（电力电子与电力传动专业论文）3kva三相高频脉冲直流环节航空静止变流器.pdf

融京航空航天人学项十能论文 a b s t r a c t t h e c i r c m l l s t a l l c e ，t h e d e v e l o p m e n t a n dt h e a p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e o ft h e s i n g l e - p h a s ea n dt h r e e p h a s es t a t i ci n v e r t e ro n c i r c u i tc o n s t r u c t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y a r ed i s c u s s e di nt h i s p a p e r i t i s n e c e s s a r yf o rt h ea v i a t i o n s t a t i ci n v e r t e rw i t hh i g h f r e q u e n c yl i n k t o r e p l a c e t h ea v i a t i 0 1 1s t a t i ci n v e r t e rw i t hl o w f r e q u e n c yl i i 止i nt h e s i t u a t i o no fu s i n gm a s se l e c t r i ce n e r g yo rt h r e e - p h a s ef o u r w i r es y s t e m ，t h et h r e e - p h a s e s t a t i ci n v e r t e rm u s tb ea d o p t e d t h et h r e e - p h a s ea v i a t i o ns t a t i ci n v e r t e rw i t hh i g l lf r e q u e n c yp u l s ed cl i n ki sm a d e o ft h r e e i n d e p e n d e n ta v i a t i o ns t a t i c i n v e r t e r sa n dh a st h e a d v a n t a g e s s u c ha s s t r o n g f u n c t i o nw i t hu n b a l a n c e dl o a da n de a s yr e a l i z a t i o nf o rm o d u l e ac i r c u i tt o p o l o g yo ft h e i n v e r t e rw i t hd u t yc y c l ee x t e n d e da c t i v ec l a m pf o r w a r ds t y l eh i g hf r e q u e n c y p u l s ed cl i n k i s a d o p t e db ye a c hi n d e p e n d e n ti n v e r t e r e a c hi n v e r t e ri sc a s c a d e db yac i r c u i tw i md u t y c y c l ee x t e n d e da c t i v ec l a m pf o r w a r ds t y l eh i g hf r e q u e n c yp u l s ed el i n ka n dad c a c i n v e r t i n gb r i d g e t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fv o l t a g em o d ep w m f o r w a r d b a c ki sa d o p t e db y t h e f o r m e r , a n dt h e c o n t r o l s t r a t e g y o ft h r e e s t a t ed i s c r e t e p u l s em o d u l a t i o n ( d p m ) h y s t e r s i sc u r r e n ti sa d o p t e db y t h el a t e r t h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h ea v i a t i o ns t a t i ci n v e r t e r 、v i t hh i g hf r e q u e n c yp u l s ed c l i n ki sd i s c u s s e d ，a n dt h ed e s i g nc r i t e r i o n so f t h e k