两级式电流滞环控制逆变器的研究与优化设计

论文摘要

逆变器的应用越来越广泛,因此对逆变器的要求也越来越高,不仅要求逆变器能可靠的工作,而且要求逆变器实现高功率密度,高效率及对负载的快速响应。本文研究了两级式电流滞环控制逆变器并对其优化设计,其电路拓扑由前级交错并联双管正激DC/DC直流变换器与后级电流滞环控制逆变桥级联而成。首先分析比较几种常见的DC/DC电路,选择交错并联双管正激DC/DC电路作为两级式电流滞环控制逆变器的前级部分;深入分析了交错并联双管正激DC/DC直流变换器的工作原理,并进行了仿真研究;通过分析其控制策略与控制电路的原理,经过比较变换器的效率及对后级元器件选择的影响,讨论了其作为逆变器的前级部分是采用开环控制还是闭环反馈控制。详细介绍了交错并联双管正激DC/DC变换器主电路参数的选取与设计方法。后级逆变桥采用电流滞环控制,其电流内环具有较强的非线性,可以将输出滤波电感、电容组成的LC滤波器二阶振荡环节降为一阶环节,从而提高系统的稳定性;其电压外环提高了逆变器的输出电压精度和系统的动态性能。通过对逆变桥的稳态仿真与动态仿真,其仿真波形表明逆变桥的输出电压失真度低,动态响应速度快,且能适应各种负载;当负载或输入电压突变时,逆变桥的输出电压基本上不受影响。电流滞环控制参数的选择对电路有较大的影响。滞环宽度ΔI的选择将影响到输出电压的波形质量、逆变桥开关管的开关频率、电感电流的脉动及系统的动态响应速度等。逆变器除了要求高效率、高功率密度外,还要有快速动态响应性能和低的输出纹波电压,这与滤波器的设计密切相关。因此滤波电感的设计在保证输出电压的波形质量的基础上,综合考虑系统的动态特性、负载的调整率、体积重量以及音频噪声等因素对其进行优化。详细介绍了主电路器件的选择准则与设计方法。在同一个实验平台上研制与优化设计了两台1 kVA两级式电流滞环控制逆变器原理样机:①220V±10%DC/115V50HzAC;②220V±10%DC/220V50HzAC。通过两台原理样机的性能比较,讨论了负载电流、前级输出电压(后级输入电压)对逆变器效率的影响,为优化设计电路提供了依据。实验结果表明,两级式电流滞环控制逆变器具有功率密度高、变换效率高、体积重量小、静态调节精度高、动态响应速度快、抗短路能力强、可靠性高等优良的综合性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 逆变器的应用前景
• 1.2 逆变器的现状与发展
• 1.3 低频环节逆变技术
• 1.3.1 方波逆变器
• 1.3.2 阶梯波合成逆变器
• 1.3.3 PWM 逆变器
• 1.4 高频环节逆变技术
• 1.4.1 电流源高频环节逆变技术
• 1.4.2 电压源高频环节逆变技术
• 1.4.2.1 单向电压源高频环节逆变技术
• 1.4.2.2 双向电压源高频环节逆变技术
• 1.5 本文的主要意义与研究内容
• 1.5.1 本文的主要意义
• 1.5.2 本文的主要研究内容
• 第二章 交错并联双管正激DC/DC 直流变换器的原理分析与仿真研究
• 2.1 几种DC/DC 直流变换器的比较
• 2.2 交错并联双管正激DC/DC 直流变换器的电路拓扑及工作原理
• 2.2.1 交错并联双管正激DC/DC 直流变换器的电路结构
• 2.2.2 电路工作原理与稳态分析
• 2.2.3 谐振分析
• 2.3 交错并联双管正激DC/DC 直流变换器仿真分析
• 2.4 对高频脉冲直流变换器电路的讨论
• 2.5 小结
• 第三章 并联交错双管正激DC/DC 直流变换器的设计与参数选择
• 3.1 交错并联双管正激DC/DC 直流变换器的控制策略
• 3.1.1 控制结构
• 3.1.2 PWM 控制电路
• 3.1.3 交错并联双管正激DC/DC 直流变换器的驱动电路
• 3.2 交错并联双管正激DC/DC 直流变换器的保护电路
• 3.3 前级直流变换器开环控制与闭环反馈控制的比较
• 3.4 交错并联双管正激DC/DC 直流变换器电路参数选取与设计
• 3.4.1 交错并联双管正激DC/DC 直流变换器技术指标
• 3.4.2 前级直流变换器开关频率fk 的确定
• 3.4.3 前级直流变换器元器件的选择
• 3.4.4 前级直流变换器变压器的设计
• 3.4.5 前级输出滤波器的设计
• 3.5 小结
• 第四章 电流滞环控制逆变桥的原理分析与仿真研究
• 4.1 逆变桥的控制策略分析
• 4.2 电流滞环控制逆变桥的仿真分析
• 4.2.1 电流滞环控制逆变桥电路的稳态仿真分析
• 4.2.2 电流滞环控制逆变器电路的动态仿真分析
• 4.3 小结
• 第五章 电流滞环控制逆变桥电路的设计与参数选择
• 5.1 电流滞环控制电路的参数选择
• 5.1.1 滞环宽度ΔI 的选择
• 5.1.2 电压电流调节器的参数设计
• 5.2 电流滞环逆变桥主电路的参数设计
• 5.2.1 逆变桥输出滤波电路的参数设计
• 5.2.1.1 逆变桥输出滤波电容的参数选择
• 5.2.1.2 逆变桥输出滤波电感的参数设计
• 5.3 电流滞环逆变桥控制电路
• 5.3.1 50Hz 正弦波基准电路
• 5.3.2 电流滞环控制电路
• 5.3.3 电流滞环逆变桥保护电路
• 5.4 小结
• 第六章 两级式电流滞环控制逆变器的原理样机与实验结果
• 6.1 两级式电流滞环控制逆变器电路结构
• 6.2 性能指标
• 6.3 220V±10% DC/115V50HzAC 样机的实验波形
• 6.3.1 220V±10%DC/115V50HzAC 样机的前级直流变换器的实验波形
• 6.3.2 220V±10%DC/115V50HzAC 逆变器的实验波形
• 6.4 220V±10% DC/220V50HzAC 样机的实验波形
• 6.4.1 220V±10%DC/220V50HzAC 样机的前级直流变换器的实验波形
• 6.4.2 220V±10%DC/220V50HzAC 逆变器的实验波形
• 6.5 实验数据
• 6.6 小结
• 第七章 工作总结及展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文
• 附录A 面积乘积公式推导
• o推导'>附录B 输出滤波电感滞环跟踪特性的L_o推导
• 附录C 交流输出滤波器的基波衰减系数μ推导
• 致谢