（电力电子与电力传动专业论文）应用于中频电源的高功率因数整流器研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g e o fa u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nh i g hp o w e rf a c t o rr e c t i f i e r a p p l i e dt om i d f r e q u e n c ysu p p l y a t h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y j i a n gt a o a d v i s e db y p r o f x i es h a o j u n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 r r j，一 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：【蕴 日飙畔 本文研究得到高等学校博士点科研基金资助，项目编号： 2 0 0 7 0 2 8 7 0 0 9 。谨致谢意! i i r 南京航空航天人学硕：卜学位论文 摘要 本文以单周期控制单相v i e n n a 整流器为研究对象，对应j j 丁中频供电系统的单相p w m 整流器进行了深入研究。 论文首先分析了单周期控制单相v i e n n a 整流器实现高功率冈数整流的原理，指出在简单 模拟控制电路下，通过采样输出总电压也能使输出分立电容电压均衡。建立了系统模型，得出 系统含有等效电流环的结论，并冈此使电压环分析得到简化。另外，由于系统电压环带宽较窄， 负载突变时调节速度很慢，设计了负载电流前馈控制方案，减轻了电压调节器的负担，极人地 改善了系统的动态特性。 对传统单周期控制一卜的输入电流进行了分析，得出在传统的单边凋制下输入电流必然含有 低频奇次谐波的结论，并据此提出了双边凋制策略。在新的调制策略下，输入电流不再含有低 频谐波，波形质量得到了改善。研究了变换器并联时交错并联和互补并联两种控制方案对输入 电流的影响，指出了它们在减小电流纹波和抑制低频谐波方面的各自优势。 针对单周期控制p w m 整流器在较高输入频率卜的特殊性，分析了采用l c l 输入滤波器的 必要性，并给出了采样变换器侧电感电流时系统稳定的物理意义和理论依据。 为了验证本文理论分析的止确性，对各部分进行了仿真或实验验证，并最终通过完整的样 机设计综合验证了以上的理论成果。实验结果表明，采用单周期控制的v i e n n a 整流器能实现高 功率因数、高输入电流质量和优良动态的特性，能够满足中频输入条件下的整流器设计要求。 关键词：高功率冈数整流器，中频电源，单周期控制，单相v i e n n a 整流器，单边调制， 双边调制，l c l 滤波器 l 0 戍川r j i 中频电源的高功率冈数整流器研究 a b s t r a c t b a s e do nt h eo n e c y c l e c o n t r o l l e d ( o c c ) s i n g l ep h a s ev i e n n ar e c t i f i e r , s i n g l ep h a s ep w m r e c t i f i e ra p p l i e dt om i d f r e q u e n c ys u p p l yi ss t u d i e dd e e p l yi nt h i sa r t i c l e a tf i r s t ，h o wt h eo c c s i n g l ep h a s ev i e n n ar e c t i f i e rr e a l i z e sh i g hp o w e r - f a c t o rc o m m u t a t i o ni s a n a l y z e d u n d e rs i m p l ea n a l o gc o n t r o l l e r , t h eo u t p u ts p l i tc a p a c i t a n c ev o l t a g ec a nb em a i n t a i n e di n b a l a n c eb ya d j u s t i n gt h et o t a lo u t p u tv o l t a g e b ye s t a b l i s h i n gt h es y s t e mm o d e l ，ae q u i v a l e n tc u r r