e y c i r c u i tp a r a m e t e r sl l r eg a i n e d a p r o t o t y p ef o r3 0 0 0 v a2 7 v d c 1 15 v 4 0 0 h z a c t h r e e - p h a s ea v i a t i o ns t a t i ci n v e r t e r w i t hh i g hf r e q u e n c yp u l s ed c “n ki s d e s i g n e da n ds u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h et e s t r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i sp r o t o t y p eh a se x c e l l e n tc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e ss u c ha s s m a l lb u l k ，l o w e rw e i g h t ，h i g he f f i c i e n c y , h i g hs t e a d yp r e c i s i o n ，f a s td y n a m i cr e s p o n s e ， w i d e r a n g ei n p u tv o l t a g e ，g o o do u t p u tw a v e f o r m s ，s t r o n go v e r - l o a da n ds h o r t c i r c u i ta b i l i t y , a n ds t r o n gf u n c t i o nw i t hd i f f e r e n tn a t u r el o a da n d t h r e e - p h a s eu n b a l a n c e d l o a d k e y w o r d s ：t h r e e p h a s e ，h i g hf r e q u e n c yl i n k ，a v i a t i o ns t a t i ci n v e r t e r d i s c r e t ep u l s em o d u l a t i o n 南京航空航天大学硕十学位论文 第一章绪论 本章主要论述了航空静止变流器电路结构及其控制技术的现状与发展，介绍了本 文的主要研究内容和研究意义。 1 i 单相航空静止变流器的现状与发展 航空静止变流器( a s i a v i a t i o ns t a t i ci n v e r t e r ) 是应用功率半导体器件，将 飞机主电源直流电2 7 v 或2 7 0 v d c ( 由直流发电机或蓄电池产生) 变换成恒压恒频交 流电1 1 5 v 4 0 0 h z 或3 6 v 4 0 0 h z a c 的一种静止变换装置，作为飞机二次电源使用。地面 上一般用静止变流器将单相2 2 0 v 5 0 h z 或三相3 8 0 v 5 0 h z 的交流电变换成单相 1 1 5 v 4 0 0 h z 或三相2 0 0 v 4 0 0 h z 的交流电，作为飞机的地面电源。 随着飞机战斗性能的提高和用电设备的不断增加，对航空电源的要求也越来越 高。旋转变流机由于体积重量大，难于维护和动态性能差等缺点而不能满足飞机及其 用电设备的需要。由于静止变流器具有可靠性高、成本低、维护方便、体积小、重量 轻、电气性能好等优点，美国等先进国家已经完全用它取代了旋转变流机，国内也正 在逐步用静止变流器取代旋转变流机。 对静止变流器的基本技术要求有： ( 1 ) 体积小、重量轻、维护方便、可靠性高和成本低。 ( 2 ) 输出频率稳定、输出电压稳定、精度高、输出正弦波形失真度小、动态响应速 度快、效率高。 航空的特殊环境也对a s i 提出了进一步要求，如高度、温度、湿度、振动冲击、抗电 磁干扰等。 单相航空静止变流器电路结构可分为低频环节和高频环节两类。低频环节航空静 止变流器有方波逆变器电路结构、升压b o o s t 变换器和阶梯波合成逆变器级联式电路 结构；高频环节航空静止变流器有单端反激f l y b a c k 变换器与s p w h 逆变器级联式电 路结构、高频脉冲直流环节航空静止变流器电路结构。 1 1 1 方波静止变流器 方波静l e 变流器的输出电压为方波，是最简单、发展最早的一种静止变流器， 其电路拓扑主要有推挽式、半桥式和全桥式三种。推挽式方波静止变流器，如图卜l 所示，州徒挽逆变器、交流调压开关和输出滤波器构成，交流调压丌关用来调节静止 变流器输mi 乜压的脉宽从而实现调压功能，丌关频率是输j ”【：! 压的频率。 3 k v a 三相高频脉冲直流环1 y 航空静l r 变流器 方波静止变流器具有如下特点：( 1 ) 电路结构简洁，单级功率变换d c l f a c ，双 向功率流，变换效率高：( 2 ) 功率开关工作频率低，技术成熟、应用广泛；( 3 ) 工频 变压器体积、重量大；( 4 ) 输出电压总的谐波畸变度达4 8 ，输出滤波器的体积和重 量大；( 5 ) 对于电网电压和负载的波动，系统动态响应特性差；( 6 ) 变压器和输出滤 波电感产生的音频噪音大。 