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【摘要】：與傳統(tǒng)無(wú)源濾波和多脈沖整流技術(shù)相比,脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)整流可實(shí)現(xiàn)輸入電流和輸出電壓的閉環(huán)控制,代表了高性能交直流變換器的發(fā)展方向。近年來(lái),PWM整流技術(shù)有了很大進(jìn)展,己得到廣泛的應(yīng)用。本文主要結(jié)合航空大功率整流技術(shù)要求,對(duì)單周期控制的VIENNA整流器進(jìn)行研究,重點(diǎn)研究了VIENNA整流器的設(shè)計(jì)方法、輸入電流諧波含量減小、系統(tǒng)特性與控制等方面的問(wèn)題。 論文研究了基于效率優(yōu)化的VIENNA整流器設(shè)計(jì)方法。首先基于IGBT的工作機(jī)理,建立了新的開(kāi)關(guān)管模型,模型反映了導(dǎo)通電流對(duì)開(kāi)關(guān)暫態(tài)和續(xù)流二極管反向恢復(fù)過(guò)程的影響,更加準(zhǔn)確;考慮開(kāi)關(guān)管、濾波電感、續(xù)流二極管和整流橋等的損耗建立了VIENNA整流器完整的損耗模型,并采用Simulink/Stateflow工具箱完成損耗分析的數(shù)值計(jì)算,提高計(jì)算精度;利用測(cè)試電路和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了開(kāi)關(guān)模型和系統(tǒng)損耗模型的準(zhǔn)確性,以及損耗分析方法的有效性,建立的損耗模型可用于分析VIENNA整流器在不同開(kāi)關(guān)頻率下的效率;最后結(jié)合額定功率為4kW的VIENNA整流器樣機(jī),利用驗(yàn)證過(guò)的系統(tǒng)損耗模型,給出了以效率優(yōu)化為目標(biāo)確定整流器開(kāi)關(guān)頻率的設(shè)計(jì)實(shí)例。基于效率優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法為確定航空用VIENNA整流器的電路參數(shù)提供了依據(jù)。 研究了降低單周期控制VIENNA整流器的輸入電流諧波含量的措施。首先分析單邊調(diào)制下單周期控制VIENNA整流器平均輸入電流的頻譜,指出了單邊調(diào)制必然會(huì)導(dǎo)致整流器輸入電流出現(xiàn)奇次諧波;為減小輸入側(cè)的奇次諧波電流,提出將采用下降沿調(diào)制和上升沿調(diào)制的變換器進(jìn)行互補(bǔ)并聯(lián),以及采用雙邊調(diào)制的單周期控制VIENNA整流器;最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性,并證實(shí)了上述二種改進(jìn)方案在減小輸入電流奇次諧波含量方面的有效性。 研究了單周期控制VIENNA整流器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。首先分析指出現(xiàn)有系統(tǒng)模型的局限性,并建立新的系統(tǒng)大信號(hào)模型,該模型反映了濾波電感兩端的壓降,更加準(zhǔn)確,既適用于較高開(kāi)關(guān)頻率的應(yīng)用場(chǎng)合,也適用于開(kāi)關(guān)頻率與電源頻率之比比較小的場(chǎng)合;對(duì)模型進(jìn)行分析并揭示了變換器存在的基波相移問(wèn)題和功率極限問(wèn)題,推導(dǎo)了系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件,分別研究了以電流脈動(dòng)率和以基波相移量為設(shè)計(jì)依據(jù)的濾波電感取值方法;分析并揭示了單周期控制VIENNA整流器直流側(cè)濾波電容的自動(dòng)均壓特性,可減少控制系統(tǒng)中電壓采樣通道數(shù),并研究了電壓控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法;最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了理論分析的正確性和參數(shù)設(shè)計(jì)方法的有效性。 