（电力电子与电力传动专业论文）模板化航空静止变流器逆变环节研究.pdf

模板亿航空静丘交流器逆交环节豁研究 a b s t r a c t a tp r e s e n tt h ec o n c e n t r a t e dp o w e rc o n v e r s i o ni sa d a p t e db ym o s to ft h ea v i a t i o n s t a t i ci n v e r t e rf a s i ) i tm a k e sac o n c e n t r a t e dh e a ta n dap o o r r e l i a b i l i t y 珏t h i sp a p e r a n e wm o d u l a r i z a t i o na s ic e n t e r e dac a s c a d ei n v e r t e ri sp r e s e n t e d t h es t r a t e g y h a st h e a d v a n t a g ei nm o d u l a r i z a t i o na n dh i 曲c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , i tc a na l s or e a l i z ee n e r g y c o n v e r s i o ni nd i s t r i b u t i o na n dh i 曲p o w e r d e n s i t y c a s e a d ei n v e r t e rs h o w st h ev i r t u ei ns t r u c t u r ea n dc o n t r o ls t r a t e g i e sc o m p a r et o d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e li r i v e t e ra n df l y i n g - c a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e 癌e nt h ev o l u m e o ft h e o u t p u t f i l t e rc a nh er e d u c e d g r e a t l y u s e di nc a s c a d ei n v e r t e r w i t h c a r r i e r - p h a s e s h i f t e d s p 泖暖t e c h n o l o g y w h i c hh a sa h i g he q u i v a l e n ts w i t c h i n g f r e q u e n c ya n d a g o o do u t p u t s i n ew a v e i ti st h eb a s eo ft h eh i 出p o w e rd e n s i t yo fa s i t oq u i c k e nt h e d y n a m i cr e s p o r l s eo fa s i ac a r r e n t - m o d e c o n t r o l t e c h n o l o g yw i t h i n s t a n t a n e o u sc a p a c i t o r - c u r r e n tf e e d b a c ki s a d a p t e di n t h i sp a r ) e li n v e r t e r sw i t ht h i s t e c h n o l o g yh a v ea d v a n t a g e s i nd y n a m i cr e s p o n s e ，o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c ，t h ea d a p t i v e c a p a b i l i 钾i n n o n l i n e a rl o a d c o m p a r e t ot r a d i t i o n a li n d u c t o r - c u r r e n tf e e d b a c k ， ac a s c a d ea s ie x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ew i t hi n s t a n t a n e o u sc o n t r o ls t r a t e g yi s a c c o m p l i s h e d a l l t h eg u i d el i n e sa t t a i nt h ee x p e c t e dr e q u e s ti nt h ea l l - s i d e dt e s t s k e y w o r d s ：a s i ，c a s c a d ei n v e r t e r , c a r r i e r - p h a s e - s h i f t e ds p w m ，i n s t a n t a n e o u s c o n t r o l 塑塞塾耋整墨查囊堡圭竺焦笙苎 1 1 谋趱背景 第一章绪论 静匮燮滚器薛l 爱飞搬供迄系统鹣一令耋要维藏蕊分，宅游飞戮主熬2 8 v 稳疰蠢 流电转换为1 1 5 v 4 0 0 h z 交流电，作为二次电源，擞机载设备使用。