f 。 1 。 降广 j 2i d 5l j 1 i l l l l d 6 r 一，r ! n z u a bu c d “2宁l l b l u1 图卜1 方波静止变流器 1 , 1 2 升压电路与阶梯波合成组合式静止变流器 阶梯波合成静止变流器由升压b o o s t 变换器和阶梯波合成逆变器级联构成，如 图卜2 所示。它根据谐波抵消原理，采用移相叠加法，将n 个相位相差口的逆变 器或变压器副边n 个绕组输出的n 个依次相移r c n 、不同幅值的方波或矩形波来实 现波形迭加，使合成波的谐波含量最小。 图i 一2 阶梯波合成静止变流器 南京航空航天大学硕士学位论文 阶梯波合成静止变流器具有如下特点：( 1 ) 单级功率变换b c l f a c 、双向功率流、 变换效率高，但电路拓扑复杂、功率开关数多：( 2 ) 功率开关工作频率低，技术成熟、 应用广泛；( 3 ) 工频变压器体积、重量大；( 4 ) 输出电压t h d 低，输出滤波器的体积、 重量小，如阶梯数为1 8 时，t h d 为9 4 8 ；( 5 ) 对于电网电压和负载的波动，系统动 态响应特性较好；( 6 ) 变压器和输出滤波电感产生的音频嗓音得到改善；( 7 ) 逆变器 输出电压的调节难度较大，一般通过前级的升压b o o s t 变换器来调节输出电压：( 8 ) 整机的体积、重量仍较大。 1 1 3 高频环节航空静止变流器 单端反激f 1 y b a c k 变换器与s p w m 逆变器级联式电路结构为高频环节航空静止 变流器，如图1 ，3 ( a ) 所示。d c a c 逆变桥采用单极性调制方式，其原理波形如图 1 3 ( b ) 所示。 。， ( a ) 电路拓扑 l 口口口口口口口口口口口： ：! ：! ：匕= = = = = = = = = = ： ( b ) 原理：波形 “ 。 图卜3f 1 y b a c k 变换器与s p w m 逆变器级联式a s i 电路及其原理波形 中国航空工业贵阳1 8 5 厂研制成功的2 7 v d c 11 5 v 4 0 0 h z a c 航空静止变流器，采用 图卜3 所示电路方案，相当于国外先进国家第二代( 8 0 年代) 航空静止变流器的技术 水平，其特点是采用巨型晶体管g t r 、硅铁芯材料和分立电子元件、开关频率为 2 1 6 k h z 、功率密度( 额定功率为7 5 0 v a ，功率重量比为9 3 t 5 v a k g ，功率体积比为 o o t v a c m 3 ) 与变换效率( 额定负载时7 5 ) 不够理想。 该i 挣i e 变流器具有如下特点：( 1 ) 去除了低频变压器，并且输出交流滤波电感较 小，行以整机的体积、重量明显下降，效率增加；( 2 ) 采用了高性能的电流控制二态 调制技术和电压r l l 流双闭环控制，电压稳态精度高，动态响应速度快；( 3 ) 易于实现 3 3 k y h 三相高频脉冲直流环h 航空静止变流器 模块化结构。容易将三台单相模块组合成三相静止变流器；( 4 ) 逆变桥功率开关工作 在硬开关状态。 南京航空航天大学陈道炼教授首次提出了单向电压源高频环节航空静止变流器 综合软化技术与占空比扩展技术新概念，即高频脉冲直流环节航空静止变流器电路结 构与拓扑族，如图卜4 所示。 滤波器高频逆交器高频变压器整流器无功吸收支路三态d p m 逆变器滤波器 图卜4 高频脉冲直流环节逆变器电路结构 该电路结构由高频逆变器、高频变压器、高频整流器、无功吸收支路、三态d p m 逆变器、以及输入、输出滤波器构成，具有单向功率流、准三级功率变换 ( d c h f a c h f p d c 几f a c ) 、功率开关实现z v s 、变换效率高、输出容量大、输出电压纹 波小等优点。前级输出的高频脉冲直流电压波h f p d c 为后级三态d p m 逆变器的功率开 关实现z v s 创造了条件，无功吸收支路用来吸收逆变桥交流侧无功能量的回馈。研制 成功的7 5 0 v a2 7 d c 1 1 5 v 4 0 0 h z a c 占空比扩展高频脉冲直流环节a s i 原理样机，获得 了优良的综合性能，具有体积重量小、变换效率高、静态精度高、动态响应速度快、 过载与短路能力强、输出波形失真度低等优点。 1 2 三相静止变流器的现状与发展 正弦输出的三相静止变流器在各个领域得到了广泛应用，如航空航天、u p s 、船 舶与车辆等。在航空航天中的逆变电源更有体积重量小、效率高和工作可靠等要求。 三相航空静止变流器的关键技术在于三相输出电压的对称性( 幅值对称和相位对称) 及其带不平衡负载的能力。目前，三相静止变流器的主电路拓扑主要有三相桥式、三 相半桥、三相四桥臂和组合式三相电路结构等。 l 、三相桥式静止变流器 如图卜5 所示，三相桥式静止变流器电路结构简单，采用的器件少，功率管承受 母线电压。但是为了得到三相四线制的输出电压，提高静止变流器带不平衡负载的能 力，必须在输出端增加中点形成变压器，使静止变流器的体积和重量显著增加。 