周超 呂娟 席澤敏

（1. 海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，武漢 430033; 2. 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430033）

1 引言

400 Hz中頻電源作為現(xiàn)代艦船中的一種重要供電電源，是一種能夠?qū)⒐ゎl電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l電能的變頻裝置，其頻率變化范圍可以不受電網(wǎng)頻率的限制，為雷達(dá)、聲納、通訊設(shè)備等眾多精密電子類負(fù)載提供高品質(zhì)電能的重任。與傳統(tǒng)的變頻發(fā)電機(jī)組相比，中頻電源有效率高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，供電性能指標(biāo)也隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步最終超過機(jī)組電源。因此，本文設(shè)計(jì)了基于DSP技術(shù)的靜止中頻電源。它采用基于 DSP 的實(shí)時(shí)數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性，最終輸出諧波含量極少的 400 Hz正弦波。

2 中頻電源電路設(shè)計(jì)

2.1 逆變系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)[1,5]

逆變的直接功能是將直流電變換成交流電。逆變系統(tǒng)的核心是逆變電路，通過電力電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，完成逆變的功能。電力電子開關(guān)器件的通斷，需要一定的驅(qū)動(dòng)脈沖，這些脈沖可以通過改變電壓信號(hào)來調(diào)節(jié)，產(chǎn)生和調(diào)節(jié)脈沖的電路通常稱為控制電路(或控制回路)。在逆變電路中，除了逆變電路和控制電路之外，還要有保護(hù)電路、輔助電路、輸入電路和輸出電路，如圖1 所示。

圖1 逆變系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 輸入電路

當(dāng)輸入電源為工頻交流電時(shí)，輸入電路由整流電路和濾波電路兩部分組成。為此，可以保證逆變電路的輸入為較為穩(wěn)定的直流電。

2.1.2 逆變電路

逆變電路是整個(gè)逆變系統(tǒng)的核心部分，由逆變開關(guān)器件（這里采用IGBT模塊）組成全橋電路，完成直流電到400 Hz中頻電的逆變。

2.1.3 輸出電路

輸出電路一般包括輸出LC濾波電路和中頻隔離降壓變壓器。利用LC濾波電路對(duì)逆變后的中頻電進(jìn)行開關(guān)頻率附近諧波的濾波，再由隔離降壓變壓器的漏抗進(jìn)行進(jìn)一步濾波，并且對(duì)輸出電壓進(jìn)行降壓，得到滿足實(shí)際需要的穩(wěn)定400 Hz中頻電壓。

2.1.4 控制電路

控制電路由電壓采樣反饋電路、觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電路中開關(guān)器件的控制。在逆變系統(tǒng)中，控制電路和逆變電路同樣重要。它先通過采樣輸出電壓，再由DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)PWM多路輸出，由觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行隔離放大，將放大后的PWM信號(hào)作為逆變電路的開關(guān)器件的觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)逆變過程，最終實(shí)現(xiàn)400 Hz中頻電壓的穩(wěn)定輸出。

2.1.5 保護(hù)電路

保護(hù)電路包括輸入欠壓、過壓保護(hù)電路，輸出欠壓、過壓保護(hù)電路，過載保護(hù)電路，過流保護(hù)電路。

2.1.6 輔助電路

輔助電路的功能是將逆變器的輸入電壓變換成直流電壓。為控制電路提供合適的穩(wěn)定直流電壓，保證控制電路的正常工作。

2.2 中頻電源的主電路及工作原理

2.2.1 中頻電源主電路

主電路如圖2所示。

2.2.2 中頻電源工作原理[2]

圖2 中頻電源主電路

工頻交流電壓經(jīng)全橋不可控整流電路整流后，輸出到濾波電路，由濾波電容C1對(duì)直流母排上的直流電壓進(jìn)行濾波，濾波后供給逆變電路，逆變開關(guān)器件（IGBT）V1、V2、V3、V4在驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下，由正弦脈寬調(diào)制技術(shù)將直流電壓變成400 Hz的中頻交流電壓，經(jīng)濾波隔離降壓后供給負(fù)載。

3 中頻電源單相逆變電路的數(shù)學(xué)模型[4]

圖3是帶LC濾波電路的400 Hz單相全橋逆變等效電路。其中R是等效電阻，它綜合考慮了濾波電感L的等效串聯(lián)電阻、死區(qū)效應(yīng)、開關(guān)器件導(dǎo)通壓降、線路電阻等逆變電路中的各種阻尼因素，U是逆變橋輸出電壓，I是負(fù)載電流。假設(shè)開關(guān)器件工作在理想狀態(tài)，可以采用狀態(tài)空間平均法來得到逆變電路的線性化模型。

圖3 單相全橋逆變等效電路

選擇電容端電壓U和電感電流IL作為狀態(tài)變量，將I看作為逆變電路的一個(gè)外部擾動(dòng)輸入量，可以得到逆變電路的狀態(tài)方程為：

其中：x= [ULI]T，u=[U I]T，y=U，

由狀態(tài)空間平均模型可以推導(dǎo)出雙輸入同時(shí)作用時(shí)系統(tǒng)的s域輸出響應(yīng)關(guān)系式：

4 中頻電源的仿真分析[3]

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性，采用MATLAB中的Simulink建立中頻電源仿真模型，如圖4所示，并進(jìn)行仿真分析。

由仿真模型仿真得到任意一相的輸出電壓，并由fft分析得到仿真結(jié)果，如圖5所示。

由圖5可得，輸出電壓為400 Hz的中頻電壓，并且電壓的THD=2.99%。因此，由本文設(shè)計(jì)的逆變系統(tǒng)對(duì)工頻電壓進(jìn)行變頻后，可以得到諧波含量較少的400 Hz中頻電壓。

圖4 中頻電源仿真模型

圖5 輸出電壓的fft分析圖

5 結(jié)束語

本文介紹了基于 DSP技術(shù)中頻電源的簡單實(shí)現(xiàn)方法，分析了中頻電源的工作原理，同時(shí)建立了數(shù)學(xué)模型。由仿真結(jié)果表明：

（1）本文設(shè)計(jì)的中頻電源能較好的實(shí)現(xiàn) 50 Hz工頻電壓到400 Hz中頻電壓的轉(zhuǎn)變；

（2）中頻電源中逆變后的濾波電路能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變后開關(guān)頻率的濾波。

設(shè)計(jì)的基于DSP技術(shù)的中頻電源在艦船、航空、航天等領(lǐng)域具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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