e n t l o o pi sg a i n e d ，a sar e s u l tt h a t ，t h ev o l t a g el o o pg e t ss i m p l i f i e d w h e nt h el o a dc h a n g e ss u d d e n l y , o w i n gt ot h en a r r o wb a n d w i d t ho ft h ev o l t a g el o o p ，t h eo u t p u tv o l t a g em a yc h a n g ei nl a r g e s c a l e s o ， l o a d - c u r r e n tf e e d f o r w a r dc o n t r o li sd e s i g n e dt oa l l e v i a t et h er o l eo ft h ev o l t a g em o d u l a t o r a n d ，a sa r e s u l t ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e mg e t si m p r o v e dr e m a r k a b l y a n a l y s e st ot h ei n p u tc u r r e n to ft h ec o n v e n t i o n a lo n e - c y c l ec o n t r o l a r ep r e s e n t e d ，a n dt h e c o n c l u s i o nt h a t ，i n p u tc u r r e n tc o n t a i n sl o w - f r e q u e n c yo d dh a r m o n i c su n d e rt h ec o n v e n t i o n a l s i n g l e - e d g em o d u l a t i o n ，i sr e c e i v e d t h e n ，b i e d g em o d u l a t i o no nt h i sb a s i si sp r o p o s e d u n d e rt h e n e wm o d u l a t i o n ，t h el o w f r e q u e n c yo d dh a r m o n i c so fi n p u tc u r r e n ti se l i m i n a t e d ，a n dt h eq u a l i t yo f t h ei n p u tc u r r e n tg e t si m p r o v e d i na d d i t i o n ，w h e nt w oc o n v e r t e r so p e r a t ei np a r a l l e l ，i n f l u e n c eo nt h e i n p u tc u r r e n tb yi n t e r l e a v e da n dc o m p l e m e n t a r yc o n t r o li sr e v e a l e d d u et ot h ep a r t i c u l a r i t yo fh i g h e ri n p u tf r e q u e n c yi no c cp w m r e c t i f i e r , t h en e c e s s i t yo fu s i n g l c lf i l t e ri sa n a l y z e d a n d ，t h ep r o o f , w h yt h es y s t e mi ss t a b l ew h e nc o n v e r t e r - s i d ei n d u c t a n c e c u r r e n ti ss a m p l e d ，i sp r e s e n t e d i no r d e rt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h ea n a l y s e s ，s i m u l a t i o n so re x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n e a tl a s t ，ap r o t o t y p ei n t e g r a t i n ga l lt h ea