400 Hz 逆變電源系統設計

作者: 時間:2013-04-18 來源:網絡 收藏

0 引 言

本文引用地址:http://2s4d.com/article/175328.htm

當前400 Hz 電源廣泛應用于要求電源體積小、重量輕的場合, 例如飛機、船舶、通信等領域。較之工頻逆變電源系統, 400 Hz 電源系統的控制難度更大、可靠性要求更高。傳統的逆變電源, 由于系統阻尼太弱,導致系統的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性不是很理想, 大量文獻對這個問題做了深入研究, 多種控制方法也不斷被提出來。極點配置方法以其算法簡單、設計系統性能優(yōu)良的特點較好地解決了這個問題, 并得到廣泛應用。

文獻[ 2] 提出了一種基于重復控制和帶積分狀態(tài)反饋控制的逆變電源控制策略, 并以極點配置方法進行系統設計; 文獻[ 4] 針對已有逆變式切割電源的缺點, 利用基于極點配置的雙閉環(huán)控制, 分析設計了移相全橋零電壓開關變換器; 文獻[ 5]、[ 6] 關于400 Hz 逆變電源的控制特點進行了系統的說明。本文采用極點配置與PI 控制相結合的方法, 設計了一款10 kVA , 200V/ 400 Hz 的逆變電源系統。

1 系統建模

由于功率開關管的存在, 顯然逆變電源系統不是線性系統, 但針對一般的逆變電源, 開關頻率要遠大于基波頻率, 而且在進行系統分析時假設功率開關器件的開關過程是理想的, 因此可將逆變電源以線性系統的形式來分析。該部分將以狀態(tài)空間理論為基礎對400 Hz 逆變電源系統進行建模分析。

圖1 所示為電壓型單相全橋逆變電源主電路圖。

111.jpg

圖中VT1 ~ VT 4是4 個IGBT ( 反并聯二極管) , C 為濾波電容, L 為濾波電感, r 為綜合串聯電阻、死區(qū)效應、開關導通壓降等因素的綜合等效電阻, u1 為逆變橋輸出電壓, uo 為逆變電源輸出電壓( 電容電壓) , io 是負載電流, i1 是電感電流。系統設計過程中, 把電感電流i1 , 電容電壓uo 作為狀態(tài)變量, 并把負載電流i o 作為擾動輸入來處理。由狀態(tài)空間理論可得其狀態(tài)方程:

111-1.jpg

由自動控制原理可知, 系統在空載時的阻尼最弱、性能也不很理想, 故往往以空載的條件對逆變電源系統進行設計。如此可將式( 1) 所示的狀態(tài)方程簡化為如下形式:

111-2345.jpg

k1i, k1p為電壓外環(huán)的調節(jié)器參數; k2i, k2p為電流內環(huán)的調節(jié)器參數。

不難看出, 引入雙環(huán)反饋以后系統變?yōu)樗碾A系統,特征方程D ( s) 的4 個根即為系統的四個極點。根據極點配置原理, 便可以根據希望得到的動態(tài)特性指標按如下過程進行極點配置:

主導極點對系統性能的影響作用最大, 主導極點距虛軸近, 因此可將主導極點設置為一組共軛極點:

未命名.jpg

非主導極點對系統特性的影響非常的小, 距虛軸的距離至少是主導極點的5 倍以上, 故為方便計算取兩個非主導極點為: sr3 = sr4 = - n r r , 為使非主導極點對系統性能的影響盡量小, 非主導極點的實部絕對值應比主導極點實部絕對值大5 倍以上, 并且非主導極點對系統的影響隨時間的推移衰減迅速, 一般n 取5 ~ 10 即可, 這里取n= 10。

由以上選取希望值可得到的閉環(huán)系統特征方程為:

111-67.jpg
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