基于極點配置的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、重量輕的場合， 例如飛機、船舶、通信等領域。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，導致系統的動態特性和穩態特性不是很理想， 大量文獻對這個問題做了深入研究， 多種控制方法也不斷被提出來。極點配置方法以其算法簡單、設計系統性能優良的特點較好地解決了這個問題， 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反饋控制的逆變電源控制策略， 并以極點配置方法進行系統設計; 文獻[ 4] 針對已有逆變式切割電源的缺點， 利用基于極點配置的雙閉環控制， 分析設計了移相全橋零電壓開關變換器; 文獻[ 5]、[ 6] 關于400 Hz 逆變電源的控制特點進行了系統的說明。本文采用極點配置與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

由于功率開關管的存在， 顯然逆變電源系統不是線性系統， 但針對一般的逆變電源， 開關頻率要遠大于基波頻率， 而且在進行系統分析時假設功率開關器件的開關過程是理想的， 因此可將逆變電源以線性系統的形式來分析。該部分將以狀態空間理論為基礎對400 Hz 逆變電源系統進行建模分析。

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IGBT ( 反并聯二極管) ， C 為濾波電容， L 為濾波電感， r 為綜合串聯電阻、死區效應、開關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。系統設計過程中， 把電感電流i1 ， 電容電壓uo 作為狀態變量， 并把負載電流i o 作為擾動輸入來處理。由狀態空間理論可得其狀態方程:

由自動控制原理可知， 系統在空載時的阻尼最弱、性能也不很理想， 故往往以空載的條件對逆變電源系統進行設計。如此可將式( 1) 所示的狀態方程簡化為如下形式:

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

不難看出， 引入雙環反饋以后系統變為四階系統，特征方程D ( s) 的4 個根即為系統的四個極點。根據極點配置原理， 便可以根據希望得到的動態特性指標按如下過程進行極點配置:

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

非主導極點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的5 倍以上， 故為方便計算取兩個非主導極點為: sr3 = sr4 = - n r r ， 為使非主導極點對系統性能的影響盡量小， 非主導極點的實部絕對值應比主導極點實部絕對值大5 倍以上， 并且非主導極點對系統的影響隨時間的推移衰減迅速， 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系統特征方程為:

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