b o v ep r e s e n t e da n a l y s e si sb u i l t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a t ，t h er e c t i f i e ra d o p t e do n e c y c l ec o n t r o lp o s s e s s e sh i g hp o w e r - f a c t o r , e x c e l l e n ti n p u t c u r r e n tq u a l i t ya n df a s td y n a m i cr e s p o n s e ，a n ds a t i s f i e st h ed e s i g nc r i t e r i au n d e rt h em i d f r e q u e n c y s u p p l ys y s t e mc o n d i t i o n k e yw o r d s ：h i g hp o w e rf a c t o rr e c t i f i e r , m i d - f r e q u e n c yp o w e rs u p p l y , o n e - c y c l ec o n t r o l ( o c c ) ， s i n g l ep h a s ev i e n n ar e c t i f i e r , s i n g l e e d g em o d u l a t i o n ，b i e d g em o d u l a t i o n ，l c lf i l t e r i 、 南京航空航天人学硕： = 学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 课题研究背景1 1 2 中频电源高功率因数整流器研究现状一l 1 2 1 多脉冲整流方案2 1 2 2p w m 整流方案4 1 3 中频p w m 整流控制方案及拓扑选择5 1 3 1p w m 整流控制方案5 1 3 2 拓扑选择6 1 4 本文的主要一l ：作7 第二章单周期控制单相v i e n n a 整流器建模8 2 1 大信号平均值模型8 2 i i 一：作模态分析8 2 1 2 控制结构分析，1 0 2 1 2 1 高功率因数整流器原理分析1 0 2 i 2 2 电容电压均衡原理分析一1 l 2 1 3 中频输入- 卜大信号模型1 3 2 2 小信号模型1 4 2 3 负载电流前馈控制模型1 7 2 4 仿真和实验结果1 9 2 5 本章小结2 3 第三章单周期控制单相v i e n n a 整流器调制策略2 4 3 1 传统的单边调制方式。2 4 3 i i 下降沿调制方式2 4 3 1 2 上升沿调制方式2 7 3 2 双边凋制方式2 9 3 2 1 双边调制原理2 9 3 2 2 双边调制实现方式3 0 3 3 变换器并联时的调制方式3 l 3 3 1 交错并联方案3 i - l 、 戍川_ 丁- 中频电源的高功率冈数整流器研究 3 3 2 互补并联方案3 3 3 3 3 电流纹波分析3 4 3 4 仿真结果3 5 3 5 本章小结3 7 第四章采用l c l 滤波的单周期控制单相v i e n n a 整流器3 8 4 1p w m 整流器输入滤波器型式比较3 8 4 1 1 输入滤波器性能分析3 8 4 1 2 滤波器的选h j 3 9 4 2 应用l c l 滤波器的单周期控制变换器3 9 4 2 1 等效模型3 9 4 2 2 电流采样点的确定4 0 4 2 3 滤波效果分析4 l 4 3l c l 滤波器参数设计4 2 4 3 1 变换器侧电感厶的选取4 2 4 - 3 2 滤波电容c 的选取4 3 4 3 3 网侧电感厶的选取4 3 4 4 仿真结果与分析4 4 4 5 本章小结4 6 第五章5 0 0 w 中频电源高功率因数整流器设计及实验研究4 7 5 1 引言4 7 5 2 功率电路没计4 7 5 2 1 输入滤波器设计4 7 5 2 2 输出滤波电容选取4 8 5 2 3 功率开关管选取4 8 5 2 4 功率二极管选取4 9 5 2 5 整流桥选取4 9 5 - 3 控制电路设计4 9 5 3 1 控制电路结构4 9 5 3 2 采样电路设计5 0 5 3 3 三角载波产生环节51 5 3 4 软启动电路设计5 2 5 3 5 保护电路设计5 2 - j - i i 南京航空航天人。