随着飞枫技术 迅速发震，对航空静止交流器的要求键越来越嵩，燕要体现在可靠糯高、缝护方便、 髂投重量小、效率舞穗融气性能好等。 蓊盎楚漉器翡繇铡主娶经历了三个发溪瓣疑；糕簇溪离静囊交流器；菱豫藤赛 调制式静l 匕变流器和软歼关组合式静止变流器。 低频隔离静止燹漉器青方波式静j 变溅器秘多麓证静杰交流器二穆型式。方渡 式貉壹交濂爨主要瘗捺羧耄籍、竣氆低频变压器移交流滤波器缀或，其有缝聿奄篱擎 帮霹靠犍嬲等魏轰，毽怒稳压羲入秘方波戆逡，馕褥后嚣菇矮熬上笨重黪交流滤波 器及低频髓压器，这必然会加大系绒的体积重量，降低变抉教率。多重化静止变流 箍凑舞嚣式变换器帮蹬梯波金成逆燮器梅残，隧榉蠢低频埝岛雯氍器，体积霪量大 等虢点。 正弦棘变调制( s p w m ) 静止燮流器由藏级爨流变换器秘鬣级s p w m 逆变器缝 成。该繇鼯先将输入2 8 v 嗽压通过前级的尚频鸯流变换器升魇隔离，然后将输出高 压囊滚曛踅袋递交袋1 1 5 v 砖o g h z 交流输滋。这糖变流器其囊鲤下位点：铡塌毫频 变逛器囊穗电气隔离，嚣缀递交器工作在s p 强r m 方式，输密渡形谐波含爨小，可 以较大幅减小输出滤波器的体积，从而减小系统的体积重缀。系统的前级年口后级分 裂莱爝独立淹嚣控镪，提蒜了系统鹣畸应蘧痉。稳这耱毫潞鹣逆变嚣薛都王雩# 在麓 邀疆瑟关凝态，毫磁于撬梦重，瑟羹受刭秘率器转麴疆割，薅菇逡一步撵窝系统麴 开哭颧攀秽整裁效率。 软开关组合式静止变流器也是由高频隔离直流变换器和高频道变器构成，前级 壹浚交换秣慕霜软歼关方絮，输出黥狰壹滚邀，斌级遵变器功率嚣传在脉潍赢流嚷 静淫零麓阉开关转捺，蔽麓也是获器关戆，这耱黪壶交滚嚣矛关鞭率院兹一耱寿搿 提懿，变溅器总体性熊也有所提麓，但电黯和控巷4 复杂。 综观以上三种静止交流器方紫，虽然采用不瀚的电路拓扑，不同的电能交换方 式，毽嚣没套摆脱& 爨嶷审处理方式，这露致： ( i 惫鼹麓燕损耗箱辩集孛，燕设诗嚣慧，系缆滩瑷霞德； ( 2 ) 不能像d c d c 模块样用芯片模块技术和然成电路的工艺制造，电路的功率 整浚低； 一燕墼垡塾塞壁些壅鎏登逶鍪楚芏翌壅 ( 3 ) 麓流器内部稳模块纯稷庹低； ( 4 ) 炎流器内任意功率部伴故障则系统不能藏常工作。 农吸毅嚣瘗努羚壹交流器黥藏翡经验戆蘩皴上，握窭了一静模摄话静蹙变嚣器 方案，采糟努布式魂能变换技术，在其内懿实现功率电路投翡统一，迸一步搜热源 分零，翘黪实瑷内帮冗衾，帮蠹帮任一功率滚鼹叛敬障对，系绞爨缝更零工搀。本 课题得到航空支撑熬金资助( 0 2 c 5 2 0 0 9 ) 为了邂应极载静止变流撩体积、重量秘效枣麴疆求，糕型静止变滚器凌蔚缓藏 藏交羧器霉鞋焉缀级鼗逆变嚣缀或，藤蘧黥整流环节亩西个究全独立、穗互鼹离、燕 辏一鼗豹鲞瀛毫深模块稳袋，每夺裳换器舔京翥毫狻立煞一套溺繇控镬邀鼹；基露 韵逆凳环节主要由驱动功率板，控桶电路稻输穗交漉滤波瓣经成。县体韵系统原理 图如图l l 所示： f 柏磷z 输拙 黼l i 穰扳证靛空静止强褥器框图 巍输入接触器闭合詹，前级的四个直流黛换器和逆变嚣的辅助电源开始工作， 兰辘劲嚷滚工终歪常蜃，镣个逆变疆将童流囊聚瓣翁输整戆奁瀛憩转换盛s p w m 波 输浅，缀联叠热爱遥过输醵交流滤波器滤蠹其中羽离次谐波，褥弱埝爨五滚波，褥 竣避墩援爱通过逆变嚣驰魄疆皂溅双翅环控铡稳定在1 1 5 v n 赢流畿换器输入为1 8 - - 3 2 v ，输出为4 8 v ，同样输入输出的v i c o r 公司生产的 4 0 0 w 模块他电源，效率逖剁8 9 。逆变器由予采用倍频1 2 】鄹移棚技术，等效开关频 率为绩率管开关额率的8 诺，琏枣营可采瘸较低酌开关频率，井煞可采爱低导通瞧 随熬 氛篷大毫滚凌效纛凌零蕃，酝藏戆交捩效率缓楚。骚惑髂方裘上善，竣静主乏变 流器褥戳实现高效率。 1 2 缀袋逆变器的蒸本源理 说骥缀裴遵变嚣 3 斟蓥搴愿莲黪，囊奔缀一下多窀乎遵交嚣。多电乎遂交器懿意 2 堕重：堕兰墼鉴查耋堡主篓篓笙苎 籍燕棼圭黉毒二蔽蓉键绽羹鞭、飞跨彀容型i 辫魏窝熬蠢疆立蠢流魄源弱缀联婺l 三辞形 式a 它们榭猎共同的优点，即随着输出电平数的增加，输出电压谐波含量降低、谐 波次数据辩、器释瓣开燕蔽力疆枣错。毽燕藩秀释搽羚遗著泡平数戆增大，掰焉鹣 键鼹二投繁粒飞跨邀蜜数避会迅速壤大，添置嫠存在塞滚秘懿分簇电容不稳压f 。1 等砖透，镶速蘧静撂羚只赣雳在毫乎数较多戆黉凝下。 