南京航空航天大学硕士学位论文 u zs 吣zs z 王 1 中点形成变压器 点： ； h 点 吣z s 吣zs _ 溺 、 c 南岛l 图卜5 具有中点形成变压器的三相桥式静止变流器 2 、三相半桥静止变流器 如图卜6 所示，三相半桥静止变流器也有结构简单，功率器件较少等特点。利用 电源输入端的两个串联电容的中点，作为输出的中点，可构成三相四线制的输出。如 果两个串联的电解电容足够大，则可保证中点电位不偏移，具有较强的带不平衡负载 的能力，但也大大增加了系统的体积和重量。半桥电路只利用直流母线电压的一半， 输入直流电源电压利用率较低，半桥静止变流器通常适用于高压输入、小功率逆变场 合。 u i cl当吣z ：z；z 、 k ! ： o a io 文i 一 b _ i 1 _ c lll 彳z ：zs 吣： _ l _ l - l 可可可 a b c n 图卜6 三相半桥式静止变流器 3 、三相四桥臂静止变流器 如图1 - 7 所示，三相四桥臂静止变流器是在三相桥式静止变流器的基础上增加一 个桥臂，该桥臂的作用是形成输出中点，减小不平衡负载时三相输出的不对称度：静 止变流器的输入端采用谐振直流环节时，四个桥臂的功率管均可实现零电压开关。虽 然该静止变流器的控制比较复杂，但仍是目前研究的一个热点。 u 吣z r zr 吣z；吣z h ； a 【ll点i 一 吣z ；乏 bl 点i1 s 吣zs 吣z = 一l 上上 、j可可可 图卜7 三相四桥臂静止变流器 a b c n 3 k v a 三柏高频脉冲直流环仃航空静j l 变流器 4 、组合式三相静止变流器 组合式三相静止变流器由三个单相静止变流器星型联结构成。每相航空静止变流 器相互独立，只要控制三相基准正弦波互差1 2 0 。，将三台输出的地连在一起作为中线， 就可以实现三相四线制的输出。 由于组合式三相静止变流器具有极强的带不平衡负载的能力，易于实现模块化结 构，单相和三相均可工作，因此本课题最后选定采取组合式三相静止变流器的方式。 1 3 静止变流器的主要控制技术 目前静止变流器的控制技术主要有p w m 控制和d p m 控制。 1 3 1p w m 控制 p w m 控制技术的发展最为成熟，主要包括空间矢量控制、滞环控制、s p w m 控制、 开关点预制和无差拍控制等。对于硬开关静止变流器来说，可以采用不同的p w m 控制 技术。由于开关点精确，可在允许的开关频率下最大限度地消除输出波形中的谐波成 分，因而静止变流器电气性能优良。但对于谐振直流环节静止变流器( r d c l i r e s o n a n t d cl i n ki n v e r t e r ) 来说，静止交流器功率管的开关除满足一定的控制规律外，还必 须选择在直流环节电压为零阶段。开关点在时间轴上成为离散的点，无法采用p w m 控制，而只能采用d p m 控制。 1 3 2d p m 控制 d p m 控制是r d c l i 静止变流器的主要控制方式。典型的d p m 控制方式有：电流调 节型d e l t a 调制( c r d m c u r r e n tr e g u l a t ed e l t am o d u l a r i o n ) 、优化离散脉冲调制 ( o d p m - o p t i m a ld i s c r e t ep u l s em o d u l a r i o n ) 、滞环控制脉冲调制( h c p m h y s t e r e s i s c o n t r o l l e dp u l s em o d u l a t i o n ) 和空间矢量d e l t a 调制( s v d m - s p a c ev e c t o rd e l t a m o d u l a t i o n ) 等。控制核心均是采用滞环控制原理，使控制变量在一定的环宽内跟踪 给定信号变化。控制变量可以是输出电压，输出电容电流，或滤波电感电流。其中， h c p m 控制简单，静止变流器输出性能较优，易于实现。h c p m 具有三态和两态变化工 作状态。电感电流在一定的正负环宽内跟踪给定电流变化，在电流误差较大的地方， h c p m 两态工作，加快响应速度：在电流误差较小的地方，h c p m 三态工作，满足脉冲 极性连贯性原则( p p c r p u l s ep o l a r i t yc o n s i s t e n tr u l e ) ，可以减小电感电流的脉 动量，降低回馈能量对直流环节电压的影响。 1 3 3 滞环电流控制型静止变流器 在众多的电流控制技术中，滞环电流控制( h y s t e r e s i s c u r r e n tc o n t r 0 1 ) 是最简单， 用途最广泛的一种方法。它主要利用滞环比较器形成一个以给定电流为中心的死区或 滞环，将反馈电流的变化控制在这个滞环内。电流滞环控制电路具有i i 向应速度快和自 然雕年值i u 流和高度稳定性等优点。然而滞环控制型静止变流器产生的脉冲调制波 6 南京航空航天人学硕： 学位论文 的谐波频谱会随着输入电压，反电动势及负载的变化而变化，使得谐波频谱的变化 范围较宽。