針對(duì)單電感濾波單周期控制VIENNA整流器存在的基波相移問(wèn)題提出了電流滯后相位補(bǔ)償方案,無(wú)需提高開(kāi)關(guān)頻率,無(wú)需降低濾波電感值,僅以滯后于電源電流的信號(hào)作為調(diào)制波即可減小基波相移量,提高系統(tǒng)的功率因數(shù);針對(duì)整流系統(tǒng)輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)差的問(wèn)題提出負(fù)載電流前饋控制方案,利用負(fù)載電流信息對(duì)控制器的輸出進(jìn)行快速補(bǔ)償,確保負(fù)載突變時(shí)輸出電壓的波動(dòng)范圍小;實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電流滯后相位補(bǔ)償方案和負(fù)載電流前饋控制方法的有效性。 為解決單電感濾波單周期控制的VIENNA整流器無(wú)法同時(shí)改善輸入電流畸變率(Total Harmonic Distortion, THD)和基波相移因數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)的問(wèn)題,提出以LCL濾波方案替換L濾波方案。分析了采樣網(wǎng)側(cè)、變換器側(cè)電感電流時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,確定了LCL濾波系統(tǒng)中的電流采樣方案,并提出新的LCL濾波器設(shè)計(jì)方法,最后進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。按照新的設(shè)計(jì)方法,可首先選定系統(tǒng)的諧振頻率,再完成濾波器的設(shè)計(jì),有效減小了系統(tǒng)諧振,提高輸入電流品質(zhì);濾波器的設(shè)計(jì)不僅保證輸入電流滿足預(yù)定的THD指標(biāo),還兼顧降低濾波電路的損耗,實(shí)現(xiàn)了電路參數(shù)的綜合配置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,采用本文設(shè)計(jì)方法有效避免了系統(tǒng)諧振,獲得了預(yù)期的濾波效果,相較L濾波方案,同等負(fù)載和開(kāi)關(guān)頻率下,采用LCL濾波方案既減小了輸入電流THD,又減小了基波相移量,還顯著降低了總的濾波電感值。
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類(lèi)號(hào)】：TM461
【目錄】： 摘要4-6
Abstract6-11
圖表清單11-15
注釋表15-16
第一章 緒論16-34
1.1 航空領(lǐng)域應(yīng)用的三相整流器16-18
1.1.1 航空電源系統(tǒng)概述16-17
1.1.2 航空應(yīng)用三相整流器及其主要技術(shù)特征17-18
1.2 航空應(yīng)用三相整流器的主要技術(shù)方案18-26
1.2.1 無(wú)源濾波六脈沖整流器方案18
1.2.2 多脈沖整流器方案18-22
1.2.3 PWM整流器方案22-25
1.2.4 航空用三相整流器方案的對(duì)比分析25-26
1.3 VIENNA整流器26-31
1.3.1 基于載波調(diào)制的PWM整流器控制策略26-29
1.3.2 基于空間矢量調(diào)制的PWM整流器控制策略29-31
1.4 本文的研究方案31-32
1.5 本文主要內(nèi)容及本文意義32-34
1.5.1 本文主要內(nèi)容32-33
1.5.2 本文意義33-34
第二章 中頻輸入VIENNA整流器設(shè)計(jì)方法研究34-56
2.1 VIENNA整流器電路結(jié)構(gòu)及工作原理34-35
2.2 VIENNA整流器損耗模型的建立35-47
2.2.1 模型驗(yàn)證用VIENNA整流器功率電路設(shè)計(jì)35-38
2.2.2 變換器的損耗分析模型38-47
2.3 系統(tǒng)損耗的數(shù)值計(jì)算方法47-48
2.4 仿真與實(shí)驗(yàn)研究48-51
2.4.1 開(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程主要特征的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證48-49
2.4.2 開(kāi)關(guān)模型的驗(yàn)證49-50
2.4.3 損耗模型的驗(yàn)證50-51
2.5 基于效率優(yōu)化的開(kāi)關(guān)頻率及濾波電感綜合設(shè)計(jì)方案51-55
2.5.1 不同開(kāi)關(guān)頻率下濾波電感的設(shè)計(jì)52-53
2.5.2 不同開(kāi)關(guān)頻率下的系統(tǒng)損耗分析及開(kāi)關(guān)頻率的確定53-55
2.6 本章小結(jié)55-56