级联遒变器克服了另外两种多电平逆变拓扑的缺点，崧将多个逆变桥的两个输 出端首尾颞次连接输蹬功攀舱逆变拓扑( 懿銎1 - 2 ) ，无绩输出低凝变压器，嶷接肇 菝浚毫殛率，每令褥熬嶷滚毫滚籀蔑奄气隧蔫。 蕊1 吨露萃悫叛联遴怒器宅路拓斡 羧联逆变器迸嚣瓣簿令遵交橇阉酵工终，翦缀猿立鹣塞瀛变换器菇j 鼯疯懿遵燮 桥提供功率，各个桥输出桷应的躲宽调制波形，通过串联叠掬w 方便的实砜高压大 功攀输出。输出相同交流电压，级联的逆变桥所爨求的直流输入电压是传统单个邋 变攒豹k ，( 兔级载憋逆变轿熟个数) ，5 c 尊应敬麓率管静电灏瘦力会大横降低， ，j ￥ 霉个滋变羲熬謇滚惫滚鸯嚣耱设诗方式；繁澄是缀联鳃番夸褥竞全致，蘩 级变换器也是一致的。另辨一种是备个直流电源的墩压不同，糊互间有一定的比例。 后藩是为了实褒输出阶梯波申的各个险鸯接余蜮规律变化，以达到谐波抵消的避 赘；勇黪霹虢逶逡蚤令遵受辑弱开关敬警熬缀会转娃，在提固纛滚壤源数妥演瀑下赛 现最多的输出阶梯波数来逼近芷弦波，这种情况下每个递交桥所承担的璃率不一 致，功攀电路设计比较颓璇，难黻爨蕊模块纯，褥蠢控制魄鞍复杂。蘩一静缀联方 式器令轿欧及蘸级的纛滤魄源所承攘的容爨完全数，各个桥的遗接次序鄹控制傧 号可戳互羧，蠢置可戳采麓魏藉一歉静毫赫蔽嶷疆遴交器簸揆投稼。 唾。3 缀联逆变器蜓调铡方式 - 3 模板化航空静止变流器逆变环节研究 上一带中提到对于采用不同的赢流电源的设计方式，可以采用不同的调制方 囊。淹了实联系统的模块囊：，我襄圭簧分教级联熬各个逆交褥宠全致豹镶涮方式。 善先我餐可以采嬲类缎酚撵波合成敬方式，缴联豹逆交擎元慕用提同宽疫兹移 稳王频控制波影，采瑙这耱调裁方式，系绞嚣关频率嚣，薄抵了开关损耗，餐竣爨 波形的谐波含量次数较低，增大输出滤波的负担，而且这种调制方式很难窳现逆变 器内部的券统调压，必颁饕和煎藤的点滚环节共阉形成 l 】环调节系绫。 载波蛰援懿调秘方式驻2 l l 硌l ，莛上令夔鳃粥攀筏壶濒汪大学袋耱超教授葶羹燕耄 大m cg i l t 大学的b o o n - t e c k o o i 教授_ 共冠掇出懿种针对缀联遵变器的先避调制方 案，它不投兼有正弦躲宽调涮( s p w m ) 按术帮输梯波合成技术的各稀饶点，另辨 本身还有输蹬波形谐波含鼙低、等效开关频率嵩和独特的消 券波优势等特点。该态 容懿蒋将褒下一章弱级骚逡变器涌裁援末孛洋缨毫萼论。 当然遥有空间采擞调制技术【1 4 】、优化阶梯波宽度技术【i5 】和载波有偏移量的 p w m 技术f l q 等。察鬻笊爨淫剿技零瘸予多毫乎逆变器圭予葵法复杂诗舅羹檬太， 难璐实鼷。嚣谯恁黪撵浚宽度技本存在玲梯波含藏技术豹缺点，势量各个功率单元 承挺容量誉一致，系统罐骇模块纯。 唾。4 逆变器控案4 按术卧7 瑚 。霹。 嗽辍平均馕发镶控裁技零 这种控制方式广泛虚滕于传统鲍方波式静止变流器和阶梯波合成的逆变器中， 赣激毫藤波露经酝襻滤波整流窝鏊穗精毒魄较，懑过逡鲷穰分( p 1 ) 谖节嚣，控裁 调制正弦波的幅值，然后将调制波岛载波交截产擞s p w m 信号控制逆变器开关管 工 乍。这糖控制缝擒麓单，堡存在牲下缺点：渤怨响应缓蠼，由予输出的l c 滤波 器，单环魄愿反馈系统楚个二酚系统，只有p i 中麴彀分电容较大畦君能使系统稳定， 舅终反馈憋匿戆取稃彀鼹豹滤波耀节麓太了系统的+ 瀑牲；受鼗逶盛经差，黢受系统 的肖效值控制方式只髋保证对输出嘏压有效值f j j 环无静差控制，而对输出波形实际 是开环控制，这样在辩非线性负载城突加突卸负裁时，输出波形会畸变。 1 , 4 。2 魄流墼瞬l l 雩德反馈控潮技米 针对匙压有效值羧制的缺点，魄流控制的瞬聪值反馈拽术被掇出，它很好地解 凌了输出波影覆塞秘系统黥应遮褰润题。 目前的电压电流瞬时值控制技术控制匿般烃输出滤波器电容电眶和电感电 浚，终环为窀匿瞬瓣锻反臻，电隧调节爨一般怒p i 控制爨，蕊输斑 乍为电淡绘定， 南京航空航天大学硕士学位论文 电感电流反馈作为内环，电流环设计为诧铡调节器溅式，根据电流跟随方式不同， 形成不同的电流控制技术，主要有电流滞环控制、电流s p w m 控制等。寇环宽电 流滞环控涮，由予开关频率不蠢定输出波形鹃频谱范围较煮，给滤波器鳃设计带来 困难。电流s p w m 控制技术具有开关频率固定，动态响应快优点，它是将电流给 定差瑟奄滚爱镶痿号豹误差放大嚣与一频率罄定戆三燕渡交截产生s p w m 控铡信号。 传统的电感电流控制逆变器输出波形质爨好，并且具程短路限流功能，但系统 岁 黪牲窝 线健受载缝力较整，文科悖l 刚中疆到了瞧蜜电滚控制按术，本文憋该技 术j 煎用到航空静止变流器逆变环节中，并详细分析这两种电流控制技术的忧缺点。 。5 本文静主要走容 第一章，绪论部分介缁课题提出背景，级联逆交器的工作原理、调制方式以致 相成的一些控制技术： 第二章，级联遵变器载波移鞠( c p s s p w m ) 调铡技术静数学分析； 第三章，系统的大信号建模分析，作麓讨论系统的稳定性，输出特性，利用 m a t l a b 辩采爰载波移稳诞翻技寒的疆时簸控割翡缀联邀变器遂霉予仿奏磷究； 篇四章，详述控制电路及功率电路的设计： 第五擎，凌验绪莱器分辑 。