因此滞环电流控制型静止变流器相对于固定高频开关频率控制方式有较大 的机械噪音。而且由于谐波的频谱较宽，也给低通滤波器的设计增加了难度。为了解 决这一问题，有人用缩小滞环宽度的方法来提高静止变流器的调制频率，使大部分的 谐波频率都在音频和机械谐振频率以上，但是这会造成管子的开关损耗显著的增加。 目前比较有效的方法是采用随机脉宽调制技术r p w m ( r a n d o mp u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) 。它的主要原理是通过变环宽实现恒频调制。 滞环控制型静止变流器按其滞环宽度可分为固定环宽和变环宽方式。所谓固定环 宽方式是指在整个周期内滞环宽度是不变的如图1 8 ( a ) 。而变环宽方式是指在个 输出周期内滞环宽度按照一定的规律在变化。目前变环宽方式主要有正弦变化的环宽 如图l 一8 ( b ) 和固定环宽和正弦变化结合的混合型环宽如图1 8 ( c ) 。与正弦性环宽 的滞环控制静止变流器相比，固定环宽方式的滞环控制静止变流器的调制频率较低， 电流脉动较大。反之正弦性环宽的滞环控制静止变流器的调制频率较高，电流脉动宽 度可随着电流的幅值而变化，因此电流脉动小，电流的谐波含量较低。混合型滞环控 制静止变流器是综合了以上两者的特点，即开关频率不会太高，而电流脉动量较小。 滞环控制型静止变流器按其调制方式又可分为两态调节和三态调节。两态调节只 有输入能量和回馈能量两个状态，所以在半个输出周期内，脉冲调制波是双极性变化 的。而三态调节除了有输入能量和回馈能量两个状态外，还有续流状态，在半个输出 周期内，脉冲调制波是单极性调制。两态调节与三态调节相比，调制频率高，动态响 应速度快，但是电流脉动大，而且由于没有续流状态因此回馈能量较大，对直流母线 的影响较大。综合考虑以上的各种方法，本课题选择了定环宽三态调节的滞环控制静 i e 变流器。 胤 7 渺 髂凤 、_ 滞环上限、 呵 厌瓣；， 7 渺 图卜8 ( a ) 吲定环宽图卜8 ( b ) 正弦型环宽图卜8 ( c ) 洮台型环宽 1 4 航空静止变流器的发展方向 欧、奖等发达国家对静止变流器的研究比较早，因此他们的研究处于比较高的水 平，不断的发展出新一代的新型功率器件和新材料，其工艺方面正在向表面安装、二 次集成等方向发展。在控制方而f 在向多环控制、数字控制等方向发展，并采用高频 3 k v a 三相高频脉冲直流环1 i 航空静j t 变流器 软开关技术。例如美国s u n d s t r a n d 、a 1 l i e d s i g n a l 、k g s 公司研制的新一代a s i ，采 用m o s 功率器件、电流控制、表面安装、二次集成、高频化等技术，并实现了高功率 密度、高效率的模块式电源结构，体积、重量小，可靠性高。 目前，国内的产品仅与国外的第二代a s i 的产品相当，而且品种少、容量小，不 能满足现有战斗机的需要，更不能满足第四代战斗机、舰载机的需要。因此提高我国 航空静止变流器的研究水平显得尤为迫切。 总之，静止变流器正在向高功率密度、高变换效率、无污染、高可靠性和低电磁 干扰方面发展。随着微处理器的发展，数字控制有可能成为静止变流器发展的方向。 1 5 本文的主要研究内容及意义 1 5 1 本文的主要研究内容 本课题选题为“3 k v a 三相高频脉冲直流环节航空静止变流器”。课题来源为国防 科学技术成果转化项目。本文主要对三相高频脉冲直流环节航空静止变流器的构成原 理、控制方案、参数设计等进行了研究，主要内容分为以下五章： 第一章绪论主要介绍了本课题的研究背景、研究的主要内容和意义。 第二章介绍了三相a s i 的电路构成，工作原理。详细分析了负载对三相输出电 压对称度的影响。 第三章本章深入分析了占空比扩展有源箝位正激式高频脉冲直流环节a s i 工作 原理、三态离散脉冲调制电流滞环跟踪控制策略，d c a c 逆变桥的工作模态。给出 了高频脉冲直流环节a s i 的关键电路参数设计准则。 第四章本章给出了基准正弦波发生器电路的构成、设计准则和三相基准正弦波 发生器的实现。 第五章本章设计并研制成功了3 k v a2 7 v d c 11 5 v 4 0 0 h z a c 三相高频脉冲直流环节 a s i ，给出了控制电路的实现、功率电路参数设计与选取、试验波形和试验数据。 1 5 2 本文工作的主要意义 本文工作的主要意义为： l 、以单相7 5 0 v a2 7 v d c 1 1 5 v 4 0 0 h z a c 航空静止变流器为基础，研制了3 k v a 2 7 v d c 1 1 5 v 4 0 0 h z a c 三相四线制a s i 的样机，功率增大了4 倍，相数由单相变为 三相，为更大功率三相静止变流器的研制打下了基础。 2 、系统山f 匕压外环和电流内环构成，电流内环可以等价为一电流放大器，易于实现 静d 二变流器的并联，可以进一步提高容量和可靠性。 南京航空航天大学硕士学位论文 3 、电路结构及控制技术可以方便的实现模块化，可以形成产品系列化。 4 、深入地介绍和分析了占空比扩展有源箝位正激式高频脉冲直流环节a s i 工作原 理、三态离散脉冲凋制电流滞环跟踪控制策略，d c a c 逆变桥的工作模态，对今 后的工作具有指导意义。 