基于混合Vienna航空中频整流器的研究

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在航空供电系统中主要是400Hz三相交流电源,而大多数机载设备运行需要直流电源,随着航空用电设备的增加,对直流电源的质量提出了更高的要求。因此,需要将400Hz三相交流电源变换成可靠的、稳定的不同等级的高品质直流电源。基于此,本文以混合Vienna整流器作为研究对象,对其工作原理、控制策略进行研究。首先,介绍了航空电源以及航空电源交流供电系统中三相整流器的主要技术特征和技术方案。对比分析了混合整流器现存的拓扑结构及其控制方法。分析了混合Vienna整流器的工作模态,建立了数学模型,对混合Vienna整流器拓扑结构中的单开关三相整流器(Single Switch Three Phase Rectifier,SSTPR)源端串联电感,抑制因并联电路产生的输入电流尖峰。同时,针对传统三电平SVPWM调制繁琐计算复杂的问题,采用一种将三电平SVPWM等效成两电平SVPWM的调制方案,并给出了简化三电平SVPWM数字化实现过程。其次,针对混合Vienna整流器功率分配不合理使转换效率低下及动态响应差、谐波畸变率高等问题。首先文中采取了Vienna有功功率最小作为分配原则进行功率分配;其次采用外环功率和内环无源电流的复合控制策略。该策略通过混合Vienna整流器数学模型,确定系统在欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange,EL)模型下的无源性,据此设计出固定阻尼注入的内环无源电流控制器;同时又通过微分平坦理论证明混合Vienna整流器为平坦系统,据此设计出在综合性能最佳点下的外环功率控制器。通过对系统的功率计算与仿真分析可知,Vienna整流器有功功率占输入功率50%时综合性能最优,在综合性能最优处,混合Vienna整流器转换效率为90.3%,谐波畸变率为3.3%,SSTPR转换效率为94%,Vienna转换效率为86.7%。并且混合Vienna整流器在启动时输出电压在0.017s内稳定到期望值,并在负载扰动情况下,输出电压波动小于5%,且在0.08s内稳定到期望值。最后,为验证上述拓扑结构及对应的复合控制策略的正确性,搭建了一台4k W的Vienna整流器实验样机。实验结果表明,当系统启动时,输出电压在0.2s内到达期望值,并且负载在300Ω到1300Ω变动下,输出电压波动小于5%,且在0.1s内稳定到期望值,该整流器具有较快的动态响应及较好的鲁棒性。
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