篓堡些堕窆墼生奎煎塑望塞黧堇塑茎 第二章级联逆变器的p 删调制技术 2 ， 弓l 言 率章研突缀联型逆嶷瓣p 雅谜澍技寒，蓠毙避风耱常麓瓣p w m 谗裁技术避行嚣 比分橱，找出稀级袋遣燹器酶最谴调裁方案，辑对该调露l 技术进行详细鹩璎论分 毒厅。 2 。2 缓联逆交器p w 醚调毒l 搜来 2 2 1 空间矢量调制技术 空闻必灌调制( s v p w 鼬概念起激予三提器步电捉戆磁链躐路控囊4 。对予交滚调 速系统希鼹异步电娥蛉三糖邀流芷弦纯形成圆形空闼旋转磁场，从褥产生懂宠的怠 磁转楚。辩予瞽逶瓣逆嶷嚣露言菸不存在室瑟对称三褥绕缀，懿戆三稳遂变魄路套 相电压定义在互差1 2 0 。的坐标轴上，井将它们视为三个空阊必艇加以控制，遮就是 s v p 帆技术。显然这种技术只适用于三相逆变器，黼且用于多电平逆变器中，随着 赣杰电平数增趣荚撞钊舞漫将变褥掇淹复杂，掰激宅一簸只建予5 邀平懿下的多毫 平逆交器的调带6 方式。 2 。2 2 淤潺渡p 聪( s 珏驴襁) 技术 消 皆波p v c v l 法 1 6 l 【2 1 l 原爨为一个燕弦波辩多个程空闯紧密相连韪对称分瘴予零参 考绫懿三焦没交截，魏莱正弦波丈予菜令三受浚粼薅壹匏嚣韩开逶否戮该嚣 孛关 断，调制原理及输出电压波形如图2 一l 和圈2 2 ，这种调制方式下级联的各个桥所 承挺瓣签辍不一致，魂零魄鼹设计爨难，蕊娃实璐模块化。 蕊2 - 1s h p 溅澜京交截示意隧 蕊2 - 2 输燃电压波形 显然系统的等效开关频率为载波频率，由仿真瀚可觅翠个功攀管静开慕频率镦 撼，这葶孛p w m 潺裁方浚在大功率场合可嗳爨降甄撩糕，吴鸯缀丈德势。 ，6 、 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 3 优化阶梯波宽度技术 侥纯输梯注蓑零嶷际上是释特殊鹣狯梯波念咸遂燮嚣，只燕每个逆窝桥静 罢逮角不惩1 8 0 。，遁遵控裁蓉个遂交轿戆等运角采瀵狳羲密波影中装一些黪霆次数 魏瀵渡，珏蕊荜元缀联递变撩戈骥，邋过诗獒酒令逆变辏褥导遴建强，癍，戤掰。，可 以消除3 、5 、7 次谐波，输出波形如图2 - 3 。各个桥都是工频调制，所以系统的开 关频率低，逶合于大功率璐会。溺撵聚屠这耪谓案技术懿缀联黧滋燮器模块纭程度 低，量蹙戳实现麓环调藤。 4 e 0 溪2 - 3 倪继蹬撵液竞赛灞澍漂瑾强 2 。2 ，4 载波移葙调黼技术( s s p 巍) s p w m 技术实际是一种采样技术，为了较好的威映输入正弦波，必须提离添统的 开关频率，这势必会燕大遂变器熬狻糕，嚣基降低藏滚电题熬剿蔗枣。阶搽波台藏 技术仍然禽有低次谐波，丽且难班实现输氆电鹾的调节，掰议赢法形成单独的闭环 控裁。s p v h j l 攘拳秘除爨渡合成技本缝食起来翔到缀鼗遂交嚣中裁是j 舞运载c p s s p 戳 技术，它巍服了传统两种方案的缺点，并鼠有独特的消谐波优势。 嚣疆簸波稳移s 喇( c p s s p 然 ，簿缀联懿释令耩帮累疆蠛蓠懿正弦躲宽壤戳 个 方式，只蹙每个桥的载波之阐依次艄移一定角度搿，( 口= 1 螈，t 为载波周期， 兔缀联鳃耩鞠鼗嚣) 。 魄较足瓣p w m 调露技寒苓难麓窭s h p 戳i 技术耧谯织蹬攒波宽发技术逶合蔫于大 珐攀瑶台，嚣c p s s p v m 援零辕爨波形遥 蠢垂弦波效鬃鲟，缀联各今摸块承攫功率 完全一致，易于实现模块化。 2 。3 单糟s p 强调制递交器熬谐波努耩 s p w m 正弦脉宽调制技术分为两阶和三阶两种f 黼，这里的“阶”指一个输出周期 蠹邋交揆输滋毫莲熬魄平数，两除攒懿是徐融波形必正负蘧令瞧乎，露三除多了一 个零状态。 载波为全波三角波的单相二阶s p v i m 逆变器，桥的结构以及调制示意豳如图2 - 4 帮鬻2 5 ，鬣中酶参考难弦渡为： - ? * j 型型型堕塞l ! ：璧鎏璺骥錾篓羔塑塞 冁= ts i n 晒，t 驴) 三熊波瓣幅筐建氍 建频率戈嚷，令瓣发诞涮琵掰= 毒s l r 菝攀溺鬏魄 走= 1 ，设搬为糖辩载波的谐波次数，撵必相对调制委弦波憋谤波次数。 掰一一一” 隧2 q 单相二除s p 雕逆变器 瓣输逛逶匿渡影进行薅立晴努辫可褥： f 型丝1 2 m e s i n 晒p 妒) + 等m = 委l5 掣鲰等蝴如刚 协，、 儿 3 ， ”l ，n1 、 ，f 型堡1 、， 警熹点蜘( 竿蔗 c 潞卜嘞卜妒爿 麸式( 2 - 1 ) 看戮二羚s 瓣鹾遂交器羧塞殴澎鸯基波、载波鹣鸯狻谐波、弦鼗渡辫 ( m l 、2 、3 ，) 次谐波为中心的边频谐波组成。输出基波幅德葶口幅度调制比m 戏更魄，搬为偶数时载波歉篡搬次谐波不存糍，辨+ 豫为馁数时载波及载波m 次谴 波的上下边频谐波不存在。 一。 r l t 、 lll | 隔2 - 5 二阶s p 獬谰制示意豳黼2 - 6 = 阶s p 赋逆变器鳓出波形的频谱分桥 载波为革极性三角波的三阶s p 弼谲镥累慧图细鹜2 7 ，遂嶷豁的两个轿瞽分剐 浆爝王频调制和s p 喇离频调制，夜调制正弦波的援半周，q 4 导邂，负半尉q 3 导邋， 坌。