第三章 單周期控制的脈寬調(diào)制方式研究56-73
3.1 單周期控制VIENNA整流器的工作原理56-59
3.2 單周期控制的脈寬調(diào)制方式研究59-68
3.2.1 單邊調(diào)制方式60-67
3.2.2 雙邊調(diào)制方式67-68
3.3 實(shí)驗(yàn)研究68-72
3.3.1 下降沿調(diào)制方案68-69
3.3.2 升沿調(diào)制方案69-70
3.3.3 補(bǔ)并聯(lián)方案70-71
3.3.4 雙邊調(diào)制方案71-72
3.4 本章小結(jié)72-73
第四章 單周期控制VIENNA整流器系統(tǒng)特性分析73-95
4.1 單周期控制的VIENNA整流器建模73-80
4.1.1 交流側(cè)大信號(hào)模型73-78
4.1.2 小信號(hào)模型78-80
4.2 系統(tǒng)特性分析80-84
4.2.1 基波相移問(wèn)題80-81
4.2.2 功率極限問(wèn)題81-82
4.2.3 穩(wěn)定性82-84
4.3 變換器參數(shù)設(shè)計(jì)84-90
4.3.1 濾波電感值的選定84-85
4.3.2 電壓控制器的設(shè)計(jì)85-90
4.4 仿真與實(shí)驗(yàn)研究90-94
4.4.1 交流側(cè)等效電路模型的驗(yàn)證90
4.4.2 基波相移問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證90-91
4.4.3 功率極限問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證91-92
4.4.4 等輸入功率現(xiàn)象的驗(yàn)證92-93
4.4.5 穩(wěn)定工作區(qū)的仿真驗(yàn)證93
4.4.6 輸出電壓控制及均壓實(shí)驗(yàn)93-94
4.5 本章小結(jié)94-95
第五章 基波電流滯后相位補(bǔ)償及負(fù)載電流前饋控制研究95-112
5.1 基波電流滯后相位補(bǔ)償方案95-104
5.1.1 電流滯后相位補(bǔ)償方案的提出95-96
5.1.2 三種補(bǔ)償狀態(tài)96-98
5.1.3 補(bǔ)償方案的實(shí)現(xiàn)98-100
5.1.4 補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)實(shí)例100-101
5.1.5 仿真研究101-102
5.1.6 實(shí)驗(yàn)研究102-104
5.2 負(fù)載電流前饋控制方案104-111
5.2.1 負(fù)載電流前饋控制方案的提出104-105
5.2.2 負(fù)載電流前饋控制模型的建立105-106
5.2.3 仿真研究106-109
5.2.4 實(shí)驗(yàn)研究109-111
5.3 本章小結(jié)111-112
第六章 采用LCL濾波方案的單周期控制VIENNA整流器112-133
6.1 LCL濾波方案的提出112-115
6.1.1 單電感濾波方案存在的問(wèn)題112-114
6.1.2 LCL濾波方案的提出及需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題114-115
6.2 采用LCL濾波的單周期控制VIENNA整流器115-131
6.2.1 電流采樣點(diǎn)的確定115-117
6.2.2 LCL濾波器設(shè)計(jì)方法117-120
6.2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)濾波器電路參數(shù)及濾波性能的影響分析120-127
6.2.4 LCL濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例127-128
6.2.5 仿真及實(shí)驗(yàn)研究128-131
6.3 本章小結(jié)131-133
第七章 全文總結(jié)與展望133-137
7.1 本文主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)133-135
7.1.1 本文主要工作133-134
7.1.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)134-135
7.2 存在的問(wèn)題及后續(xù)研究工作展望135-137
參考文獻(xiàn)137-145
致謝145-146
在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文146-147
附錄Ⅰ 變量及參數(shù)匯總147-149
附錄Ⅱ 滯后相位角與θ的關(guān)系149