硕十学位论文 5 3 6 驱动电路设计5 3 5 4 实验结果与分析5 3 5 5 本章小结5 5 第人章总结与展望5 6 6 1 全文j 二作总结5 6 6 2 后续：i ：作展望5 7 参考文献一5 8 致调 6 1 在学期间发表的学术论文一6 2 l n 席川丁j 中频电源的高功率冈数整流器研究 图、表清单 图1 1 1 2 脉冲隔离变压整流器结构图3 图1 21 2 脉冲变压整流器剧变压器电压欠龄图3 图1 31 2 脉冲自耦变压整流器结构图4 图1 4 t 型联结白耦变压器绕组图4 图1 5 - t 型联结白耦变乐器电压欠姑图。4 图1 6 应刚于半桥整流电路的简单模拟控制6 图1 7v i e n n a 整流器电路拓扑7 图2 1 单相v i e n n a 整流器功率电路及其简化电路9 图2 2 开关模态等效电路9 图2 3 简单模拟控制原理图1 0 图2 4 准稳态下单位功率冈数整流的等效电路1 l 图2 5 平均电路模型1 2 图2 6 l 、2 和a v o 的变化关系1 3 图2 7 系统简化回路1 4 图2 8 输入正半周系统小信号模型1 5 图2 9 输入负半周系统小信号模型1 6 图2 1 0 完整输入周期内系统结构图1 6 图2 1 1 含有等效电流环的系统结构图1 7 图2 1 2 系统电压环路结构图1 7 图2 1 3 带负载电流前馈的系统结构图1 9 图2 1 4 稳态下变换器关键点仿真波形2 0 图2 1 5 稳态_ 卜变换器输出电压仿真波形。2 0 图2 16 稳态下变换器输入电压与电流仿真波形2 0 图2 1 7 稳态下变换器关键点实验波形图2 l 图2 1 8 稳态_ 卜变换器输出电压实验波形2 1 图2 1 9 稳态下变换器输入电压与电流实验波形2 l 图2 2 0 不加负载电流前馈控制时负载突变仿真波形2 2 图2 2 1 加入负载电流前馈控制时负载突加突卸仿真波形2 2 图2 2 2 不加负载电流前馈控制时负载突变实验波形。2 3 _ 1 吨 南京航空航天人学硕十学位论文 图2 2 3 加入负载电流前馈控制时负载突变实验波形2 3 图3 卜匿定p w m 开关频率的单周期控制原理2 4 图3 2 简单模拟控制i - 的原理波形2 4 图3 3 卜降沿调制下电感电流运行波形2 5 图3 4 贝印与s i n ( 0 ) 的函数曲线2 7 图3 5 上升沿调制卜电感电流运行波形一2 7 图3 6 双边调制f 电感电流运行波形。2 9 图3 7 三角载波的实现3 0 图3 8 单相v i e n n a 整流器并联结构3l 图3 9 交错并联控制实现方式3l 图3 1 0 交错并联的运行波形3 2 图3 1 l 互补并联控制实现方式3 3 图3 1 2 互补并联的运行波形3 4 图3 13 输入电流纹波标幺值曲线3 5 图3 1 4 卜降沿调制稳态时仿真波形3 5 图3 15 上升沿调制稳态时仿真波形3 6 图3 16 双边调制稳态时仿真波形3 6 图3 17 交错并联时稳态+ 卜仿真波形3 7 图3 1 8 互补并联时稳态下仿真波形3 7 图4 1 不同输入滤波器下的单相v i e n n a 整流器3 8 图4 2l 和l c l 滤波器的幅频特性曲线3 9 图4 3 含有l c l 滤波器的系统等效模型4 0 图4 4 系统信号流图。4 1 图4 5 g 0 2 ( s ) 的幅频特性曲线4 2 图4 6 采样变换器侧电流为调制波时系统等效模型4 2 图4 7l c l 滤波单边调制下输入滤波器电流及频谱分析4 5 图4 8l c l 滤波双边调制下输入滤波器电流及频谱分析4 5 图4 9l 滤波双边调制下电感电流波形及频谱分析4 5 图5 1 双向开关实现电路4 9 图5 2 变换器控制电路结构框图5 0 图5 3 系统采样电路结构5 0 图5 4 采样电流凋理及绝对值电路5 1 虑川丁中频电源的高功率冈数整流器研究 图5 5 三角载波产生电路51 图5 6 对称方波产生电路一5l 图5 7 软启动电路一5 2 图5 8 保护电路5 2 图5 9 隔离驱动电路5 3 图5 1 0 额定负载。卜变换器稳态实验波形5 4 图5 1l 变换器动态实验波形5 4 图5 1 2 功率因数与输入电流t h d 曲线5 4 图5 13 输入电流各次谐波含量柱状图5 4 表1 1r t c ad o 1 6 0 d 电流谐波标准l 表4 1p w m 整流器主要技术参数4 2 表5 1 不同负载卜系统功率因数和输入电流t h d 5 4 表5 2 额定负载下各次谐波含鼙限值和实测值5 5 - l 巧 南京航空航天人学硕士学位论文 注释表 ( 1 ) 缩略词及其全称 缩写英文全称 p fp o w e rf a c t o r a c d c a l t e r n a t i n gc u r r e n t d i r e c tc u r r e n t