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1、工业电 沮 变级电 派 特种电浮 开关点预置 V S C F电源电压调节方案研究 陈新谢少军南 京航 空航天大 学 ( 南京2 1 0 0 1 6 ) 摘 要: 开关点预置的正弦脉宽调制变速恒须电源， 对开关点进行最优设定， 使得箱出电压性能优良， 但 是由 于开关点固 定， 不易实现对箱出电 压的调节， 本文对开关点预置的正弦脉宽调制电源中的电 压调节技术进行论述， 并对几套典型的电压调节技术方案进行比较。 叙词: 变速恒频电源 开关点预置 变换器 S t u d y o f t h e S w i t c h i n g 一 N o d e - V o l t a g e S t r a
2、t e g y f o r t h e P r e s e t VS CF P o we r C h e n x i n M e s h a o j u n D e p a r t m e n t of A u to m a t i c C o n t ro l , N U A A ( 2 1 0 ( 1 1 6 ) A b s tr a c t ; S in e P u ls e W id th M o d u la tio n V S C F p o w e r , u s e d 勿S w itc h in g 一 N o d e 一 R e s e t , o p t im iz e
3、d th e s w it c h in g n o d e , a n d p ro m o t e d t h e p e r f o r m a n c e o f t h e o u t p u t v o l t a g e . B u t b e c a u s e o f t h e fi x a t i o n o f s w i t c h i n g 一 N o d e , . 州. h a s l e s s 心l i ty t o r e g u l a t e o u t p u t v o l t a g e . T h i s a rt i c l e d i s
4、 c u s s e s t h e t h e o ry o f r e g u l a t i n g v o lt a g e f o r th e s w i t c h in g - N o d e 一 P re s e t S P W M p o w e r d e ta il e d ly . F u r th e r , c o m p a r i n g m a n y ty p i c a l la n d s of s t ra te g y fo r r e g u l a t in g v o lt tg e . $ e y w m d s ; V S C F p o
5、 w e r s w i t c h i n g 一 n o d e 一 Pr e s e t i n v e t e r I 引言 随着电力电子技术的发展， 脉宽调制技术越来趁受到人们 的 关注。同时脉宽调侧的控制策略不断丰富和成熟， 实现脉宽 调制控制技术的手段也不断发展， 从最初模拟电路发展到徽型 计算机技术。 脉宽调制型交直文变速恒频电 镶已 成为变速恒频 电浑主流。开关点预t正弦脉宽调制( S R W M ) 控制， 针对艳出电 压谐波含a 对开关点进行优化， 使输出电压总谐波含f最小， 翰 出电能质量较高， 具有很好的发展前景。 开关点预置正弦脉宽调制， 就是通过计算机连续计算所有
