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航空应用三相高功率因数整流器研究

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导师姓名
谢少军
学科专业
电力电子与电力传动
文献出处
南京航空航天大学   2010年
关键词
整流论文  航空应用论文  单周期控制论文  开关模型论文  损耗分析论文  调制论文  基波相移论文  功率极限论文  滞后相位论文  前馈论文  滤波器论文  参数设计论文
论文摘要

与传统无源滤波和多脉冲整流技术相比,脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)整流可实现输入电流和输出电压的闭环控制,代表了高性能交直流变换器的发展方向。近年来,PWM整流技术有了很大进展,己得到广泛的应用。本文主要结合航空大功率整流技术要求,对单周期控制的VIENNA整流器进行研究,重点研究了VIENNA整流器的设计方法、输入电流谐波含量减小、系统特性与控制等方面的问题。论文研究了基于效率优化的VIENNA整流器设计方法。首先基于IGBT的工作机理,建立了新的开关管模型,模型反映了导通电流对开关暂态和续流二极管反向恢复过程的影响,更加准确;考虑开关管、滤波电感、续流二极管和整流桥等的损耗建立了VIENNA整流器完整的损耗模型,并采用Simulink/Stateflow工具箱完成损耗分析的数值计算,提高计算精度;利用测试电路和实验样机验证了开关模型和系统损耗模型的准确性,以及损耗分析方法的有效性,建立的损耗模型可用于分析VIENNA整流器在不同开关频率下的效率;最后结合额定功率为4kW的VIENNA整流器样机,利用验证过的系统损耗模型,给出了以效率优化为目标确定整流器开关频率的设计实例。基于效率优化的设计方法为确定航空用VIENNA整流器的电路参数提供了依据。研究了降低单周期控制VIENNA整流器的输入电流谐波含量的措施。首先分析单边调制下单周期控制VIENNA整流器平均输入电流的频谱,指出了单边调制必然会导致整流器输入电流出现奇次谐波;为减小输入侧的奇次谐波电流,提出将采用下降沿调制和上升沿调制的变换器进行互补并联,以及采用双边调制的单周期控制VIENNA整流器;最后通过实验验证了理论分析的正确性,并证实了上述二种改进方案在减小输入电流奇次谐波含量方面的有效性。研究了单周期控制VIENNA整流器控制系统的设计方法。首先分析指出现有系统模型的局限性,并建立新的系统大信号模型,该模型反映了滤波电感两端的压降,更加准确,既适用于较高开关频率的应用场合,也适用于开关频率与电源频率之比比较小的场合;对模型进行分析并揭示了变换器存在的基波相移问题和功率极限问题,推导了系统输出电压稳定运行的必要条件,分别研究了以电流脉动率和以基波相移量为设计依据的滤波电感取值方法;分析并揭示了单周期控制VIENNA整流器直流侧滤波电容的自动均压特性,可减少控制系统中电压采样通道数,并研究了电压控制器的参数设计方法;最后通过实验证实了理论分析的正确性和参数设计方法的有效性。针对单电感滤波单周期控制VIENNA整流器存在的基波相移问题提出了电流滞后相位补偿方案,无需提高开关频率,无需降低滤波电感值,仅以滞后于电源电流的信号作为调制波即可减小基波相移量,提高系统的功率因数;针对整流系统输出电压动态响应差的问题提出负载电流前馈控制方案,利用负载电流信息对控制器的输出进行快速补偿,确保负载突变时输出电压的波动范围小;实验结果验证了电流滞后相位补偿方案和负载电流前馈控制方法的有效性。为解决单电感滤波单周期控制的VIENNA整流器无法同时改善输入电流畸变率(Total Harmonic Distortion, THD)和基波相移因数两项指标的问题,提出以LCL滤波方案替换L滤波方案。分析了采样网侧、变换器侧电感电流时系统的稳定性,确定了LCL滤波系统中的电流采样方案,并提出新的LCL滤波器设计方法,最后进行了仿真和实验研究。按照新的设计方法,可首先选定系统的谐振频率,再完成滤波器的设计,有效减小了系统谐振,提高输入电流品质;滤波器的设计不仅保证输入电流满足预定的THD指标,还兼顾降低滤波电路的损耗,实现了电路参数的综合配置。实验结果显示,采用本文设计方法有效避免了系统谐振,获得了预期的滤波效果,相较L滤波方案,同等负载和开关频率下,采用LCL滤波方案既减小了输入电流THD,又减小了基波相移量,还显著降低了总的滤波电感值。