t r ut r a n s f e l r m e r - r e c t i f i e r - u n i t a t r ua u t o t r a n s f o r m e r - r e c t i f i e r - u n i t p w mp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n c c m c o n t i n u o u s c o n d u c t i o n m o d e t h dt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n p i p r o p o r t i o n a li n t e g r a l ( 2 ) 基本符号及其说明 输入电压最人值 输出电压 输入电压最大值与输出电压的比 输入电流 滤波电感上的压降 负载电流 输出负载电阻 电流采样系数 电压控制器输出值 等效输入负载电阻 电容c l 上电压与输出总电压的比 电容c 1 上电压纹波 电容c 2 上电压纹波 输出电压纹波 磁芯有效导磁面积 导线电流密度 ls z 缈 l p k l v 口l 协 l m v r a g e 咖| 出g m l f 、c 、l 2 中文名称 功率冈数 交流直流 多脉冲隔离变压器整流器 多脉冲臼耦变压器整流器 脉冲宽度调制 连续导通模式 总谐波失真度 比例一积分 开关频率 输入频率 输入角频率 开关周期内电感电流峰值 开关周期内电感电流谷值 开关周期内电感电流平均值 交错并联时输入电流纹波 互补并联时输入电流纹波 l c l 滤波器 l c l 滤波时网侧电流 l c l 滤波时变换器侧电流 最人磁通密度 线圈匝数 气隙长度 磁芯窗口面积 磁芯窗口系数 之吃万4 k ” g ( ( o 圪鸭名吃l r r咒口咄咄觚4歹 ， i ， h l 南京航空航天人学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 现在的飞机交流电源除了为电动机、加热、照明等线性负载供电外，还需要向机上的大量 电子设备供电。电子设备内部多采用开关型的功率变换器将飞机电网电压变换成设备所需的电 压。传统的a c d c 电能变换器人多由无源元件所组成，例如二二极管桥式整流器等。这些整流器 虽然具有成本低、结构简单的优点，但是由于其输入电流对输入电压的正弦波而言，具有相当 高的谐波失真，谐波电流犬，导致功率因数( p o w e rf a c t o r , p f ) 偏低。随着人量机载设备的使 用，整流性负载的功率显著增加，如果继续使用传统的a c d c 整流器，飞机用电设各导致的谐 波电流污染将十分严重【2 j 。 飞机交流电源系统是一个小容量的独立供电系统，其等效内阻抗比较大，谐波电流会导致 负载端电压的畸变，给一些对输入端电压要求高的电子设备的正常使用带来影响。此外，脉冲 电流中含有人量的高次谐波成分，还会引起电磁干扰，对飞机的通信和导航设备的安全性、可 靠性带米负面的影响。对基于航空交流电网的用电设备，m i l 7 0 4 f 军用标准对用电设备的谐 波电流提出了要求，美国航空无线电技术委员会的民用飞机标准r t c ad o 1 6 0 d t 3 1 也提出了相关 要求。冈此，研制高性能的a c d c 变换器，降低输入电流的谐波含量，并提高变换器的功率因 数，成了重要研究课题。 表1 1r t c a d o 1 6 0 d 电流谐波标准 谐波次数谐波限铝0 奇数1 e 3 的倍数次谐波 厶= 0 3 i 。h ( h = 5 ，7 ，11 ，1 3 ，3 7 ) 奇数3 的倍数次谐波 lh = q 1 5 6 h ( h = 3 ，9 ，1 5 ，2 1 ，3 9 ) 偶数次谐波 i i = 0 0 l l i h ( h = 2 ，4 ) 其他偶数次谐波 i h = 0 0 0 2 5 i , h ( | i l = 6 ，8 ，1 0 ，4 0 ) 1 2 中频电源高功率因数整流器研究现状 目前在中频电源整流系统中，为降低整流装置输入电流的谐波含量，提高系统的功率冈数， 主要有以。f 两种方案：多脉冲整流方案和p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 整流方案。 l 应川丁中频电源的高功率冈数整流器研究 1 2 1 多脉冲整流方案 多脉冲整流是指在个三相电源系统中，输出直流电压在一个交流周期内多丁6 个波头p l ， 通常有1 2 、1 8 、2 4 、3 0 脉冲整流。多脉冲整流器通常由移相变压器与多个整流桥构成。通过变 压器移相，实现三相输入，多相输出到若干个三相整流桥。