3 k v a 三相高频脉冲直流环竹航空静i ：变流器 第二章三相高频脉冲直流环节a s i 的构成及负载特性 组合式三相a s i 是由完全相同的三个单相低频环节或高频环节a s i 星型联接构成 的，能同时实现单相和三相四线制供电，具有极强的带不平衡负载能力。本章介绍了 组合式三摆a s i 的构成与电路拓扑，分析了负载对三相输出电压对称度的影响。 2 1 组合式三相a s i 的构成与电路拓扑 2 1 1 电路结构 组合式三相a s i 电路结构，如图2 1 所示，它是由完全相同的三个单相低频环节 或高频环节a s i 星型联接构成，能同时实现单相和三相四线制供电。该电路结构不但 具有极强的带不平衡负载能力，而且每相还可以分别独立控制、控制简单，易实现模 块化结构、在线热更换和n + 1 个模块冗余技术，提高了系统可靠性。但这种电路结构 的元器件数多，成本高。 u i 图2 - i 组合式三相a s i 电路结构 2 1 2 电路拓扑 采用占空比扩展单管有源箝位正激式高频脉冲直流环节静止变流器拓扑，组合式 三相a s i 如图2 2 所示。 ( a ) 三个独立的单相a s i 南京航空航大大学硕士学何论文 u t ( b ) 共用高频脉冲直流环节电路的三相a s i 图2 - 2 组合式三相高频脉冲直流环节a s i 图2 - 2 ( a ) 为三个独立的单相高频脉冲直流环节a s i 构成的组合式三相a s i ， 图2 2 ( b ) 为共用高频脉冲直流环节的组合式三相a s i 。前者更体现了模块化设计思 想，后者成本会有所降低。本课题选用三个独立的单相高频脉冲直流环节a s i 构成组 合式三相a s i 。 2 2 负载对三相输出电压对称度的影响 三相a s i 在技术指标要求上与单相a s i 最大的不同，在于其三相输出电压必须 满足规定的对称度。其对称度常用电压幅值偏差u o 和相位偏差0 。来表示，即 u ：墨壹! 堕里堕堕二三望皇等堑堕! 苎! 堕。 ( 2 1 ) “o 三相电压幅值平均值 1 0 0 。 o 。= 最大相电压初相位一三相电压初相位平均值 ( 2 2 ) 为了实现三相输出电压的对称，必须确保：( 1 ) 三个单相的基准电压要对称， 即幅值相等、频率相同、相位互差1 2 0 。；( 2 ) 三个单相逆变器的元器件参数应一 致；( 3 ) 提高每个单相输出电压幅值和相位的调节精度。 2 2 1 不对称负载时输出电压的u 。 不对称负载时，三相输出电压的u 。可以等效为单相输出电压的负载调整率。 电流滞环跟踪控制单相高频脉冲直流环节逆变器的简化框图，如图2 - 3 所示。 酉| l c 一盔 3 k v a 三相高频脉冲商流环i ，航空静止变流器 n ( s ) 图2 3 单相控制系统简化框图 图2 - 3 中，令扰动信号n ( s ) = o ，系统的闭环传递函数为 g ( 。) ：坠! 里坠堡| ( 2 3 ) 、。1 + k l l f ( k 。+ k 。s ) k o l ( s ) 空载、阻性负载、感性负载、容性负载时，g 。( s ) 分别为 ( 空载)( 2 4 a ) ( 阻性负载)( 2 4 b ) ( 感性负载)( 2 4 c ) ( 容性负载)( 2 4 d ) 由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可得，空载、阻性负载、感性负载、容性负载时系统的闭环传递 函数分别为 g 。( s ) = 雨瓢k ”忑k s + 丽k l k g n ( s ) = 碌再瓦耳k p ”了k s + 丽k 1 5 k 丽 吣，= 虿面岩蒜杀 g 一沪两袁若 式( 2 - 5 ) 的幅频特性为 ( 空载)( 2 5 a ) ( 阻性负载)( 2 - 5 b ) ( 感性负载)( 2 - 5 c ) ( 容性负载)( 2 - 5 d ) 。一 。一一 。一一 ，一一 南京航空航大人学硕十学位论文 | g r ( c o ) | = 厂一一一了了一 竺瞍竺：堕! ! ： 1 ( k i k k u f c f 。2 ) 2 + ( k p u k k u f 。2 ) ( 空载)( 2 - 6 ，a ) ( 阻性负载)( 2 - 6 b ) i g u c 刮= j 五i i j 若( 瞅k i k ) 2 而c 感性负载，c z 咱c ， f g r c ( o ) = l ( k p u k o ) 2 + ( k i k ) 2 ；c 容性负载，c z e a ， 由式( 2 6 ) 可知，i g 。 ) i l g 。) i i g 。( c o ) i 。至于l g r c ) i 的大小，与容性负载参数 ( c 。r 。) 即容性负载功率因数有关，通常情况下( 容性负载功率因数为一0 7 5 ) l g 。( ) l l g 。( ) l l g 。( ) | l g r l ( 酬。因此，逆变器从容性负载、空载、阻性、感性负 载变化时，输出电压将单调下降，输出电压的负载调整率由容性负载到感性负载时的 电压降落u 。决定。 