基于SVPWM的三电平变频器无中性线控制中点电位调节能力

目前,鲜有文献对三电平变频器无中性线下中点电位调节能力边界展开研究。为此,针对船舶三电平推进变频器无中性线控制需求,给出了基于空间矢量脉冲宽度调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)的三电平变频器无中性线控制中点电压平衡策略。首先,理论推导了SVPWM策略下无中性线控制不同扇区下中点电位调节能力的边界,并在几种典型调制比下对中点电位调节能力进行了离线仿真验证,结果与理论相符;然后,搭建了控制器硬件在回路实时仿真平台,实验验证了基于SVPWM策略下中点电位控制的有效性及中点电位调节能力的准确性。相关研究结论可为推进变频器直流支撑电容设计及无中性线下变频器安全运行边界确定提供技术支撑。

考虑吸收电路的五电平有源中点钳位变频器电压过零切换策略

五电平有源中点钳位(five-level active-neutral-point-clamped,5L-ANPC)变频器拓扑结构简单,可直接通过公共直流母线供电,易于实现能量回馈,非常适合用于5~10 kV直流供电的船舶推进变频调速领域。简要介绍了5L-ANPC的主电路拓扑和工作原理,针对5L-ANPC拓扑杂散参数较大的四种换流回路,在兼顾可靠性及适装性前提下,设计了纯电容吸收电路。在上述基础上,分析了设置吸收电路后的5L-ANPC拓扑采用传统电压过零切换策略时存在的内开关管过压问题,并提出一种考虑吸收电路的切换策略,实现了输出电压过零器件安全切换,且避免了电压异常跳变。通过仿真和实验验证了所提考虑吸收电路的输出电压过零切换策略的有效性、正确性。

高电压宽范围输入低电压输出的DC-DC辅助电源设计

高电压宽范围输入的DC-DC辅助电源技术是中高压、大容量电力电子变流系统的关键辅助技术。基于双管反激电路,本文设计了一个高电压宽范围300~2 500V输入,低电压24V输出的DC-DC辅助电源样机,并给出了电源详细的设计方案。相比传统辅助电源,设计的辅助电源启动支路在电源工作后可自动断开,实现了电源输入电压范围更宽目标;电源主电路由变压器隔离,控制、反馈电路由辅助绕组供电,确保了电源输入/输出高电压隔离;开关管驱动电路采用带耦合电感的脉冲变压器,满足了驱动信号高压隔离和同步驱动要求。此外,计算电源效率的结果表明,双管反激辅助电源更适合高电压输入场合。最后,进行了相关实验,结果验证了所设计的高电压宽范围输入的DC-DC辅助电源方案可行性和正确性。

舰船综合电力系统智能保护方法研究

舰船综合电力系统在保护方面存在若干问题:多种工况导致断路器整定值难以选取;系统分级增多,时间原则下的保护延时大大增加;电缆长度较短,致使相邻两级故障难以区分。基于BP神经网络,提出一种电流、电压有效值作为输入,神经网络识别结果作为输出,并用输出结果来控制断路器的通断,实现舰船综合电力系统故障定位的智能保护方法。介绍PSCAD/EMTDC与C接口原理,对神经网络输入量选取原则及处理方法进行说明,并调用BP神经网络C程序进行了仿真验证,结果表明该智能保护方法是保护舰船综合电力系统,提高舰船战斗力和生命力的有效方法之一。

高电压输入双管反激辅助电源驱动研究

高性能的开关管驱动技术是实现辅助电源安全、可靠运行的必要条件。首先,针对高电压输入双管反激辅助电源驱动具有高电压隔离、高频率、低延时和无外接电源等特点,对比各种可行的驱动方案,确定了一种安全、简单的变压器隔离双管驱动电路,并设计了相应的驱动器;其次,通过调整驱动变压器绕组比,实现了开关管在各种控制脉冲下的充分导通,通过增加驱动器输出信号耦合电感,提高了驱动信号的同步性;第三,根据驱动脉冲上升、平顶、下降三个阶段,建立了驱动器等效电路模型,推导了相关公式,分析了驱动器主要参数对驱动性能的影响;最后,在300V^2 500V输入的双管反激辅助电源样机上进行了相关实验,验证了所设计的双管隔离驱动器的正确性、可行性。

宽范围高电压输入两级DC/DC辅助电源

中高压、大容量电力电子变流系统中,二次回路的辅助电源对系统的可靠运行起着关键性的作用。但目前已有的辅助电源大都针对低压、中小容量的变流系统,且普遍有输入电压较低、输入电压范围较窄或效率较低的问题。为此,设计了一种适用于中高压、大容量电力电子变流系统的辅助电源。该电源的输入范围为400～2 000V,输出24 V直流电压,采用两级DC/DC拓扑结构,可以很好地实现宽范围输入并避免输入/输出隔离问题。推导了前级变换器传递函数并给出了该电源的小信号模型,对其进行了稳定性分析。最后进行了相关的实验,验证了所设计辅助电源的正确性和可行性。

