超低频变频电源直流母线电压波动抑制
发布时间：2021-02-07 09:21
交流电在工业生产和科学研究中有着广泛的应用,但在很多场合,电网输出的工频交流电不能直接被利用,需要电源对电能进行控制与变换。变频电源在航天、冶金、地质探测等领域有着重要应用,交-直-交型变频电源因其调压和调频灵活、输出的电能质量高而被广泛应用。当交-直-交型变频电源的输出频率很低时,其直流母线电压可能会产生很大波动,影响电源的正常工作,甚至会造成电源的损坏。本文对由PFC电路和全桥逆变电路级联而成的变频电源的直流母线电压波动的产生原因和抑制方法进行深入研究。首先,介绍变频电源的工作原理,对电源进行参数设计。分析直流母线电压中各种纹波的产生原因和影响因素。然后,设计PFC电路的电压环和电流环进行,根据小信号模型,推导直流母线电压和逆变器输入功率的传递函数,以此来研究逆变器输入功率中的交流分量、直流母线电容以及电压环的带宽对直流母线电压中频率为2fo的电压纹波的影响。为了抑制频率为2fo的电压纹波,根据其与电压环的带宽的关系,设计在电压环中加入带阻滤波器并提高电压环带宽的方法;从提高PFC电路对逆变器输入功率中交流分量的响应速度的角度,设计负载电...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
加入负载电流前馈Boost电路控制框图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文28图3-10|Gup(jω)|与母线电容大小和扰动功率频率关系3.4电压环中加入带阻滤波器法根据式(2-34)可以看出，PFC电路的输出电压中必然含有频率为市电频率两倍（100Hz）的电压纹波。如果电压环的输出中100Hz的交流分量太大，会使电感电流的给定值产生畸变，从而使PFC电路的输入电流产生畸变，降低电源的功率因数，图3-11为理想情况时和电压环输出信号中100Hz交流量较大时电感电流给定值的波形。所以在对PFC电路的电压环进行设计时，要求其带宽不得超过市电频率的1/2。对电压环带宽的限制导致其速度较慢，所以PFC电路的电压环对逆变器输入功率变化的响应速度不够，导致直流母线电压中频率为2fo的电压纹波很大。a)理想情况时b)电压环输出信号中100Hz交流量较大时图3-11电感电流给定值波形根据表3-1中的数据和式(3-22)，可以得到Gup(s)与电压环PI参数的关系为9up432250.21114104.0710Gssasbscsdsss(3-33)式中，分母中各系数为a=3.63×104-238.05×KPv；b=3.71×108+1.07×107×Kpv-238.05×KIv；c=1.33×1011×KPv+1.07×107×KIv；d=1.33×1011×KIv。绘制如图3-12所示的|Gup(jω)|与电压环带宽和脉动功率频率关系图，图中电压环带宽的范围为20-200Hz。从图3-12中可以看出，随着电压环带宽的增大，各个频率对应的|Gup(jω)|
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文29的值都明显减小，电压环带宽的升高对直流母线电压中频率为2fo的纹波的抑制效果非常明显。图3-12|Gup(jω)|与电压环带宽和扰动功率频率关系图为了解除对电压环带宽的限制，考虑在电压环中加入中心频率为100Hz的带阻滤波器（BSF），以减小电压环输出uc(t)中100Hz的交流分量。加入带阻滤波器后可以大幅度地提高电压环的带宽，在提高电压环的速度、减小直流母线电压的波动同时，又使PFC电路的输入电流保持较高的正弦度[38]。加入带阻滤波器后的电压环控制框图如图3-13所示。GPI(s)Gvc(s)Kvuref(s)udcu(s)c+(s)-BSF图3-13加入BSF的电压环控制框图采用巴特沃斯型带阻滤波器，通带上截止频率取80Hz，通带下截止频率取120Hz，阻带上截止频率取95Hz，阻带下截止频率取105Hz，带阻最小衰减13dB，在通带上、下截止频率处衰减3dB。设计得到的模拟带阻滤波器传递函数为[39]22135BSF25252.984103.79101522.83410203.35.06810ssGsssss(3-34)图3-14为带阻滤波器传递函数的伯德图，可以看出该带阻滤波器可以有效的抑制频率在90-100Hz范围内的扰动量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Buck型DC-APF抑制大功率极低频发射系统间谐波技术研究[J]. 孟浩,罗冰洋,刘庆,查明,罗志清,熊松,朱国荣. 电工电能新技术. 2019(05)