2 2 2 相负载特性 由三个独立的单相高频环节a s i 构成组合式三相a s i ，每一相均独立控制，任一 相负载不会对其它两相造成任何影响，如果三相的输出外特性完全相同，则三相输出 电压完全对称。但是，在实际电路中，由于每相的控制时序和元器件不可能完全一致， 所以每一相的输出外特性不可能完全相同，三相a s i 带对称负载时三相输出电压的幅 值和相位也会略有偏差。 组合式三相a s i 接不平衡相负载时，每相工作在各自输出外特性的不同横坐标 上，所以三相输出电压的幅值会有所不同。由于相负载不对称，各相输出电流的大小 不相同，而流过滤波电感上的电流是滤波电容电流和负载电流的矢量和，因而各相滤 波电感电流的大小以及其与对应相的输出电压之间的夹角均不相等。所以，三相a s i 接不x f 衡相负载时，尽管三相输出电压的相位仍然保持1 2 0 。的相位关系不变，但滤 波电感电流却不再满足1 2 0 。的相位关系，该相位关系受到各相负载电流的制约。例 如，i 殳三棚输出电压u 、u 。u 。对称，其有效值为1 1 5 v 、初相位分别为0 。、一1 2 0 。、 一2 4 0 “，三州额定容量为3 k v a ，输出b 压频率为4 0 0 h z ，滤波电感为0 7 m l t ，滤波f 【l 容为uf ，则不对称相负找时各相电流如表2 1 所示。可见，三相滤波电感电流的 3 k v a 三相i 饬频脉冲瓿流环i t 航空静j r 变流器 杜位 乜不再满足1 2 0 。的相位关系。 表2 1 不对称相负载时各相滤波电感电流 a 相空哉= 。a 相i 3 阻性负找r l 。= 3 9 6 8n 、 b 相阻性半载r c ：2 6 4 5ob 相2 3 阻性负载= 1 9 8 4 n c 相眦性满载r l 。= 1 32 3 nc 相m 性满载r l 。= 1 3 2 3 n 负载电流i a2 u a r l a 0 ( a )2 9 0 2 0 。( a ) a 相 滤波电容电流i c h = u aj 。c 舟 2 8 9 9 0 0 ( a )2 8 9 9 0 0 ( a ) 滤波电感电流i l f a = i c f a + i a 2 8 9 9 0 0 ( a )4 0 9 4 4 9 0 0 ( a ) 负载电流i b = u b r l b 4 3 5 么一1 2 0 。( a )5 8 0 么一1 2 0 。( a ) b 相 滤波电容电流i c 铀= u bj 。c m 2 8 9 z 一3 0 0 ( a )2 8 9 z 一3 0 0 ( a ) 滤波电感电流i 协= i c m + i b 5 2 2 z 一8 6 4 0 。( a )6 4 8 z 一9 3 5 1 。( a ) 负载电流i c = u c r l c 8 6 9 么1 2 0 0 ( a )8 6 9 么1 2 0 。( a ) c 相 滤波电容电流i c 亿= u cj 。c 盘 2 8 9 一1 5 0 。( a )2 8 9 么一1 5 0 0 ( a ) 滤波电感电流i l 如= i c 亿+ i c 9 1 6 1 3 8 4 。( a )9 1 6 么1 3 8 4 。( a ) 2 2 3 线负载特性 线负载特性，就是组合式三相a s i 带三角形负载时的情形。当组合式三相a s i 带三相不对称线负载时，如在b 、c 相输出间接一电阻负载，简化电路及其相量，如 图2 - 4 所示。 ( 。1 ) 简化电路( b ) 相量 陶2 - tl j 、c 棚问接电阻负j 戈时简化i b 路及其棚吐 彗 i p 耻 南京航空航天人学硕十学位论文 i b c = i i cu b c r l r 9 7 1 b 牛e l 电流i 。超前电压m3 0 。，c 相电流i 。滞后电压u 。3 0 。因此，b 、c 相间的电 阻r 。相对于b 相为功率因数等于0 8 6 6 的容性负载，相对于c 栩为功率因数等于 0 8 6 6 的感性负载。同理，b 、a 相间的电阻相对于b 相为功率因数等于0 8 6 6 的感 性负载。 如果三相逆变器b 、c 相间与b 、a 相问同时接相同的阻性负载时，简化电路及 其相量，如图2 5 所示。 ( a ) 简化电路( b ) 相量 图2 5b 、c 相与b 、a 相间接相同阻性负载时的简化电路及其相量 b c 间的负载电流i 。与b a 间的负载电流i 。合成后所得的b 相输出电流i 。与电 压u 。同相。因此，对b 相相当于接了阻性相负载。当b 、c 相间与b 、a 相间同时 接有相同的感性负载时，对b 相相当于接了一个感性相负载。由此可推得，当逆变 器带三相对称线负载时，相当于接同样负载性质的对称相负载。 设负载功率因数变化范围为- 0 7 5 o 7 5 ，即负载电流从超前负载电压4 1 4 。 变化至滞后负载电压4 l 。4 。若b 、c 相间接感性负载时电压、电流相量，如图2 - 6 所示。当负载功率因数从l _ 0 变化至0 8 6 6 时，b 相负载电流从超前相电压u 。3 0 。 旋转至与u 。同相，即b 相等效相负载从功率因数为0 8 6 6 的容性负载变化到纯阻 性负载；c 相负载电流从滞后相电压u 。3 0 。旋转至滞后相电压l l 。6 0 。