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谐振软开关PWM功率变换器及其非线性特性分析

作　者: 贺昱曜
导　师: 徐德民
学　校: 西北工业大学
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 电气传动功率电子谐振直流环节软开关 SPWM 功率变换器非线性分析
分类号: TM46
类　型: 博士论文
年　份: 1999年
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内容摘要

近年来，电力电子技术、计算机技术及自动控制理论的迅猛发展极大地促进了交流电机变频调速技术的进步。但常规的硬开关模式PWM功率变换器由于开关损耗大、开关频率低、输出波形质量差、变换效率低等缺点，使得其性能与功能难以进一步提高。因而研究具有开关频率高、体积小、重量轻、变换效率高、无音频噪声的谐振软开关功率变换器已成为功率变换领域当前的主要研究方向之一。本文主要研究谐振软开关PwM功率变换器及其非线性特性分析，其主要创新点与研究成果为：通过对常规电压型SPWM变频器延时效应的分析，给出了SPWM信号延迟方法，导出了由SPWM信号调制方法及信号延迟效应引起的SPWM逆变器实际输出基波电压及各次谐波电压的计算公式，给出了仿真曲线；研究了延时效应对输出转矩及转速的影响及确定实际开关频率的方法；通过将提出的信号延时补偿电路应用于SPWM变频器以改善SPWM波形质量，使得变频器的性能得到了极大的提高，给出了实验结果及分析。分析了串联谐振软开关DC/AC变换器的工作原理，提出了谐振直流环节逆变器谐振电压可靠回零的方法，导出了回零谐振所必须具备的最小初始条件，即谐振电感具有最小初始电流，L_{L Min}（0），求得了获得该最小初始电流时谐振电容短路开关所需的最小导通时间t_{I min}。得出了谐振电压波形是否可靠回零与直流电源电压大小无关的结论。针对由高频软开关逆变器—交流异步电动机构成的拖动系统，建立了该系统的数学模型，从整体系统角度分析了其动、静态特性，提出了交流异步电动机负载变化对高频软开关逆变器特性影响的分析模型，给出了谐振直流环节中谐振元件的选取原则及计算公式。针对串联谐振直流环节逆变器和并联谐振直流环节逆变器两类拓朴结构中存在的电压、电流应力大的缺点，提出了串并联谐振直流环节变换器—一种新型的零电压软开关变换器拓朴新概念。其主要思想为：将串联谐振与并联谐振相结合而构成一个串并联谐振环节，使电路在一个谐振周期过程中，某些状态为串联谐振，而另一些状态为并联谐振，以使网络整体性能为串联谐振与并联谐振的优点相结合，从而克服两者的缺点。依据提出的串并联谐振软开关变换器电路拓朴结构，分析了该变换器的工作原理、状态转换形式，建立了该系统大信号瞬态数学模型，进行了多种工作条件下的计算机仿真与实验研究。仿真与试验结果表明了该新型变换器的工作原理是正确的。针对谐振软开关DC/AC变换器中既有谐振开关频率，逆变桥PWM开关频率，又有输出频率等，本文提出了分级建模的思想与方法。首先研究了谐振直流环节的建模与非线性分析，导出了谐振直流环节中谐振元件上的电压、电流计算公式；其次研究了逆变桥PWM开关部分的建模分析与仿真。最后将谐振环节开关非线性模型与逆变桥PWM开关部分模型相结合而构成整体非线性系统，结合系统输出特性要求进行整体非线性系统仿真研究，获得了系统稳态特性。最后对全文进行了总结与展望。提出了尚需深入研究的几个问题及未来的研究方向。