多个三相整流电路组合使得个三 相整流电路产生的喈波与其他二相整流电路产生的谐波相互抵消。多脉冲整流器具有两个主要 优点：减少交流输入电流中的谐波含量；减小直流输出电压中的纹波。 按整流器中变压器的类犁可以分为多脉冲变压整流器和多脉冲自耦变压整流器。移相变乐 器是多脉冲整流器的核心，多脉冲变压整流器( t r u ) 采用传统的隔离变压器进行移相，实现了 输入输出的隔离，而且这种整流器结构比较简单。但是由1 ：输入能量完全通过磁耦合剑输出端， ， 所以变乐器的等效容鼙人，造成整流器的体积庞大。在不要求电气隔离的情况f ，采用自耦变 压器代替隔离变压器，可以人人减小变压器的等效容量，从而减小整流器的体积与成本。这种 采用白耦变压器进行移相的多脉冲整流器称之为多脉冲自耦变压整流器( a t r u ) 。 1 2 1 1 隔离型多脉冲整流方案【4 7 】 图1 1 所示为1 2 脉冲t r u 原理图，利用一个三相三绕组变压器，其一次侧绕组星形联结， 两个二次侧绕组分别采用三角形和星形联结，分别给两组整流桥供电。一、二次侧绕组匝比为 l ：1 ：4 3 ，所以一、二次侧相电压有效值相等，二次侧三角形联结的绕组产生的相电压超前晨 形联结绕组产生的相电压3 0 。变压器电压矢量图如图1 2 所示，两组整流桥输出线电压矢量 相位依次相差3 0 0 。由丁二两组整流桥输入线电压相等，所以整流输出平均电压也相等，从而可 以并联向负载供电。但是两组桥整流电压瞬时值不相等，所以为了保证两组整流桥达剑真正的 并联运行，需要加入平衡电抗器。平衡电抗器平衡了两组桥输出瞬时电压差，维持两组桥同 时处于正常整流状态，共同向负载供电，每组整流桥承担1 2 的负载电流。所以这种输出并联 的方式比较适合在输出人电流的场合。理想情况下，两组整流桥产生的5 ，7 ，1 7 ，1 9 次睹波 ) 互相抵消，注入电网的只有1 2 k 1 ( k 为正整数) 次谐波。 既然通过两个相位相差3 0 0 的变压器分别供电的两个三相整流桥可构成1 2 脉冲整流器，其 0 网侧电流仅含1 2 k 1 次谐波。类似地，通过依次相差2 0 0 的三个变压器分别供电的三个三相整 流桥就可构成1 8 脉冲整流器，其网侧电流仅含1 8 k 1 次谐波 4 0 5 ；通过依次相差1 5 0 的四个变 压器分别供电的四个三相整流桥就可以构成2 4 脉冲整流电路，其网侧电流仅含2 4 k 1 次谐波 p j ，等。作为一般规律，以m 个相位相差丌3 所的变压器分别供电的m 个三相桥式电路可以构 成6 m 脉冲整流器，其网侧电流仅含6 m k 1 ( 其中k 为正整数) 次谐波。 2 南京航空航天人学硕十。擎位论文 图1 1 1 2 脉冲隔离变压整流器结构图 y 。v 痧。= l o c i 。( 声。 7 夕。 儿惑1 - n l ， - ! 瓦彰心。 “一 p 7 + 图1 21 2 脉冲变压整流器用变压器电压矢量图 1 2 1 2 自耦型多脉冲整流方案【8 - 1 1 】 在不要求电气隔离的情况下，很多学者提出利用白耦变压器代替传统的隔离变压器米减小 变压器的容量。由于自耦变压器不仅有磁路上的耦合而且还有电路上的连接，这样使得通过磁 场耦合传输的能量只占输出功率的一部分，可以有效减小变压器的容量。白耦变压器容量小， 所用的材料也少，可以降低成本，相应的其重量及外形尺寸也都比较小。在相同输出功率的情 况下，效率也会比普通变压器高l s j ，所以采用自耦变压器还可以提高整流器的效率。 如图1 3 所示为常见的1 2 脉冲白耦变压整流器的结构图，图中自耦变压器取代了传统的隔 离变压器，其产生的两组三相电压分别给两组整流桥供电，整流桥输出通过平衡电抗器向负载 供电。与传统的1 2 脉冲变压整流器样，每一时刻每组整流桥同时导通且独立工作，共同向负 载供电，传输一半的负载能量。 由于多脉冲自耦变压整流器具有体积小的突出优点，白上世纪八十年代以来，国外学者对 其进行了深入地研究。文【9 提出了一种采用白耦变乐器的1 2 脉冲整流器，如图1 4 所示为白耦 变压器绕组图，绕组- t 型联结，其电压矢量图如图1 5 所示。通过绕组移相，由白耦变压器 产生了两组相位相著3 0 。的三相电压。文献对整流器进行了详细的理论分析，结果表明这种1 2 3 戍川丁- 中频电源的高功率冈数整流器研究 脉冲白耦变压辂流器输入电流含1 2 k 1 次谐波，白耦变压器等效容量仅为输出功率的 1 8 3 4 ，人人减小了整流器的体积。 一 自 躺 一 变 压 器 _ 一 a 图1 31 2 脉冲自耦变压整流器结构图 b ” 图1 4 t 型联结白耦变压器绕组图图1 5 t 型联结自耦变压器电压矢量图 1 2 2p w m 整流方案 p w m 整流的土要思路是通过控制开关器件的通断，将交流电压变换为稳定的直流电压，并 且控制网侧电压电流，使网侧相电流正弦化，和相电压同相位，使得整流器运行在单位功率冈 数下【1 2 】。