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

2 仿真與分析

根據(jù)400 Hz 逆變電源的特性， 選擇其開關(guān)頻率為f sw = 20 kHz， 進(jìn)而確定系統(tǒng)的阻尼振蕩角頻率為 r= 3 500 rad/ sec， 由于本系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的逆變電源是在空載條件下設(shè)計(jì)的， 故為工作時(shí)加載留一定的裕量， 取 r= 0. 6， 系統(tǒng)的綜合等效電阻r = 0. 1 。

濾波器的設(shè)計(jì)可有多種方法。本文采用一種較為簡單的LC 濾波器設(shè)計(jì)法來確定LC 的參數(shù)。由于系統(tǒng)的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于基波頻率， 濾波器的截止頻率一般選為1/ 10~ 1/ 15 倍的開關(guān)頻率。本文選截止頻率為f c= 1 600 Hz 即4 次諧波， 從而根據(jù)文獻(xiàn)[ 7] 中采用的方法來確定濾波參數(shù): L = 530 !H， C= 11. 9 !F。將以上確定參數(shù)代入式( 7) ， 可計(jì)算出系統(tǒng)的反饋增益。經(jīng)計(jì)算可得400 Hz 逆變電源的參數(shù)選取， 與50 Hz 系統(tǒng)相比不易確定， 本文取k1i= 231. 9， k1p = 0. 0776， k2i= 235909， k2p = 24. 4。將以上參數(shù)代入式( 5) 并進(jìn)行MATLAB 仿真可得空載時(shí)系統(tǒng)特性如圖2~ 圖7。

圖2 為系統(tǒng)的奈奎斯特曲線， 可以看到， 曲線不包圍( - 1， j0) 點(diǎn)， 根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)可知系統(tǒng)是穩(wěn)定的; 圖3 為系統(tǒng)的根軌跡圖， 可以看到， 一對(duì)共軛主導(dǎo)極點(diǎn)位于S 域左半面距虛軸較近處， 對(duì)系統(tǒng)特性起主要的影響作用， 非主導(dǎo)極點(diǎn)也位于s 域左半面， 對(duì)系統(tǒng)特性的作用較小， 從圖中還可以看出， 4 個(gè)極點(diǎn)都位于S 域的左半面， 說明系統(tǒng)是穩(wěn)定的; 圖4 為系統(tǒng)的頻率特性曲線， 由幅頻特性與相頻特性可知系統(tǒng)低頻段特性平穩(wěn)， 高頻段幅值迅速衰減， 具有很寬的帶寬， 在工作頻率范圍內(nèi)具有很大的穩(wěn)定裕度; 圖5 為系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)， 由圖可知系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)特性。

圖6、圖7 分別是空載時(shí)逆變電源系統(tǒng)輸出波形和與之相對(duì)應(yīng)的波形畸變。由圖可知， 采用基于極點(diǎn)配置的PI 控制大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的輸出性能， 減小了系統(tǒng)的波形畸變， 空載時(shí)系統(tǒng)的THD 值只有2. 98 %，波形的正弦性好。接下來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)， 由于400 Hz 電源主要用于精密場合， 不作為再整流的交流輸入， 故本文僅對(duì)系統(tǒng)施加阻性負(fù)載和阻感性負(fù)載， 仿真結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)加載仿真結(jié)果

經(jīng)過表1 的分析可知， 在加阻性負(fù)載的情況下， 系統(tǒng)的畸變率T HD 都小于空載時(shí)的THD 值， 電壓的變化也在允許范圍( 5 %) 以內(nèi); 加阻感負(fù)載的情況下， 由于電感的存在， 電壓畸變率較純阻性負(fù)載時(shí)大， 但輸出電壓的有效值在一個(gè)小范圍內(nèi)變化， 基本保持平穩(wěn)。

可見， 本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。

3 結(jié)束語

本文以極點(diǎn)配置的方法對(duì)一款400 Hz 逆變電源進(jìn)行了分析計(jì)算， 發(fā)現(xiàn)400 Hz 逆變電源參數(shù)的設(shè)計(jì)較工頻困難， 計(jì)算誤差、相角偏移等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響較大。本文采用了理論計(jì)算與仿真驗(yàn)證相結(jié)合的方法， 最終確定了系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。通過MA TLABSIMULINK模塊進(jìn)行仿真， 驗(yàn)證了該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)誤差小和穩(wěn)定范圍大， 逆變電源輸出波形畸變小， 帶載能力強(qiáng)， 達(dá)到了預(yù)期的效果。