6、 t化开关点， 以 总谐波含量最小为原则选择最优开关点， 将其存 贮到E P R O M中 去， 控制电路以一定的时钟倾率读取E P R O M中 的开关点， 以 此作为功率管的控制信号， 这种控侧方案具有总谐 波含盘小、 直流电压利用率高、 功率管开关预率低等优点。如目 前常用的九块波最优开关点预Y S P W M ( 控制波形如图1 ) ， 功率 管一周期内开关9 次， 其工作倾率为9 x 4 01 二 3 .6 1 0 z ， 其总谐波 含盆在空载时仅为1 . 5 7 %, 艳出谐波理论上仅含1 7 次及其以上 各次谐波， 抽出滤波器的谐振顺率可取较大( V ; 二 4 . 5 ) ，
7、有助于 减小抽出 滩波器的体积重量。 但是， 在开关点预I t S P W M控制方案中， 由于开关点固定， 调压困难， 因此本文将对调压方法进行讨论， 针对几套典垫的电 压调节技术方案， 对其各自 工作原理、 特点进行比 较论述。 甘一 e , x一 0 , s+ 0 , x+ 0 . 0 0 . 0 , 0 , 0 4 可一口 。 兀一0 卫. .+0 , .+口 3 图1 九块波开关点预f控制波形 2 开关点预it s P wM的调压方案 2 . 1 电压调节器调压 通过电 压调节器对艳出电压进行调节。 在交直交变速值频 电像系统中， 对摘出电 压的调节就是通过枪侧文流输出电压， 由 调
8、压器调节主 发电机励磁电流来实现的。 在变速恒奴电 源的电压调节系统具有以下特点: ( 1 ) 调节对 象结构复杂， 调节对象状态方程阶数高， 调节对象中的 储能元件 除发电机外， 还包括直流诊波环节和输出涟波环节; ( z ) 调节对 笼十三届全日电洲技术年公论文集 2 5 5 工业电源变频电源特种电源 象的参数变化较大， 低转速时， 电机磁路较饱和， 发电机放大倍 数较小， 转速升高后电机在磁不饱和区工作， 发电 机放大倍数增 加， 这些都会导致调压系统高速运行时的稳定性变差; ( 3 ) 发电 机后接功率逆变电路， 功率管的过压和过流工作能力差。 所以， 变速恒频电源的电压调节器具有以下
9、特点: ( 1 ) 加人 发电 机励磁电流反馈内环等校正环节， 以增强调节系统的稳定 性， 提高动态响应速度; ( 2 ) 设置直流环节电压限制电路， 将直流 环节电 压限制在允许的范围内， 以免损坏逆变桥功率部件; ( 3 ) 设置软起动电路， 在发电机建压时使励磁电流逐渐增大， 防止输 出电压超调过大， 减小涟波电容的充电电流。 整个调压器共分为六个部分， 包括: ( 1 ) 输出电压及负载电 流检侧; ( 2 ) 比 较放大; ( 3 ) 软起动及电压蓦准; ( 4 ) 直流调压及过 压保护; ( 5 ) 励磁电流软反该; ( 6 ) 自 检侧。下图即为电 压调节器 具体结构框图。 图2
10、 电压调节器结构框图 飞1刁，一11!.了、J之飞才、!矿、1护、1 其工作原理如下: 三相电压检侧电 路检侧调压点电压， 经整 流、 趁波电路， 将抽人的三相交流信号变成锯齿波， 锯齿波的平 均值反映三相艳入电压的平均值; 将检侧电路所产生的三角波 与基准电 压相比较， 产生脉宽调制波P “ . 检侧电压与荃准电 压的差值确定了P W M波的占 空比， 即当检侧电 压高于基准电 压 时， P W M占 空比减小， 通过功放电 路使励磁电流减小， 从而使愉 出电 压趋近给定电压， 反之亦然。负载电流限制电路通过电流 互感器检侧三相负毅电流的有效值， 当某相负载电流超出一定 范围后， 负载电流限
11、侧电路开始起作用， 使得调压点电压降低， 通过适当的参数配合可实现飞机交流电派系统要求的外特性。 励磁电流枪侧电路用于当 存在励磁短路或其他原因 使励磁电流 超过限定值时， 关断功率M O s 管， 防止M O s 管及励磁绕组因过 流 而扭坏。反馈电路可以起稳定电派系统翰出的功能。其他一 些辅助电 路实现调压器的自 检洲及软起动等功能。 这种调压方案功能完善、 性能优良， 技术也较为成熟， 已成 功地运用到某璧飞机。但调压器是一个大的闭环调节， 这个闭 环中 有较多的惯性环节， 调节过程也较为缓懊， 需要采取多种措 施对调压器系统的动态性进行改警， 以提高调节速度， 同时这种 电 路也较为复