[2]开关复用型脉动功率解耦电力电子变压器[J]. 李红波,张志学,赵辉. 大功率变流技术. 2017(04)
[3]数字带阻滤波器的设计及畸变矫正[J]. 及少勇,李龙谭,张洪飞,郭汉明. 光学仪器. 2016(04)
[4]两级式逆变器中间母线电压低频纹波抑制[J]. 袁义生,张育源,陈进,胡根连. 电源学报. 2016(03)
[5]基于IGBT的低频水声功放技术[J]. 赵闪,余华兵,王麟煜,孙长瑜. 江南大学学报(自然科学版). 2012(05)
[6]数字滤波器及电感补偿算法在PFC中的应用[J]. 郭晓瑞,郭吉丰. 电力自动化设备. 2012(09)
[7]“极低频探地工程”在资源探测和地震预测中的应用与展望[J]. 卓贤军,陆建勋. 舰船科学技术. 2010(06)
[8]逆变器小信号输入阻抗分析及应用[J]. 陈明亮,马伟明. 电气应用. 2006(12)
博士论文
[1]两级式单相变换器的二次谐波电流抑制技术[D]. 张力.南京航空航天大学 2017
[2]电缆检测用高压发生器的拓扑及控制策略研究[D]. 刘志刚.大连理工大学 2013
硕士论文
[1]APF-双向DC/DC功能复合型变流器控制策略研究[D]. 刘国东.北京交通大学 2019
[2]串联型功率解耦无电解电容PFC电路[D]. 崔舒敏.燕山大学 2018
[3]大吨位电渣炉低频供电关键技术研究[D]. 吕鹏.西安石油大学 2017
[4]DC-DC升压变换器抗干扰控制方法研究[D]. 樊婧雯.东南大学 2017
[5]两级式逆变器控制技术研究[D]. 张育源.华东交通大学 2016
[6]基于单相功率因数校正系统的改进与研究[D]. 宋骁磊.东南大学 2016
[7]WEM发射系统电源特性分析及其谐波治理关键技术研究[D]. 龙根.中国舰船研究院 2016
[8]基于TMS320F2812单相逆变器的研究与设计[D]. 邓允长.安徽大学 2013
[9]两级式逆变器中前级DC/DC变换器的二次纹波电流抑制方法[D]. 祝国平.华中科技大学 2013
[10]针对电力机车牵引系统的单相整流有源电力滤波器[D]. 赵晖.华中科技大学 2013
本文编号：3022015
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
加入负载电流前馈Boost电路控制框图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文28图3-10|Gup(jω)|与母线电容大小和扰动功率频率关系3.4电压环中加入带阻滤波器法根据式(2-34)可以看出，PFC电路的输出电压中必然含有频率为市电频率两倍（100Hz）的电压纹波。如果电压环的输出中100Hz的交流分量太大，会使电感电流的给定值产生畸变，从而使PFC电路的输入电流产生畸变，降低电源的功率因数，图3-11为理想情况时和电压环输出信号中100Hz交流量较大时电感电流给定值的波形。所以在对PFC电路的电压环进行设计时，要求其带宽不得超过市电频率的1/2。对电压环带宽的限制导致其速度较慢，所以PFC电路的电压环对逆变器输入功率变化的响应速度不够，导致直流母线电压中频率为2fo的电压纹波很大。a)理想情况时b)电压环输出信号中100Hz交流量较大时图3-11电感电流给定值波形根据表3-1中的数据和式(3-22)，可以得到Gup(s)与电压环PI参数的关系为9up432250.21114104.0710Gssasbscsdsss(3-33)式中，分母中各系数为a=3.63×104-238.05×KPv；b=3.71×108+1.07×107×Kpv-238.05×KIv；c=1.33×1011×KPv+1.07×107×KIv；d=1.33×1011×KIv。绘制如图3-12所示的|Gup(jω)|与电压环带宽和脉动功率频率关系图，图中电压环带宽的范围为20-200Hz。从图3-12中可以看出，随着电压环带宽的增大，各个频率对应的|Gup(jω)|
