基于極點配置的400 Hz 逆變電源系統(tǒng)設計

0 引 言

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(tǒng)， 400 Hz 電源系統(tǒng)的控制難度更大、可靠性要求更高。傳統(tǒng)的逆變電源， 由于系統(tǒng)阻尼太弱，導致系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。

1 系統(tǒng)建模

由于功率開關管的存在， 顯然逆變電源系統(tǒng)不是線性系統(tǒng)， 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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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。

圖中VT1 ~ VT 4是4 個IGBT ( 反并聯(lián)二極管) ， C 為濾波電容， L 為濾波電感， r 為綜合串聯(lián)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(tǒng)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:

由自動控制原理可知， 系統(tǒng)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(tǒng)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:

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

不難看出， 引入雙環(huán)反饋以后系統(tǒng)變?yōu)樗碾A系統(tǒng)，特征方程D ( s) 的4 個根即為系統(tǒng)的四個極點。根據(jù)極點配置原理， 便可以根據(jù)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(tǒng)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:

非主導極點對系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)特征方程為:

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