12、杂。 2 . 2 D / A 变 换脉宽 调 节 D / A 变换可调脉宽s e w M方案。 用计算机仿真计算出一种 特殊的不规则三角波， 将其与直流电压相交截， 所得交点即为一 组九块波的开关点( 见图3 ) , 当直流电 压随调制度对变化时， 开 关点也在一定范围内， 在满足T H D 要求条件下， 墓波含2随之 变化. 从而达到调节抽出电压的目的。 图3 可调脉宽 S P W M方案工作原理图 这种方案关健是找寻特定的不规则三角形. 也就是要找到 这样一组开关点， 在这个开关点一定范圈内 左右变化时， T H D 变 化不大， 而墓波含t却随之连续变化。传统的九块波的开关点 是按基波含
13、f最大， 总谐波含t最小的原则选取的。但当开关 点稍作变化时， 谐波含t变化十分徽感( 当开关点上下浮动一个 It化点， 最大的 总谐波含f变化较大) ， 这种开关点并不适合作 直接调压的变换开关点。作为可直接调压的开关点， 不仅要求 墓波成分大， 谐波含it小， 还要求开关点位f在一定范围内 变化 并不引起谐波成分急剧交化。经过计算仿真， 对所有开关点连 续搜索， 可以发现MI D 低于一定要求的开关点有许多组， 其中 荃波成分也大小不一， 对这些大t的开关点处理后， 找出伴随着 墓 波成份由 小到大变化， 相 应开 关角B l 渐增1 几渐减， B y 渐增. 0 4 渐 减的 开关点组，
14、 根据这些开关点可确定出不规则三角波。 随着调制度M变化， 直流反该电压上下移动， 不规则三角波与 调制波交点也在所搜寻的满足要求的开关点组范圈内变化， ” 口 能滴足要求， 且脉冲波宽度随之变化， 改变了基波分量大 小， 达到调压的目 的。 其电路实现如下: 将前面所设计的不规则兰角波进行数字 2 5 6绝十三肠全.电润技术年会论文集 ( t 工业电源变知电想特种电葱 化处理后， 将采样点数字量依次存入E P R O M中， 在时钟脉冲作 用下， 由 地址计数器产生连续的地址信号， 将 E P R O M中数据按 特定周期读出到 D / A中， 再经运放输出即可得到所要求的三角 波信号。再将
15、其与直流电压相交截， 通过比较器就可得到所需 的脉冲波了。调节直流电压大小即可实现脉冲波宽度调整。 以上这种调压方案中， 在T H D 5 %条件下， 电压调整率 d二1 . 1 7 9 7 一1 . 0 6 8 3 1 . 1 7 9 7 二9 4 % 其中 1 . 1 7 9 7 为M= 1 时抽出 最大基波含a 1 . 0 6 8 3 为M二 0 . 5 时翰出最小基波含It 由以上分析可以 看出这种调压方案结合了自 然采样S P W M 和优化开关点S P W M两种方案的优点， 实现了在较低的开关预 率下 调压， 具有低次谐波含量小， 开关次数少， 龟压可调优点， 电 路也并不复杂。
16、 但是对于飞机电像系统枯出的 较高颇( 4 0 0 H . ) 电压时， 为满 足设计要求， 脉冲 设计为一周期2 0 4 8 个采样点， 这样脉冲狈率 为4 0 0 x 2 0 4 8 二 8 1 9 K H z ， 每个采样点的持续时间为 】 / ( 4 0 0 x 2 0 4 8 ) = 1 . 2 2 1 . ， 这 样 设计出 的 不 规则三 角 波与 直流 反 恢电 压相 比， 得到 最窄脉宽仅为4 . 8 8 1 . ， 这和功率管的开关存储时间相 当， 因 此， 实际输出波形会因为功率管的存储时间的影响而和理 论分析具在较大差别， 所以这种调压方案更适合于艳出频率不 高. 谐波含t要求较高的应用场合。 2 . 3 高频脉冲可调脉宽 高频脉冲可调脉宽S P W M方案。其实现思路同前一种方法 有一定相同 之处， 即通过调整脉冲的宽度来实现调压。但这种 方法是用一系列的高频脉冲和特定的开关点饭t的低频脉冲相 与， 来构成脉宽调制的低频脉冲( 见图4 ) 。通过对高频脉冲占 空比调节来调整低频脉冲宽度， 从而调节变 换器的翰出电 压; 而 低频脉