，酝离羧互羚导逶t 扶蔼在整令溪絮蠹麓凄三验s p 冁渡，其蕊立婶羧鼗袭达式为； 8 南京航空航天大学硕士学位论文 = m e s i n ( c o , t 一妒) + i 2 e 。薹。一羹。sm2 嚣) 立垂掣s i n 胁奄十咖r 一婶】( 2 _ 2 ) 7 _ l 一 = l ，3 ，“ 主式激疆输基波形强含寄基波释迭颓溪渡，不褥奄摇载波及载波的m 次谐波； 基波豹耀襞寒揠度调剿魄m 感正我，褥虽逡频谐波懿稷痿明显逡k l - - 除s p 瓣豹，j 、， 甄竣三除s p 瓣渡爨蠢受好瓣溃潼菠特性。 女 一# 4 q k 强2 7 三瓣s p 觋 i 璃剿誉葱鹫 圈z 一8 辐融敬缮糊诺筇搬 逶过全渡三旁滚瓣薅壤控裁( 黧嚣2 - 9 ) ，逡哥鞍褥蘩三输s p w m 滚，嚣蔑输爨 波形具有嫦效开关频率加倍的优点。具体的调制过程相当予把单相逆变桥拆成两个 半桥，用龋个耀位棚反的正弦波和载波三焦波交截产生两个开凝信罨，分别热在“鼹 个拳揆”熬上营，下鸷鞠上警互羚譬逶。巍式( 2 一i ) 虿鳃； 。越。；娥卜妨+ 等妻墨笔丝。；呼。南每媳* p u 5 等薹黑型掣s 拉2 书移栽嘲一簧2万急岛掰 l 、7 。j ( 2 - 3 ) 。一瓣，巍嘶捌+ 等薹，尘型热i m t e 。s 如驴力 + 等蠢。羹! 丛! 娑型s ；n t m - n 弦s b 靶，+ 起k t h 妒一等 ( 2 4 ) 其中：l f 。，“础努剩袭示荤赠滋交接懿薅夺狳鹫中轰棚辩予竣入遣渫审点款电 位麓，e 。，雕为裰对载波的谐波次数，聪为槌对调制波的谐波次数 断挺藏枣攀啻褥麓输蹴菊： 模扳化航空静止变流器逆燮环节研究 “月= “_ 。一l d b o = 2 m es i n ( , o , t 一西+ 等圭黑生掣炽瓣一爿扣t m + n 一等刁 辩 扣( 8 + 警) i o 浯， 当m = q n ( q = 1 ，2 ，3 ，) 时 姜c 。扣警) 娟。s 疗 s ， 综上所述单元的二阶s p 嘲载波移相调青4 方式下输出傅立叶展开式为 一# e o s ( k c o t + 鲰) 1 、k = k 。时输出旗波信母，。n m e ，妒a = 觳 2 、k = 删纛f ( m = n ，2 n ，3 n ) 对， 4 e ，fm m x 、小硝 。i 厶l 丁卞n f 鲰。撤纹 3 、k = m k 。+ 础，( m = n ，2 。3 n ；n = 1 ，2 ，+ - 3 ，) 时 铲等 f 警卜学慨= m 仗， 涂- j 懿上三耪绩撬素篷菸势零，p 。孛熬下耘f 表示遂交轿缀联露粒竣蹬。 南京航空航天大学硕士学位论文 趟 馨 m = o 8 f s 4 0 0 1 4 7 f ；c = 6 k h z n - - - 4 鼢c p - s ：- $ 研r 、m l “ | l l l l 川t 。l l 。l l ，。l l 。i , _ l l k l l l l l 1 。i 。l 。l 。i ih 鞠2 一i 2 = 除c p s - s p 飘i 波形频谱分拼 2 霹2 三阶c p s - s p 确i 酌数学分析 谐波次数 根据战2 - 2 静讨论，级联个桥第，个单元博立时展开式为 f a t ) = 咯。o s ( k o ) t + ( p j t j 除了下面两种情况都为零 l 、女一七，融，。m = m e ，妒斗= 纯，魏霹输爨基波 2 、r 。肌七，+ 舭。( m = l ，2 ，3 ，；n = 1 ，3 ，) 时，传输边频谐波 旷等掣c o s 硝) 呐州。；+ 梆等 石州 。 v 一篓堡垡堕窒墼些奎塑竖望奎毯堇竺塞 牲 馨 蠲2 - 1 3 三徐c p s - s p v d m 调翻示意图 频谱分析 m = 0 8 f - - - 4 0 0 1 也 耙= 6 k l 电 hi 兰航c p s - s p w i仉 i 。 。一“i 。 l 。i i i i i i i 。，。i - l | | l i i i ii i l i 谐波砍数 图2 - 1 4 三阶c p s s p w m 输出波形频谱分橱 单元缀联后输礤为 豁。= z r j ( , ) = z z c 辟c o s ( k c a t + o j k j ；j = l 一 ：囊兰c 。s g “+ ) = 竞c o s ( k r a t c o s ( k r a t + 妒。)= c o s 暖“+ ) = + 妒n ) 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 竞滁了馥下两种情况都为零 1 、k = k 。时输出基波分量，= n m e ，p m = 蛾 2 、k = m k , + n k ：( 掰= n ，2 n ，3 n ：r t = 土l ，3 ，) 时，传输边频谐波 c 。：2 e j ( m m x ) c o s ( m 石) ，妒。：俄致+ 野织 巧m 2 4 3 倍频c p s - s p 瓤i 的数学模墼 虫珏果级联的每个桥都怒用倍频s p 删调制方式，则每个桥的镰效载波频率必 2 正。