基于主從控制的靜止變流器并聯(lián)系統(tǒng)

　1 引 言

　　國外航空靜止變流器目前已經(jīng)系列化，單相靜止變流器從50VA～6KVA有20個(gè)功率等級(jí)，三相靜止變流器從150VA～12KVA有11個(gè)功率等級(jí)，其中基本模塊有6個(gè)，最大功率為1kVA，功率密度為6.1kg/kVA。許多功率等級(jí)的產(chǎn)品，尤其是大于1kVA的產(chǎn)品多采用由幾個(gè)基本模塊構(gòu)成的模塊方案。目前國內(nèi)的航空靜止變流器僅有三個(gè)品種，最大功率為1kVA，大于1kVA的仍然使用旋轉(zhuǎn)變流器，且不能并聯(lián)工作，與先進(jìn)國家差距較大。

　　航空靜止變流器的模塊化及系列化設(shè)計(jì)可以有效地提高系統(tǒng)的通用型、可靠性、可維護(hù)性及可擴(kuò)展性。采用多個(gè)電源模塊并聯(lián)組合成大功率電源是實(shí)現(xiàn)電源高可靠性的關(guān)鍵，本文在成功研制1kVA高頻軟開關(guān)航空靜止變流器模塊的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了由多個(gè)單相模塊組合成大功率航空靜止變流器的方案。實(shí)驗(yàn)表明，采用模塊并聯(lián)方案具有簡單可靠、效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高航空靜止變流器的可靠性、可維護(hù)性和通用性具有重要意義。

　　2　系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

　　3kVA高頻軟開關(guān)航空靜止變流器采用3臺(tái)1kVA 27VDC/115V 400Hz單相DC/AC航空靜止變流器模塊并聯(lián)構(gòu)成(見圖1)。3臺(tái)航空靜止變流器模塊均為電壓、電流雙環(huán)控制，通過公用電壓調(diào)節(jié)器穩(wěn)定并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓及頻率，同時(shí)產(chǎn)生統(tǒng)一的模塊電流給定信號(hào)，各并聯(lián)模塊工作于電流跟蹤壯態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)各航空靜止變流器模塊的均流并聯(lián)。該方案簡單可靠，模塊間僅有一條電流給定線連接，不需要輸出隔離變壓器以及復(fù)雜的均流控制電路，因此體積小、重量輕。

　　圖1系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理框圖

　　2.1　1kVA單相軟開關(guān)航空靜止變流器模塊的構(gòu)成及工作原理

　　1kVA 27VDC/115V 400 Hz AC航空靜止變流器模塊由DC/DC變換、DC/AC逆變、吸收電路、控制保護(hù)電路及機(jī)內(nèi)電源等組成(見圖2)。DC/DC變換部分采用兩路交錯(cuò)并聯(lián)有源箝位軟開關(guān)正激變換器輸出100kHz、占空比可變的周期過零的脈沖波。DC/AC逆變采用V6~V9組成橋式逆變器，經(jīng)離散脈沖滯環(huán)控制(DPM)，在直流母線電壓Ub過零時(shí)進(jìn)行開關(guān)切換，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開關(guān)。逆變橋輸出調(diào)制電壓，經(jīng)濾波電感Lf、電容Cf濾波后，得到115V/400Hz的單相交流電輸出。

　　圖2　單逆變模塊主電路拓?fù)鋱D

　　控制電路采用電壓外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案，該方案可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)自動(dòng)達(dá)到限制電流的目的。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)雙環(huán)控制兩態(tài)調(diào)制方案，電感電流變化較大，逆變橋開關(guān)損耗大。為此，引入三態(tài)控制方式，即在電感電流與電流給定誤差小于滯環(huán)上限且大于滯環(huán)下限時(shí)，開通V7、V9使電感處于自然續(xù)流狀態(tài)，只有當(dāng)誤差大于滯環(huán)上、下限時(shí)才進(jìn)入兩態(tài)調(diào)制，這樣就可以有效地減少開關(guān)管的切換次數(shù)(每周期69～71次)，提高了變換器的效率，同時(shí)減小了輸出能量的回饋。

　　該靜止變流器模塊的DC/DC電路采用有源箝位技術(shù)，DC/AC采用零電壓開關(guān)技術(shù)，效率較高(額定阻性負(fù)載時(shí)為83.1%，其中DC/DC為89.2%，DC/AC為93.2%，THD為0.894%，功率密度為5.3kg/kVA)。

　　2.2　3kVA單相航空靜止變流器的構(gòu)成及工作原理

　　3kVA單相航空靜止變流器由3塊1kVA逆變模塊并聯(lián)構(gòu)成(見圖3)。并聯(lián)控制電路采用公用電壓外環(huán)方案，即由一個(gè)公用電壓調(diào)節(jié)器作為外環(huán)用來調(diào)節(jié)航空靜止變流器的輸出電壓，它的輸出信號(hào)ig為各模塊的電流內(nèi)環(huán)的給定輸入信號(hào)，由于電流內(nèi)環(huán)可以等效為一比例放大環(huán)節(jié)，等效放大倍數(shù)為電流環(huán)反饋系數(shù)的倒數(shù)。因此，當(dāng)各模塊的電流內(nèi)環(huán)反饋系數(shù)Kin相等時(shí)，各模塊的濾波電感電流相等，從而實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)航空靜止變流器模塊的均流。

　　圖3共用電壓調(diào)節(jié)器航空靜止變流器并聯(lián)系統(tǒng)框圖

　　2.3　并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流分析

　　圖4為兩臺(tái)航空靜止變流器模塊并聯(lián)系統(tǒng)的輸出等效電路，r1，r2分別表示航空靜止變流器的輸出連線的阻抗L1，C1和L2，，C2分別為航空靜止變流器輸出濾波電感和電容，RL為負(fù)載電阻。由圖可知，存在以下關(guān)系式

　　(1)

　　圖4 公用電壓調(diào)節(jié)器輸出等效電路

　　式中: Ig為公用電壓調(diào)節(jié)器輸出，

分別為兩臺(tái)上述航空靜止變流器模塊的電流環(huán)等效放大倍數(shù)。對(duì)于該航空靜止變流器并聯(lián)系統(tǒng)，r1和r2非常小，因此U0≈U1，U0≈U2，故式1可以簡化為

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