IGBT集电极电压高精度测量方法研究

IGBT导通和截止电压相差较大,传统的检测电路无法实现其宽范围、高精确度的测量。首先,本文提出了一种IGBT导通和截止电压集成的测量电路,实现了IGBT导通和截止电压的准确测量。进而给出了具有高动态性能的IGBT截止和导通电压分立测量电路,前者通过电阻分压、电容补偿实现了IGBT开关暂态集电极电压的高带宽测量;后者利用电流源给二极管注入微小电流实现IGBT导通饱和压降的精确测量,并实验验证了IGBT导通和截止集电极电压测量电路的高带宽和高精确度性能,测量精确度分别为5m V和10V。最后,对IGBT导通饱和压降-结温-集电极电流三者间存在的线性关系进行实验验证,并结合IGBT输出特性形成的分段线性函数,形成了更简单、实用的IGBT结温在线估计方法。

高电压宽范围输入辅助电源自激启动研究

分析了辅助电源自激启动原理,推导了辅助电源启动相关公式,给出了辅助电源自激启动条件,确定了影响辅助电源启动的主要因素为启动电阻、启动电容、变压器原边电感、变压器原边检测电阻、输出电容和辅助电容及负载,并得出以下结论：原边电感或原边检测电阻或输出电容增加时,电源输出绕组建压时间增加而辅助绕组建压和供电时间减少;启动电容增加时,电源启动时间和辅助绕组建压时间增加而输出绕组建压时间减少;负载增加时,辅助绕组供电时间和输出绕组建压时间均减少。分别基于PSPICE仿真软件和300~2 500 V输入、24 V输出的双管反激辅助电源样机对影响辅助电源启动的主要因素进行了仿真和实验验证,结果表明上述结论正确。

中高压大功率IGBT数字有源门极开环分级驱动技术

在中高压、大容量电力电子变流系统中,大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)是变流器的关键器件,而门极驱动技术是影响IGBT功率器件及其组成的变流系统发挥最优性能的关键因素。首先,对IGBT门极驱动控制技术进行理论分析,确定开环分级点;其次,给出基于FPGA的数字有源门极开环分级驱动器具体实现电路;最后,基于设计的数字驱动器和Concept驱动器进行对比实验,结果表明在不恶化其他参数(反向恢复电流、关断电压尖峰、diC/dt、dvCE/dt)下,所研究的数字分级驱动器可减少开通关断延时。

三电平多相H桥变频器支撑电容电流抑制方法

目前对支撑电容电流抑制的研究尚不充分,而电容电流有效抑制可减少支撑电容体积,延长电容寿命,对设备尺寸、可靠性有严格要求的船舶应用场合尤为重要。为此,针对共直流母线三电平五相H桥推进变频器,首先推导载波移相前后推进变频器直流输入电流表达式,并予以理论计算与仿真校核;其次,提出一种可表征不同载波移相角下电流谐波抑制性能评估函数,并得到不同载波移相角下电流谐波抑制性能曲线,结果表明,通过理论计算的载波移相角可实现推进变频器电容电流最优抑制。最后,仿真和试验验证本文所提方法的正确性、有效性。所提方法为在不增加硬件条件下的三电平多相H桥推进变频器支撑电容优化设计提供一种解决思路。

一种中电压大功率IGBT模块行为模型

目前已有场终止型绝缘栅双极性晶体管(IGBT)行为模型以及仿真软件中的IGBT模型未专门针对中电压大功率IGBT模块搭建,不能准确模拟其区别于中小功率IGBT的行为特性。在已有行为模型基础上,提出引入IGBT基区存储电荷造成的等效电容及模块封装键合丝带来的寄生电感,考虑反并联PIN二极管行为模型,从而有针对性地实现了完整中电压大功率IGBT模块行为模型。同时提出了新的米勒电容函数拟合方法,量化分析行为模型完整开关过程中典型行为与模型参数的关系,通过较简便的方法实现了模型参数的提取。最后在Pspice环境下实现了一种3.3k V/1.5k A等级IGBT行为模型,并通过在Buck电路下仿真与实验波形对比证明了该行为模型的可行性和有效性。

一种宽范围双管反激DC/DC辅助电源设计

宽范围DC/DC辅助电源是高电压大容量电力电子变流系统的重要组成部分，尤其是对于具有标准化、模块化、分布式结构的中高压大容量电力电子变流系统意义更重大。首先，基于双管反激电路，设计制作了一个宽范围高电压80-800V输入/低电压24V输出的辅助电源样机，针对常规双管反激电源反馈电路存在的问题，进行了详细分析并提出解决方法；其次，给出了实验波形，对实验波形中的尖峰及震荡现象进行定性分析并给出解决思路；最后，利用闭环系统的开环传递函数对双管反激电路进行了稳定性分析。