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摘要

Abstract

图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 航空领域应用的三相整流器

1.1.1 航空电源系统概述

1.1.2 航空应用三相整流器及其主要技术特征

1.2 航空应用三相整流器的主要技术方案

1.2.1 无源滤波六脉冲整流器方案

1.2.2 多脉冲整流器方案

1.2.3 PWM整流器方案

1.2.4 航空用三相整流器方案的对比分析

1.3 VIENNA整流器

1.3.1 基于载波调制的PWM整流器控制策略

1.3.2 基于空间矢量调制的PWM整流器控制策略

1.4 本文的研究方案

1.5 本文主要内容及本文意义

1.5.1 本文主要内容

1.5.2 本文意义

第二章 中频输入VIENNA整流器设计方法研究

2.1 VIENNA整流器电路结构及工作原理

2.2 VIENNA整流器损耗模型的建立

2.2.1 模型验证用VIENNA整流器功率电路设计

2.2.2 变换器的损耗分析模型

2.3 系统损耗的数值计算方法

2.4 仿真与实验研究

2.4.1 开关暂态过程主要特征的实验验证

2.4.2 开关模型的验证

2.4.3 损耗模型的验证

2.5 基于效率优化的开关频率及滤波电感综合设计方案

2.5.1 不同开关频率下滤波电感的设计

2.5.2 不同开关频率下的系统损耗分析及开关频率的确定

2.6 本章小结

第三章 单周期控制的脉宽调制方式研究

3.1 单周期控制VIENNA整流器的工作原理

3.2 单周期控制的脉宽调制方式研究

3.2.1 单边调制方式

3.2.2 双边调制方式

3.3 实验研究

3.3.1 下降沿调制方案

3.3.2 升沿调制方案

3.3.3 补并联方案

3.3.4 双边调制方案

3.4 本章小结

第四章 单周期控制VIENNA整流器系统特性分析

4.1 单周期控制的VIENNA整流器建模

4.1.1 交流侧大信号模型

4.1.2 小信号模型

4.2 系统特性分析

4.2.1 基波相移问题

4.2.2 功率极限问题

4.2.3 稳定性

4.3 变换器参数设计

4.3.1 滤波电感值的选定

4.3.2 电压控制器的设计

4.4 仿真与实验研究

4.4.1 交流侧等效电路模型的验证

4.4.2 基波相移问题的实验验证

4.4.3 功率极限问题的实验验证

4.4.4 等输入功率现象的验证

4.4.5 稳定工作区的仿真验证

4.4.6 输出电压控制及均压实验

4.5 本章小结

第五章 基波电流滞后相位补偿及负载电流前馈控制研究

5.1 基波电流滞后相位补偿方案

5.1.1 电流滞后相位补偿方案的提出

5.1.2 三种补偿状态

5.1.3 补偿方案的实现

5.1.4 补偿方案设计实例

5.1.5 仿真研究

5.1.6 实验研究

5.2 负载电流前馈控制方案

5.2.1 负载电流前馈控制方案的提出

5.2.2 负载电流前馈控制模型的建立

5.2.3 仿真研究

5.2.4 实验研究

5.3 本章小结

第六章 采用LCL滤波方案的单周期控制VIENNA整流器

6.1 LCL滤波方案的提出

6.1.1 单电感滤波方案存在的问题

6.1.2 LCL滤波方案的提出及需要解决的两个关键问题

6.2 采用LCL滤波的单周期控制VIENNA整流器

6.2.1 电流采样点的确定

6.2.2 LCL滤波器设计方法

6.2.3 设计参数对滤波器电路参数及滤波性能的影响分析

6.2.4 LCL滤波器设计实例

6.2.5 仿真及实验研究

6.3 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 本文主要工作和创新点

7.1.1 本文主要工作

7.1.2 本文创新点

7.2 存在的问题及后续研究工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录Ⅰ 变量及参数汇总

附录Ⅱ 滞后相位角与θ的关系

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