基于线性自抗扰和复合控制的单相PWM整流器研究

为了提高整流器输出直流电压的抗干扰能力,以及降低交流输入侧电流的谐波含量,对其采用电流内环重复控制(Repeat Control,RC)+PI(Proportional Integral,PI)的复合控制及电压外环线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)的控制方法。首先建立单相PWM整流器的数学模型,并在此基础上设计了LADRC电压外环和复合控制电流内环的控制方案。对其仿真和实验结果与PI双闭环控制结果进行对比,结果表明:LADRC电压外环控制可以有效提高直流侧电压的稳定性和响应速度以及受到扰动时的调节能力,与此同时复合控制电流内环不仅降低了交流侧电流的谐波含量,对周期性扰动的抑制作用也得到增强,同时其动态性能也得到提高。

一种基于数字孪生的灰盒单相PWM整流器建模与健康参数监测方法

基于单相两电平脉宽调制(PWM)整流器工作原理及其闭环控制策略,建立其离散化数学模型,并考虑实际工程应用中控制参数未知的情况,结合整流器外特性实验数据,依托优化粒子群算法(PSO),构建单相PWM整流器数字孪生灰盒模型。该模型可依据当前实测外特性数据,准确地监测控制参数和表征健康状态的关键参数,进而实现对实际整流系统的运行特性跟踪与模拟,该方法可为整流系统的非侵入式健康状态监测提供可能,并可用于指导实际系统中控制参数优化。为验证数字孪生灰盒模型及监测方法的正确性与有效性,该文在不同参数和多种工况下开展了模型验证与监测实验。结果表明,所建模型具有对实际整流器外部运行特性的模拟能力,监测误差小于5%且能够识别参数变化趋势。同时也探究了不同智能优化算法对监测性能的影响,论证了优化粒子群算法在此应用条件下的优越性。

高速电磁阀相移PWM电压驱动策略

高速电磁阀作为数字流量技术的核心控制元件,其动态响应及有效可控占空比区间严重影响系统流量控制精度。为进一步扩展有效可控占空比区间,提出一种包含基准脉冲宽度调制(PWM)、预激励PWM、激励PWM、高频PWM、预卸荷PWM、卸荷PWM在内的相移PWM电压驱动策略,给出相移PWM电压驱动策略的工作原理,并建立高速电磁阀动态特性理论模型,开展预激励PWM、预卸荷PWM可控占空比仿真分析与实验验证研究。结果表明:所提策略与复合PWM电压驱动策略相比,阀芯开启、关闭压力响应时间分别缩小了87%、37.9%,工作频率为100 Hz,阀芯正常启闭可控占空比为0.285~0.77,自扩展至0.085~0.81。

不平衡电网下三相PWM整流器模型预测控制及纹波抑制方法

针对三相电网不平衡故障下的电压型PWM整流器的直流电压二次纹波和网侧电流谐波,研究了一种纹波抑制方法。基于传统的双闭环控制结构,提出电网不对称故障下参考电流计算方法。利用模型预测控制取代电流环PI控制,结合PWM调制环节固定开关频率,根据电流预测模型和电流误差最小原则,不仅减小了网侧电流谐波和直流母线侧电压纹波,而且降低了平均开关次数进而减少了器件损耗。通过建立的交流侧110 V、直流侧300 V、输出功率0.7 k W的实验平台进行了实验验证,表明该系统具有良好的稳态性能。仿真结果和实验结果验证了所提出控制方法的有效性以及理论分析的正确性。

考虑PWM波形特征的纳米晶磁心损耗模型的研究及验证

磁心损耗精确预测对于电力电子变压器的优化设计至关重要。然而,传统的磁心损耗模型在复杂激励下适用性较差,尤其对于占空比可调、高次谐波含量丰富的PWM波磁心损耗预测,计算精度显著下降。基于Jordan损耗分离模型,建立了一种考虑PWM波形特征的磁心损耗计算方法。首先,该方法根据激励波形特征,推导出相应的波形系数及等效频率来计算PWM波激励下的动态涡流损耗,将Jordan模型的适用范围从正弦拓展到PWM波激励下的磁心损耗计算;然后,分析了不同占空比激励下激励波形有效频率及高次谐波含量变化对损耗系数的影响,并对其进行数学表征,实现了整个占空比范围内磁心损耗的精确预测;最后,搭建了高频非正弦激励下软磁材料磁特性测量平台,针对1K107B纳米晶材料,测量了两种典型PWM波激励下的损耗数据。实验结果表明,所建立的磁心损耗模型具有较高的计算精度,相比于传统的Steinmetz改进公式,整体精度提高了25%。

