基于極點(diǎn)配置的400 Hz 逆變電源系統設計

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(chǎng)合， 例如飛機、船舶、通信等領(lǐng)域。較之工頻逆變電源系統， 400 Hz 電源系統的控制難度更大、可靠性要求更高。傳統的逆變電源， 由于系統阻尼太弱，導致系統的動(dòng)態(tài)特性和穩態(tài)特性不是很理想， 大量文獻對這個(gè)問(wèn)題做了深入研究， 多種控制方法也不斷被提出來(lái)。極點(diǎn)配置方法以其算法簡(jiǎn)單、設計系統性能優(yōu)良的特點(diǎn)較好地解決了這個(gè)問(wèn)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(diǎn)配置方法進(jìn)行系統設計; 文獻[ 4] 針對已有逆變式切割電源的缺點(diǎn)， 利用基于極點(diǎn)配置的雙閉環(huán)控制， 分析設計了移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)變換器; 文獻[ 5]、[ 6] 關(guān)于400 Hz 逆變電源的控制特點(diǎn)進(jìn)行了系統的說(shuō)明。本文采用極點(diǎn)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。

1 系統建模

由于功率開(kāi)關(guān)管的存在， 顯然逆變電源系統不是線(xiàn)性系統， 但針對一般的逆變電源， 開(kāi)關(guān)頻率要遠大于基波頻率， 而且在進(jìn)行系統分析時(shí)假設功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程是理想的， 因此可將逆變電源以線(xiàn)性系統的形式來(lái)分析。該部分將以狀態(tài)空間理論為基礎對400 Hz 逆變電源系統進(jìn)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(gè)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、死區效應、開(kāi)關(guān)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。系統設計過(guò)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(dòng)輸入來(lái)處理。由狀態(tài)空間理論可得其狀態(tài)方程:

由自動(dòng)控制原理可知， 系統在空載時(shí)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進(jìn)行設計。如此可將式( 1) 所示的狀態(tài)方程簡(jiǎn)化為如下形式:

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

不難看出， 引入雙環(huán)反饋以后系統變?yōu)樗碾A系統，特征方程D ( s) 的4 個(gè)根即為系統的四個(gè)極點(diǎn)。根據極點(diǎn)配置原理， 便可以根據希望得到的動(dòng)態(tài)特性指標按如下過(guò)程進(jìn)行極點(diǎn)配置:

主導極點(diǎn)對系統性能的影響作用最大， 主導極點(diǎn)距虛軸近， 因此可將主導極點(diǎn)設置為一組共軛極點(diǎn):

非主導極點(diǎn)對系統特性的影響非常的小， 距虛軸的距離至少是主導極點(diǎn)的5 倍以上， 故為方便計算取兩個(gè)非主導極點(diǎn)為: sr3 = sr4 = - n r r ， 為使非主導極點(diǎn)對系統性能的影響盡量小， 非主導極點(diǎn)的實(shí)部絕對值應比主導極點(diǎn)實(shí)部絕對值大5 倍以上， 并且非主導極點(diǎn)對系統的影響隨時(shí)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)系統特征方程為:

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