控制网络延时对SPWM逆变器输出电压的影响

针对中大容量变流器分布式控制系统存在固有的控制网络延时，详细推导了SPWM逆变器系统在单桥臂延时和桥臂串行延时的情况下输出线电压的数学表达式，并对两种情况下的输出线电压进行了详细地仿真定量分析和实验验证，仿真和实验结果与理论分析基本吻合，仿真和实验结果表明控制网络延时的引入使得系统输出线电压中出现了开关频率（弧）的奇数倍高次谐波，同时边频带中出现了基波频率（CO，）的3倍数次谐波，系统输出线电压总谐波系数（THD）值和各主要次谐波幅值随着控制网络延时的增加而发生变化，且THD值在单桥臂网络延时50％开关周期和桥臂串行网络延时为50％～100％开关周期时达到最大值。

一种十五相感应电机的矢量控制算法

在已有多相电机系统研究的基础上,研究了一种新型的十五相感应电机矢量控制算法。详细推导了该种十五相感应电机的数学模型,并在此基础上推导了十五相感应电机的矢量控制算法,给出了系统的控制框图。系统试验结果表明了该矢量控制算法的正确性和可行性,将该算法应用于实际的十五相感应电机矢量控制系统中,可以取得对电机良好的控制效果,该十五相感应电机矢量控制算法可直接应用于兆瓦级大功率十五相感应电机系统中。

基于旋转变压器的PMSM位置和速度检测方法

设计了一种基于旋转变压器的永磁推进电机位置和速度检测电路。分析了解码芯片的解码原理、数据转换(角度和转速)关系、解码电路以及解码程序流程,并在电机静止不同位置和不同电机转速下,通过Quartus II 9.1仿真软件对AD2S1210旋变解码板获取的角度和转速数据进行了测试,给出了电机运行下的旋转变压器输入输出相关波形。结果表明设计的基于AD2S1210解码电路用于永磁电机转子位置和速度检测方法可行,解码角度和速度数据精度高,波动范围小,抗干扰强,能够满足永磁推进系统的高性能、高可靠性的要求。

均衡电抗器及变压器漏感在12脉波整流系统中的影响分析

以船用推进为背景,对一种带直流均衡电抗器的12脉波整流系统网侧谐波电流表达式进行了推导及简化。综合考虑了变压器交流输入端漏感、整流输出端均衡电抗器、变频器直流输入电压等因素,对其与电网电流总谐波畸变及输入功率因数的关系进行了分析和仿真,仿真与试验表明:计算与实际情况具有较高的吻合度。该方法尤其适用于对系统参数匹配性敏感的特殊船舶应用领域。

中高压大功率IGBT驱动器有源箝位技术研究

中高压大功率终止型绝缘栅双极性晶体管(IGBT)中驱动器一般通过有源箝位电路来抑制其大电流关断时的电压尖峰。提出将有源箝位电路等效为典型闭环反馈控制系统并进行线性化处理的时域分析方法,用于分析有源箝位过程初期的动态性能。提出一种针对稳定箝位过程的静态分析方法,为有源箝位电路参数取值及确定箝位工作点提供依据。针对双N-MOSFET驱动级,设计了一种对驱动级进行棒-棒调节的有源箝位电路,该电路能降低瞬态电压抑制二极管(TVS)击穿电流,从而降低其在箝位过程中的损耗。最后通过仿真和实验结果验证了理论分析和电路设计的可行性、准确性、有效性。

飞轮储能抑制舰船综合电力系统直流母线电压波动的研究

舰船综合电力系统直流网络突加一定恒功率负载时会产生较大的电压波动,这主要是由电网中电能供需的不平衡造成,而飞轮储能装置可以解决上述问题。本文详细分析了储能装置运行特性,将其划分为充能、保持、调节三种工作模式,设计了一种基于矢量控制的综合控制策略。在PSCAD/EMTDC仿真平台中构建了综合电力系统直流网络简化仿真模型,仿真结果表明此控制策略下飞轮储能装置的工作模式能平滑快速切换,功率控制响应速度快,直流母线电压暂态过程波动显著减小。

一种IGBT集电极电压测量电路的设计

由于大功率IGBT开通和关断集-射电压具有跨度大的特点,现有的大功率IGBT驱动检测电路无法同时实现宽范围、高精度的测量。为此提出了一种新的IGBT集电极开通和关断电压集成的测量电路。该电路通过电阻分压网络实现IGBT关断电压的测量;利用驱动信号来控制电流源向高压隔离二极管注入微小电流使其导通,并对此二极管误差进行补偿,实现IGBT导通饱和压降的精确测量。仿真和试验验证了设计电路的正确性和有效性,可为高压大功率IGBT高性能驱动器的研制奠定基础。

基于反电动势的多相感应电机MRAS控制策略优化

针对舰用多相电力推进系统无速度传感器控制的需求,将带输入滤波环节的基于电机反电动势的模型参考自适应(MRAS)方法用于多相感应电机无速度传感器矢量控制系统,推导了系统的小信号模型,分析了滤波截止频率和转速估算PI参数对系统性能的影响,并在此基础上设计了变滤波截止频率变PI参数优化的MRAS控制策略。仿真和实验结果表明:该优化方法具有更高的转速估算精度和静、动态控制性能。