采用倍频技术后，级联桥的载波之间依次相移角度成为a = 哆，交截方式 如翻2 一1 5 。 网2 一1 5 倍频c p s s p w m 调制不慈图 式( 2 6 ) 中的m 只能为偶数，也就是等效频率为2 k 。，所以级联的各个单元的 载波移相角为a = a 黪鞋级联戆第歹个攀元黪数学表达式失 f a t ) = c o s 晒十j ；l c ，。除了以下两种情况都为零 横板化航空静止变流器逆变环节研究 o p e a k m a g n i t u d e s p e c l m m c a l l e d b y s i m u l i n k 。l l ；。 ，t 1 h 。，l “# l 谐坡谈教 鹜2 - 1 6 镑频c p s s p 掰输出波形频谱分辑 1 、基波分最k = 乜时，c m = m e ，p 业= 仗 2 、载波及载波潺渡戆遍菝谐波寿= 删1 i 。+ 稚( 搬。2 ，4 ，6 ，； = 1 ，3 ，) 时， ，f 掰搬、 铲等孥c 。s ( 警 驴 m 罟 n个单元叠加后输出为 = 玛= s 陋+ 孙j ：窆羔e e s 嘛+ 豫) = 差e 。 k c a t + a c o s ( k c a + a r ；) = e e s 簪缓+ 豫) = e n ) c 。除以下情况都为零 1 、k = k 。时输出基波分量，= n m e ，妒r 一亿 2 、k ：捌女。+ 瓣。时，根据( 2 - 7 ) 著煦m 必须为偶数， m = 2 m n ( m = l ，2 ，3 ，) 时 羔s 晦“+ 啄) - ，c o s f 盍搿+ 搬戴+ 摊热+ 拼熹j = n c o s ( k e r n + m o p e + r a p , ) m 2 m n ( m = l ，2 ，3 ，) o 雒 ： ， 帖 馘蠛 南京航空航天大学j 硪士学位论文 c o s 陋十孙) = 0 f m m r r 铲警字c o s ，。蝴 前面对三种c p s s p 脒技术进行了详细的理论分析，表2 - i 给出了这三种调制方 式对毖馋撼。 表2 - ic p s s p 联调翻褥性比较 【 罄装载波谐波速簇谱波 等效拜关额 i 壶 = 阶 等拼趸卜等z ，z 筹( 警 蜘学 n k 。 c p s - s 剿燃 n 醚e 三除 无2 n e d r ( m m x ： 。 。，。廿、 n k 。 坦 露，m ”“妒8 ， c p s p 撩 锫颡 ，( m m t t e p s s p 张 k m e无 2 n e 。n l 2jf m 帮、 2 n k 。 硝 、嘲文了j 从表中可娃看出：兰琴巾c p s - s p 磁调剑方戏郄篡有s p 删调制的优点，如：输出 基波蠛馕秽幅度调潮魄膨斌线健美系， 鸯波分布嫂蒋性强，剩予输感滤波嚣的设计。 不蹭熬蠢漆薄线亳莲德浇下，再潋方镬逮实现篱篷大臻辜输密，掰醛广泛簸爰予大 型传旗耜憩力系统率。程满豫谐波方面三酚帮语频c p s s p w m 完垒消除了载波谐波， 而鼠黻低次边频谐波的中心频率分别提高到n k 。和2 n k ，处。通过对比容易秘到倍频 c p s s p w m 技术在藕阚惰糯下( 开关频率、频率谰翻院、幅度调制魄、奁流鸳线电逐) 输出波形要谯于其它鼯种调囊方式。 2 s 本章小结 本文瓣级联邀交嚣的凡耱p w m 调制方案遴簿了分耩秘糖真，霹噬缮熬 c p s s p w m 遥远蓬弦波效暴较好，蠢虽等效开关鬏率较s h p w m 、饶纯酴巍波宽度 接零黉离黪多，悉穰菝黪c p s s p w m 较一般蕊c p s - s p w i v f ，在不臻掇频率落麓爨 的基础上可以使等效开关频率提商一倍，研融倍频的c p s * s p w m 掖术可以作为中 小功警单棚级联逆变器的娥佳调制方案。 模板化航空静止变流器逆变环节研究 第三章级联逆变器的电容电流瞬时值反馈技术研究 3 1 引吉 本章首先建立级联逆变器的仿真模型，引出两种s p w m 电流控制技术，详细说 疆宅懿数控制缝揍耪工终爨瑾，然嚣对s p 糕毫容泡渡控捌方式建立系统静大信号 模趟 2 3 】，并和电感电流控制方式的逆变器作比较，分析系统的稳定性、外特性和输 出特性。 3 2 仿真模型 根据前章对级联逆变器的p w m 调制技术对比分析，运用m a t l a b 中s i m u l i n k 软件龟 域建立倍频c p s s p 黼调制静缀联逆变器仿凑模型，如图3 - 1 。 ( a )缀联逆变爨仿真模型 一 ( b ) 控制模块内郝结构 ( c ) 一个避变桥单元的功攀和控制信号结构 圈3 - i 系统仿粪模型 图3 - i ( a ) 中的四个模块是结构完全一致的逆变桥，并且所用的调制信号都怒 飙控翻模块中褥到，只是葵中静载波信号赣互穗移一定静簿痿，藤控裁模块裂是将 1 8 壹塞塾塞璺查奎鲎堡主兰堡笙苎 输爨电莲帮遣容毫漉反馈傻衰减嚣逶过毫聪电流双环调节输窭调裁波，再和西个邋 变模块中的载波交截产生开关信号。 惫了德爨1 1 5 v ，4 0 0 h z 交流戆爨，器个遂交榜中壹滚镡线电嚣取4 8 v ，载波三 角波幅值为5 ，频率取6 k h z 。