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文29的值都明显减小，电压环带宽的升高对直流母线电压中频率为2fo的纹波的抑制效果非常明显。图3-12|Gup(jω)|与电压环带宽和扰动功率频率关系图为了解除对电压环带宽的限制，考虑在电压环中加入中心频率为100Hz的带阻滤波器（BSF），以减小电压环输出uc(t)中100Hz的交流分量。加入带阻滤波器后可以大幅度地提高电压环的带宽，在提高电压环的速度、减小直流母线电压的波动同时，又使PFC电路的输入电流保持较高的正弦度[38]。加入带阻滤波器后的电压环控制框图如图3-13所示。GPI(s)Gvc(s)Kvuref(s)udcu(s)c+(s)-BSF图3-13加入BSF的电压环控制框图采用巴特沃斯型带阻滤波器，通带上截止频率取80Hz，通带下截止频率取120Hz，阻带上截止频率取95Hz，阻带下截止频率取105Hz，带阻最小衰减13dB，在通带上、下截止频率处衰减3dB。设计得到的模拟带阻滤波器传递函数为[39]22135BSF25252.984103.79101522.83410203.35.06810ssGsssss(3-34)图3-14为带阻滤波器传递函数的伯德图，可以看出该带阻滤波器可以有效的抑制频率在90-100Hz范围内的扰动量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Buck型DC-APF抑制大功率极低频发射系统间谐波技术研究[J]. 孟浩,罗冰洋,刘庆,查明,罗志清,熊松,朱国荣. 电工电能新技术. 2019(05)
[2]开关复用型脉动功率解耦电力电子变压器[J]. 李红波,张志学,赵辉. 大功率变流技术. 2017(04)
[3]数字带阻滤波器的设计及畸变矫正[J]. 及少勇,李龙谭,张洪飞,郭汉明. 光学仪器. 2016(04)
[4]两级式逆变器中间母线电压低频纹波抑制[J]. 袁义生,张育源,陈进,胡根连. 电源学报. 2016(03)
[5]基于IGBT的低频水声功放技术[J]. 赵闪,余华兵,王麟煜,孙长瑜. 江南大学学报(自然科学版). 2012(05)
[6]数字滤波器及电感补偿算法在PFC中的应用[J]. 郭晓瑞,郭吉丰. 电力自动化设备. 2012(09)
[7]“极低频探地工程”在资源探测和地震预测中的应用与展望[J]. 卓贤军,陆建勋. 舰船科学技术. 2010(06)
[8]逆变器小信号输入阻抗分析及应用[J]. 陈明亮,马伟明. 电气应用. 2006(12)
博士论文
[1]两级式单相变换器的二次谐波电流抑制技术[D]. 张力.南京航空航天大学 2017
[2]电缆检测用高压发生器的拓扑及控制策略研究[D]. 刘志刚.大连理工大学 2013
硕士论文
[1]APF-双向DC/DC功能复合型变流器控制策略研究[D]. 刘国东.北京交通大学 2019
[2]串联型功率解耦无电解电容PFC电路[D]. 崔舒敏.燕山大学 2018
[3]大吨位电渣炉低频供电关键技术研究[D]. 吕鹏.西安石油大学 2017
[4]DC-DC升压变换器抗干扰控制方法研究[D]. 樊婧雯.东南大学 2017
[5]两级式逆变器控制技术研究[D]. 张育源.华东交通大学 2016
[6]基于单相功率因数校正系统的改进与研究[D]. 宋骁磊.东南大学 2016
[7]WEM发射系统电源特性分析及其谐波治理关键技术研究[D]. 龙根.中国舰船研究院 2016
[8]基于TMS320F2812单相逆变器的研究与设计[D]. 邓允长.安徽大学 2013
[9]两级式逆变器中前级DC/DC变换器的二次纹波电流抑制方法[D]. 祝国平.华中科技大学 2013
[10]针对电力机车牵引系统的单相整流有源电力滤波器[D]. 赵晖.华中科技大学 2013
本文编号：3022015
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