，即c 棚等效 栩负载从功率因数为0 8 6 6 变化至0 5 的感性负载。当负载功率因数继续从0 8 6 6 变化至o 7 5 时，b 相电流从与相电压u 1 同相变化至落后u 。1 1 4 。，即b 相等效相 负载从纯阻性变化至功率因数为0 9 8 的感性负载，而c 相的等效相负载从功率因 数为0 5 变化至0 3 2 的感性负载。 从 慢 thrl，+ 3 k v a 二，f 商频脉冲直流环1 y 航空静j l 变流器 u a 图2 6b 、c 相间接感性负载时电压、电流相量 因此，如果考虑线负载情况，则单相a s i 设计时要将功率因数范围扩大为 一0 8 6 6 0 3 2 。宽范围的功率因数意味着单模块的电流容量和无功回馈能量增加。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章高频脉冲直流环节a s i 电路拓扑与控制原理 本章深入分析了占空比扩展有源箝位正激式高频脉冲直流环节a s i 工作原理、三 态离散脉冲调制电流滞环跟踪控制策略，d c i a c 逆变桥的工作模态，给出了高频脉 冲直流环节a s i 的关键电路参数设计准则。 3 1 高频脉冲直流环节a s i 电路拓扑及其占空比扩展原理 3 1 1 高频脉冲直流环节a s i 电路拓扑 高频脉冲直流环节a s i 电路结构，由电气隔离型高频脉冲赢流环节电路与d c a c 逆变器级联而成，如图3 1 所示。d c a c 逆变器功率开关在前级输出的高频脉冲直流 电压波过零点切换，从而实现了z v s 开关。 u i 电气隔离塑 卜几n d c 胪c 高频咏冲直流 逆变器 环节电路 i 1 5 v 4 0 0 h z 图3 - 1 高频脉冲直流环节a s i 电路结构 电气隔离型高频脉冲直流环节电路具有高频电气隔离、功率变换、输出高频脉 冲直流电压波、吸收d c a c 逆变桥交流侧回馈的无功能量等功能，输出的高频脉冲直 流电压波为逆变桥所有功率管实现z v s 开关创造了条件。在传统的f o r w a r d 类d c d c 变换器族中去除l c 输出滤波器后，输出端再并联由有源开关s ，和储能电容c 。串联构 成的无功能量吸收电路，便构成了电气隔离型高频脉冲直流环节电路。 高频脉冲直流环节逆变器拓扑族，包括单管正激式、并联交错单管正激式、推 挽式、推挽正激式、双管正激式、并联交错双管正激式、半桥式、全桥式等电路，如 图3 - 2 所示。单管正激式、并联交错单管正激式、推挽式、推挽正激式电路，适用于 低压输入逆变场合；双管正激式、并联交错双管正激式、半桥式、全桥式电路适用于 高压输入逆变场合。 ( a ) 单管正激式( b ) 并联交错单管正激式 un暑n竹l_ 3 k v a 三相高频脉冲直流环节航空静i e 变流器 r 它 s 牵且型 1因l - n2 f崦司iil ( c ) 推挽式 ( e ) 双管正激式 d u ( d ) 推挽正激式 ( f ) 并联交错双管正激式 ( g ) 半桥式( h ) 全桥式 图3 2 高频脉冲直流环节a s i 电路拓扑族 为了保证正弦输出电压波形质量，要求高频脉冲直流电压波的平均值应满足。， n 硗! ， u d 。g = d u i 1 8 0 v ( 3 - 1 ) 一一。奠j 一。 式( 3 1 ) 中，n 、n ：为变压器原、副边绕组匝数、d 为高频脉冲直流电压占空比。基 于航空静止变流器低输入电压且变化范围宽( 1 8 - 3 2 v d c ) 这一工程实际情况，必须尽 可能增大高频脉冲直流电压波u 。的占空比d ，减小匝比n ：n 。，以降低d c a c 逆变桥 功率开关电压应力u 。n ：n 。 本文采用了占空比扩展单管有源箝位正激式高频脉冲直流环节a s i 电路，成功 地解决了单管正激式高频脉冲直流环节电路功率开关占空比小与输出高频脉冲直流 1 电压波占空比要大之间的矛盾，其电路拓扑，如图3 3 所示。只要让吸收支路开关 s ，的关断时刻滞后功率开关s 的关断时刻一段时间，就可以实现高频脉冲直流电压占 空l l f l , j 扩展。该电路拓扑有如下优点：高频变压器工作频率与高频脉冲直流电压频 率棚同，高频脉冲直流环节电路得功率密度明显提高；有源箝位丁f 激变换器占空比 | j 以大于0 5 的优越性得到了充分利用；电路拓扑十分简洁。 ik 南京航空航天大学硕七学位论文 占空比扩展单管正激式高频脉冲直流环节电路d c a c 逆变桥 图3 3 占空比扩展单管有源箝位正激式高频脉冲直流环节a s i 电路拓扑 3 1 2 高频脉冲直流电压占空比扩展原理 功率开关s 。与电容c 。串联支路不但可用来吸收d c a c 逆变桥交流侧回馈的无功 能量，而且可以实现高频脉冲直流电压波u 。占空比的扩展。高频脉冲直流电压占空 比扩展原理，如图3 - 4 所示。s 。的驱动信号相对于功率开关s 的驱动信号稍延迟开通 - 。时间，大大延迟关断t 。时间。t 。t 。期间，功率开关s 与吸收支路开关s ，同时导 通，要么来自逆变桥交流侧回馈的无功能量对c ，充电，要么c ，通过s ，放电给d c a c 逆变桥；t t t ：期间，功率开关s 关断后吸收支路开关s 。仍继续导通一段时间t 。，