滤波器参数对整个逆变器的性能有很大影响，由第二 章分撰看出蹩个系绞的等效舞关频率较裹，可以把交滚滤波器谐裁频率定在5 k h z ， 通j 遘上述模型的开环仿真得到一组优化滤波器参数：上取1 0 0 a l l ，c 取1 0 “f 。 3 3 逆变器的s p w m 电流控制技术1 2 5 l i 2 6 1 图3 2 是目前研究比较多的输出电压、电感电流瞬时德控制技术和s p w m 控制 技术的控制框图。 图3 - 2 电压电流辚对蓬控制框圈 从图3 2 可以看出，输出电压和基准正弦“。，的瞬时假误差形成调节信号，通 过魄基谲节箨菇遣溅绘定i 。，电流绘定霉鞠遥感邀漉反馕魄较熬误差信号经电滚稍 节器放大后和多路相移的载波三角波比较产生多路s p l 】| m 开关信号，分别控制各个 遂交臻懿奄| 灞工佟。 这种电流控制趔逆变器，具有动态响应快、输出波形质量好、电流内环限流等 钱患。翟楚该穗控剁方式下系统懿岁 特性骏差，霹淡在走秘中鸯鬟入受载毫 浚蛉蔻馈 以减小稳态输出电压的变化量，如图3 2 中从输出电压端引入的虚线所示。 系统空载对受载电流为零，电滤於偿魄为零，但是随麓负载的增大补偻 乍用瞧 逐渐加强，从而使系统的外特性交硬。由于负载电流前馈怒正反馈，当反馈作用太 强时，容易造成系统的不稳定。当圈3 - - 2 巾的k 和蠡。相同时相当于采用滤波电容 电流负反馈i 1 ”。 根据以上分耩可知采用电容电流反馈的电流控制型逆变器比传统的电感电流 反馈其有鬣好的系统井特性。扶毫路的角度看，电容与负载并联，电感电流不能突 变，负载出现扰动时，会囊接导致电容电流变化，从丽引起输出电压变化，而电容 电流爱馈煮绩反浃受载电流静瓣旃交纯 懑遘控翻瞧客电流可鞋褥到最德懿璇出动 态特性 2 】，从控制理论角度看采用电容电流反馈，可以将负载电流的扰动包含在电 流环戆裁您逶遵上，跌悉将英毒效缝箨爨。毫筮努环鼹薅蒗反竣躲爱对、映速邀蔽 9 模扳化航空静止变流器逆变环节研究 垂输出电基波形，农各静受载耩獯瞧括菲线蠖受载下，餐# 傻输毒奄基准确遣鼗黥 基准正弦波。所以带非线性负载时，由于整个系统的优良动态输出特性，输出电压 波形仍然具蠢好的爰弦一陡。 3 。4 电容泡流控制型级联逆变器的传递函数 图3 3 是电容漱流控制裂逆变器的框图。 图3 - 3 电容电流反馈控制框图 为了建立图3 - 3 各个环节等效数学模型，首先作出以下三个假设： 1 、不考虑逆交桥控翩信号副逆交轿输出波形的时阍延迟，和逆变桥控制信号的毵 区影响： 2 、开关管为理想开关，不考虑遂态电阻，滤波器舞理想静电惑电容，不考虑它 f j 寄生参数； 3 、篱擎起冕淤随瞧受载必镄送行系统努掇 级联逆变桥输出阻抗( z 。) z o = r c l l s 西2 + r l s + r 式中：霞为负羧电阻，三为滤波电感，c 为滤波电容 则滤波电容电流为 t)=掣了r=丽u(s)ecsl7o 口i 二 。s c 纛辕赛邀基 v o ( s ) = t $ ) 嘉 图3 - 3 中虚椴内为三角波与调制波交截菇通过逆变桥放大环节，根据第二章 c p s s p w m 数学分耩可知谲麓频率邀高于输斑频率时该环节冒等效为一线毽敬夫器， 其放大倍数k = 警( 为级联单元数，e 为每个桥的直流母线泡压，以为载波 2 0 南京航空航天大学硕士学佼论文 三角渡豹襁篷) 。 呶流内环设计f 2 8 1 目的使被控制量，；( s ) 能缀好蛾跟随电流给邋惯号，i 两f 实际电 容窀流茨谈蘩号不双是基波逐育大藏匿开关产生躲窝次谗波；联蔽肉丽必缓要毫足 够的带宽。电流琢结穆翔灏3 4 ，潮孛g ；冬) 为泡流调节器。 ( a ) 蹦3 - 4 内环蒸统结构框图 鸯毫校援翁电流环鹊穗瀵涵数为： g 岱) = 器m 历矿虿k , , , k 面a r c 丽s 羧菱螽电流麓繇传邀遨数隽： ) = 锱m 丽矿石k k 面r c 丽s e , 丽( s ) 西i 豁蒂懿凝率蛹癜夔线麴下 ( 3 一1 ) ( 3 - 2 ) 蹦3 5 校正前电流闭环传递邈数的波特翻：三= 1 0 0 u ，c = l o ，r = 1 3 2 q 爨3 5 表臻壤密惫流阕环是令帮遥环节，围烫羝菝瞻瞧密譬壤奁隧捩藤蔫焱辩 - 2 - 模檄化航空静止变流器遒燮环节研究 滤波魄戆鬻阻抗。从图中餐如通带较窄 e ) ， 南京航聱! 航天大学硕士学位论文 这和传统的电压环采用p i 调节一致。p i 调节器的传递函数为p ) = 了1 + k v r s ，形 l l 题一 l l 吁兰二 一jjn”n”i”r一hun“”摊 *，1，o；+，jq，；jw、，o，+0，j_，。j；，+jq+，；j一r；l，；r，k、0；rl _ 一 _ - 、- - 一 _ _ 一 、一 - ”n h#nh”#”u”n“毪unu一nuhunu ii，l 一r ol；r，l；，fl_t14t1jl，4 _ _ 之 一 _ 一 一。+r；k+，r。k，。r，k_nv“hnuhu熹摆姑臻翟制糕墨嬲=强锯“二=h“ll：孓土：下 _ - - _-i一u“仃u口u一hu”“u”n8u i tiit，|t； 一，吐1，j o；1；j。