全文目录

内容提要  4-6
英文摘要(ABSTRACT)  6-12
常用符号说明  12-13
第一章绪论  13-35
  §1-1 概述  13-14
  §1-2 现代交流调速技术  14-20
    1.2.1 常规PWM功率变换器  14-17
    1.2.2 谐振软开关功率变换器  17-20
  §1-3 PWM功率变换器的非线性分析  20-25
    1.3.1 状态空间平均法  21-22
    1.3.2 准谐振开关变换器的分析  22-23
    1.3.3 渐近法  23-25
  §1-4 现代电力电子技术  25-30
    1.4.1 功率电子技术的形成及推动力  25-26
    1.4.2 功率电子技术的发展动向  26-30
  §1-5 论文的研究内容、关键技术及结构安排  30-33
    1.5.1 研究的目的和意义  30
    1.5.2 主要研究内容及其关键技术  30-31
    1.5.3 本论文的结构与安排  31-33
  参考文献  33-35
第二章 SPWM变频器信号延迟特性分析、计算与补偿  35-47
  §2-1 概述  35-36
  §2-2 SPWM信号延迟方法及延迟特性分析  36-38
    2.2.1 信号延迟方法  36
    2.2.2 延迟特性分析  36-38
  §2-3 延迟时间对输出基波电压的影响  38-39
  §2-4 延迟时间对谐波电压的影响  39-43
    2.4.1 固有谐波  39-41
    2.4.2 附加谐波  41-43
  §2-5 延迟效应对输出转矩的影响  43-44
  §2-6 实验结果及分析  44-45
  §2-7 结论  45-46
  参考文献  46-47
第三章串联谐振直流环节逆变器研究  47-65
  §3-1 概述  47-48
  §3-2 谐振直流环节逆变器工作原理及数学模型  48-51
  §3-3 考虑负载电流时的谐振直流环节逆变器  51-53
  §3-4 考虑三相异步电动机负载变化时的谐振直流环节逆变器  53-57
  §3-5 仿真及实验结果  57-58
  §3-6 数学模型的简化及控制方法研究  58-60
    3.6.1 考虑三相异步电动机负载时的谐振直流环节逆变器数学模型的简化  58-60
    3.6.2 简化控制方法  60
  §3-7 谐振参数的选取及仿真  60-63
    3.7.1 谐振频率的选取  60-61
    3.7.2 谐振电感量的选择  61
    3.7.3 谐振电容的选取  61-62
    3.7.4 谐振参数仿真  62-63
  §3-8 结论  63-64
  参考文献  64-65
第四章串并联谐振DC/AC变换器原理分析、计算与设计  65-83
  §4-1 概述  65-66
  §4-2 串并联谐振环节逆变器拓扑结构及工作原理  66-69
  §4-3 串并联谐振直流环节各工作状态等效电路及数学模型  69-73
  §4-4 串并联谐振直流环节系统仿真研究  73-74
  §4-5 串并联谐振直流环节实验及结果分析  74-75
  §4-6 串并联谐振IGBT变频器系统构成及工作原理分析  75-76
    4.6.1 主电路工作原理  75-76
    4.6.2 控制电路组成及工作原理  76
  §4-7 系统设计与计算  76-79
    4.7.1 谐振环节的回零机理  76-77
    4.7.2 电压回零时间及谐振电感量的计算  77-78
    4.7.3 谐振频率的计算  78-79
  §4-8 设计与实验研究  79-81
    4.8.1 起动过程的可靠性分析  79-80
    4.8.2 谐振环节控制电路  80
    4.8.3 实验研究  80-81
  §4-9 本章总结及结论  81
  参考文献  81-83
第五章谐振直流环节变换器非线性特性分析及仿真  83-113
  §5-1 引言  83-84
  §5-2 串联谐振直流环节逆变器建模  84-87
  §5-3 非线性系统分析原理  87-92
    5.3.1 PWM开关功率变换器非线性描述  87-89
    5.3.2 适用于稳态分析的等效小参量法  89-92
  §5-4 应用实例及仿真结果分析  92-100
    5.4.1 应用实例  92-95
    5.4.2 仿真分析  95-97
    5.4.3 方法的比较  97-100
  §5-5 SPWM逆变桥开关非线性系统建模  100-104
  §5-6 SPWM逆变桥开关非线性系统分析及仿真  104-108
  §5-7 串联谐振直流环节逆变器开关非线性系统建模  108-110
  §5-8 串联谐振直流环节逆变器非线性系统分析及仿真  110-111
  §5-9 本章总结及结论  111
  参考文献  111-113
第六章论文工作总结及展望  113-117
  §6-1 引言  113
  §6-2 本论文的主要贡献  113-115
  §6-3 展望  115-116
  参考文献  116-117
致谢  117-118
攻读博士学位期间发表的论文  118-119
攻读博士学位期间获奖情况  119-120

谐振软开关PWM功率变换器及其非线性特性分析

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