基于極點(diǎn)配置的400 Hz 逆變電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

當(dāng)前400 Hz 電源廣泛應(yīng)用于要求電源體積小、重量輕的場合， 例如飛機(jī)、船舶、通信等領(lǐng)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(dǎo)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(xiàn)對這個(gè)問題做了深入研究， 多種控制方法也不斷被提出來。極點(diǎn)配置方法以其算法簡單、設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能優(yōu)良的特點(diǎn)較好地解決了這個(gè)問題， 并得到廣泛應(yīng)用。

文獻(xiàn)[ 2] 提出了一種基于重復(fù)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(tǒng)設(shè)計(jì); 文獻(xiàn)[ 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(shè)計(jì)了移相全橋零電壓開關(guān)變換器; 文獻(xiàn)[ 5]、[ 6] 關(guān)于400 Hz 逆變電源的控制特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的說明。本文采用極點(diǎn)配置與PI 控制相結(jié)合的方法， 設(shè)計(jì)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(guān)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(guān)頻率要遠(yuǎn)大于基波頻率， 而且在進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)假設(shè)功率開關(guān)器件的開關(guān)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(chǔ)對400 Hz 逆變電源系統(tǒng)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(qū)效應(yīng)、開關(guān)導(dǎo)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(fù)載電流， i1 是電感電流。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中， 把電感電流i1 ， 電容電壓uo 作為狀態(tài)變量， 并把負(fù)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(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(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(diào)節(jié)器參數(shù); k2i， k2p為電流內(nèi)環(huán)的調(diào)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(gè)根即為系統(tǒng)的四個(gè)極點(diǎn)。根據(jù)極點(diǎn)配置原理， 便可以根據(jù)希望得到的動態(tài)特性指標(biāo)按如下過程進(jìn)行極點(diǎn)配置:

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

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

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