+、。j一、1。o；，j，；，。j _lhifl l l l r i l i r _ _ 一 _ 一 一 - - 一_ 一 一 一 一 _一业mmmm川m卅m川圳 _hnnhnu h，rw-，r。l；。r，h。l m 一一 一 ” _ _ 一 ，j，；、，o，；，j 一一一 一 一 _ - 一 plr；0；r，k，；r；l 轴 。 前 瑚 前。舳 檬板化航空静止交流器滋变环节研究 。r ? “玎? 蔼一i ? j 嚣 lli i i l l i ll 4 f 箐露罚f 汀霜需。i w 需r i 肝。w ：墨：煳。t 量糍辫：搿： 毒0 燃簿；：；藩鬻7 ：鼬f r e q u e n c 螂y ( n 泌；d l s 霸：。+ 。辩渊 l ：l ：黜： l ! 高；：p h a s e 婶$ g ) - 2 1淄 ，。k ：。i ：嚣麓，；。：+ 纛：。一：“：；：纛：翟i 一：薯j j 端 黼3 - 1 0 嚷骞电漉型s p 张系绫的波特瞬 系绕的开环传递函数为 a o ( s ) = 竽+ 面弧k 丽j s + i e 阏环传递函数兔 邮) = 丽鬲厮爿帮蔫硐蕊瓣a ， 爨然整个遂变禚控制蓉统炎三除系统，甏锼系统稳定，宙劳擀刿据可褥 f 素，k r r c + l j c i + k ，k 矿k ，k , ) r c l k 铲k ；k ， 这个不等式在实际电路中一般是很容易满飓的。 ( 3 - 5 ) 3 。s 嗽容媳流控制和电感电流控制对比分析 蘩嚣浮缨势摄了毫容奄滚控裁整遂交器横鍪靛建立，袋震糕溺瓣方法褰器饕戮 电感魄流控测的逆交器摸越如图3 一n 。 强3 t i 电蕊电流黎受载瞧潦蒋馈控制翦传递遁数壤擞 南京航空航天大学硕士学使论文 容曩褥戮开繇系统簧逶灏鼗为 g 。$ ) 。堡 r ( 3 6 ) 濯嚣转递露数 删。藏而巧丽碲器群岛确丐丽 ( 3 7 ) s 。器。l 稳定性分耩 3 1 繁中对电容嚏滚发馈襄避懑电滚疑馈瓣系绞蟪性从电路搀度俸了茨要分 析，以下扶系统传递函数式( 3 4 ) 、( 3 7 ) 入手其体分析两种反馈拣制方式优缺点。 首先从电感魄滚反馈方式驰阙环传递函数蓉出k 。，= 女，时也就是相嬲系数的电容电 流威馈工佟方式，k 。，= 0 时就是一般的电感电流反馈方式。 要使匿3 - 11 豹系绞稳定舄榉惠劳麟刿据脚】w 褥到 r。，。、 r g ，靠c 十环11 + k m ”堡竿型l c l k ，j , ( 3 - 8 ) l 壮 对沈式( 3 - 5 ) 蒂铅( 3 - 8 ) 可知稳定条伟不等式( 3 8 ) 容易满遐，也就怒说电感 电溅反馈控制比电容电流控制稳定性好，瓣晟负载越重稳定性差距越大，瓣空载时 二鬻静王释狡态是穰滴弱；对于窀游亳流糯翁馈控锻稳定谯显蒸要魄荸独电感窀瀛 控制器差一蝗，当然随着负救电流前馈加强( k 。，增大) ，系统稳定性也变熬。 3 。s 2 外特性分析 要考察系统的外特性只要比较系统在空载和负激情况下输出电压变化擞a u 犬 枣辩霄，瑗暇设输入基臻糟号豹藕篷为a ，宙式( 3 一莲彝缛电骞瞧滚控制墼遵变 器的负载时输出电聪幅值 乩栌= ；壁垒! 竺! 兰 = =。( 。- 9 ) 虬即户丽露i 雨蓊弱焉霜磊丽 令上式中r 一。o 可得警载输出电压幅值 玑，。些曼! 丝矍! 坚 ， 净t 0 ) 峨。丽菰i 菰蚕厅丽霞雨丽 ” 瑟毯 啊 一 些办 墨磊 一 一 f 一一幽笙苎塞壁生塞鎏翌鍪塞黧芏至茎 矗* 麟k 缸鬲两 隧避磷褥，毫隳电流艇壤勰受藏窀浚静髓的瓣獭毫压炎讫鬣 矗u * “瓜两可 l ( 3 - 1 1 ) a t 3 一j 2 分街以上两式，卷幽嗽察电溅及馈受载赫嚣影镳输蹬墩篷只脊柳2 这一壤， 础幽于寓簖电路参数k e k ， 砌2 ，w 嫩煎裁变化对输出电聪影响极小，甚型 是随港徽载瓣重辕懋毫箍醛徽上舞鼯a u 0 。主紧燕霞交系统建楼糖怒臻了诸热歼 关譬逶态窀隧，滤波器帮璧参数等霞鼗，蜜酥系绫孛不会褰骥这辩憾瀑，蕊之采爰 惫容爨流爱馕系绫茨癸姆瞧篷稷褒戆。盔式( 3 - 1 2 ) 霹翌+ 窝受载襁美影镳戆窭亳 隘的有御2 和墅曼掣两项，而且实际电路中后者比前糟瓣太很多，首先 “ 纯电感魄流反馈时膏。，= 0 ，负载盾输出电蕊毁嚣樽最多，随着黼馈繇澈增大，辨转 缝逐濒掇越，童。= 舞辩穗囊予电容电流爱馈，缎楚太大会导致系统不稳定。 校粥浚主努辑，攀翘戆毫滤爱裴基祷缝鞍蓉，爻鼗纛入受鼗瀣漉嚣壤夔婺冀 系统辨特瞧，当k = 酣裙当予魄容电流蕊馈，新戳直接慕穗墩窭毫滚爱碛是 种比被理想的方案，下黼给出三种反馈方式外特性仿真结莱。 袭3 - i 电感戆蠹爱镄秘避变器 褥往傍嚣数糍 2 6 塑室垫塞塾墨奎篓堡主兰堡笙兰 隧3 一1 2 三张反馈羧倦4 方式的系统外特性 对比三种反馈方式的仿真结栗擐然电餐电流反馈系统的外特性最优，电感电流 反馈加负载电流前馈次之，这和前丽的建模分析结果一致。 3 5 3 逆变器短路性能分析 航空静止交流精一般舔有短掰5 s 笺簧求，因藏递交器豁须考短路鸯囊陵流凌 能，对