目前，在工频5 6 0 h z 电源条件下的p w m 糕流技术研究已经较为成熟，并且得：蛰j t p 泛应用。随着工频p w m 整流技术研究的深入，上世纪9 0 年代中期，国内外学者陆续开始了针对 应用于中频电源系统的p w m 整流技术的探索。 1 9 9 8 年，文 1 3 】工0 用传统的两电平整流器拓扑，在电源频率为4 0 0 h z 条件下进行了实验研究， 额定负载为8 1 k v a ，开关频率为3 0 k h z ，输入端电流t h d = 5 ，p f = o 9 9 。2 0 0 2 年，文【1 4 】采用 同样的拓扑，在3 6 0 8 0 0 h z 的电源频率下，以d s p + f p g a 作为控制核心，对额定负载为2 0 k w 的 系统进行了实验研究，实现了功率因数可调；2 0 0 5 年，文 1 5 在效率、体积、重量和整体性能 方面对两电平p w m 整流器、三电平v i e n n a 整流器以及1 2 脉冲整流系统进行了对比研究，最终 说明，三电平v i e n n a 整流的整体性能更佳。2 0 0 7 年，文 1 6 研制了容量为5 k w 、开关频率为 4 0 0 k h z 的整流样机，火幅提高了系统的功率密度，通过各环i 佝优化设计，系统效率高达9 5 。 上面的研究基本验证了p w m 整流技术在3 6 0 h z 8 0 0 h z 变频交流供电系统中虑川的可行性。 4 南京航空航天人学硕士学位论文 与多脉冲整流方案相比，p w m 整流方案能够通过闭环控制实现更高的输入、输出性能，代表了 朱来高功率冈数整流的发展方向，另外，由于交流侧电感主要负责滤除高次电流谐波，冈此， 随着开关频率的提高，滤波电感值可以取的很小，使得该方案在功率密度方面的优势也较为明 显，而且随着功率电子技术、控制技术、d s p 芯片技术，以及系统集成技术的发展，上述优势 将更为明显。但是，由- - p w m 整流方案需要控制的器件较多，所以，可靠性低丁多脉冲整流方 案。 1 3 中频p w m 整流控制方案及拓扑选择 1 3 1p w m 整流控制方案 根据足否直接选取瞬态电感电流作为反馈量，p w m 整流可分为直接电流控制和间接电流控 制。间接电流控制1 7 】的基本思路是通过控制整流器输入电压基波的幅值和相位来间接的控制输 入电感的电流，使得电感电流与输入电压同相，冈此义称为幅值相位控制。间接电流控制在形 式上是开环控制，控制电路相当简单，但其稳定性差以及存在直流电流偏移等缺点。冈此，目 前直接电流控制川得最多。 直接电流控制 1 8 】检测整流器的输入电流作为反馈和被控量，具有系统动态响应快、限流容 易、电流控制精度高等优点。直接电流控制有峰值电流控制、平均电流控制、滞环电流控制以 及一些新兴控制技术：单周期控制、电荷控制、1 线性载波控制、线性峰值电流控制、预测电 流控制、占空比控制、基于l y a p u n o vj i i = 线性犬信号方法控制、空间矢量控制、无差拍控制、滑 模变结构控制、模糊控制等方式。 单周期控制吟2 1 】的基本思想是通过控制开关占空比，在每个开关周期内强迫开关变量的平 均值与控制参考量相等或成一定比例，从而在一个开关周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一 开关周期的误差不会带剑卜- 一开关周期。单周控制能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰， 有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗电源干扰、控制电路简单等优点，是一种 很有前途的控制方法。 单周期控制用于p w m 整流器的一个显著优点是无需产生输入电流指令信号，这样也就无需 采样输入电压和使刚乘法器，简化控制电路设计，降低了设备的经济成本，同时避免了乘法器 的非线性失真导致的系统不稳定和输入电流的谐波畸变1 2 2 1 。文 2 3 1 对单周期控制进行了改进， 提出了一种应用于? l ，桥整流电路的简单模拟控制方案，如图1 6 所示。与传统单周期控制方案相 比，该方案没有使， j r s 触发器，通过简单的加法电路形成锯齿波载波”，与采样的电感电流 比较产生开关信号。这样，避免了因r - s 触发器对输入电流噪声较为敏感而容易发生重置，影 响电路正常：i ：作的缺陷吲，使得控制更为可靠。结合以上分析，本文采蚪j 基于单周期控制的简 单模拟控制方案实现中频电源