一种低延时低功耗PWM比较器电路设计

设计了一种基于HHGrace 0.35μm BCD工艺的低延时低功耗电压型静态脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)比较器,主要应用于高频低功耗的开关电源系统。设计中包含动态尾电流源和改进型正反馈放大器,以改进传统跨导放大器(Operational Transconductance Amplifier,OTA)型比较器高延迟和高功耗等问题。仿真结果表明:在1.2~5.0 V供电电压范围内稳定工作,最大上升沿延时35 ns,最大下降沿延时41 ns,支持6 MHz开关频率的系统,比较精度8 mV,失调电压439μV,静态功耗仅为2.5μA(1.2 V供电)和4.4μA(5.0 V供电)。

不平衡电网下电流源型PWM整流器改进型无差拍控制

三相电流源型PWM整流器运行在电网电压不平衡情况下,引起直流侧及网侧电流存在大量低次谐波,势必对后级变换器供电稳定性、安全性等存在不利影响。针对该问题,首先建立整流器数学模型,推导出不平衡电网下直流侧电压和网侧电流表达式,揭示出系统直流侧和网侧电流产生低次谐波的机理。其次,根据瞬时功率理论设计内环电流参考指令,并利用无差拍控制实现网侧电流对参考电流的跟踪。然而传统无差拍控制存在延时问题,将影响网侧电流的跟随性能,造成电能质量下降。为解决该问题,提出了网侧电流内环改进型无差拍控制,利用两步预测法补偿系统延时。最后,基于Matlab/Simulink平台搭建仿真模型,验证所提控制策略的正确性与有效性。结果表明,所提方法能有效抑制直流侧和网侧电流低次谐波,实现网侧电流正弦化和直流侧电压稳定输出。

定频PWM控制混合桥双LLC谐振变换器研究

针对宽输出电压应用中传统频率控制LLC谐振变换器工作频率范围宽且存在较大循环电流的问题,提出1种定频PWM控制混合桥双LLC谐振变换器。根据原边侧结构的不同,所提变换器有3种拓扑结构形式,分别为半桥-半桥双LLC谐振变换器、半桥-全桥双LLC谐振变换器、全桥-全桥双LLC谐振变换器。其中,原边侧结构并联输入,2个变压器二次侧串联输出。相较于传统频率控制LLC变换器,3种拓扑形态始终在谐振频率点工作,缩小了开关频率范围;在PWM控制策略下,可以分别实现2倍电压增益、3倍电压增益和4倍电压增益以适应宽电压场合;电路中循环电流损耗低,软开关性能良好。Simulink仿真和实验结果验证了所提方案的可行性。

由PWM驱动的直流电机系统EMC模型搭建

在车载电气系统中,由PWM驱动的直流电机系统是一稳定的骚扰源,因直流电机线束串扰引起的串扰问题较多,分析其原因为电机中产生的振铃通过线束分布参数串扰至敏感电路中。本文通过分析电机各项寄生参数、滤波参数,研究建立电机的线束串扰仿真骚扰源等效模型,并研究了电机系统振铃控制方法,最后通过仿真数据与实际采集数据对比,验证了模型的准确性。

基于非线性扰动观测器的三相PWM整流器滑模控制

针对交流微电网中三相PWM整流器的运行状态易受负载扰动、滤波电容参数摄动影响的问题,本文提出一种基于非线性扰动观测器的三相PWM整流器滑模控制方法。首先,将负载扰动、滤波电容参数摄动等视为集总扰动,构建电压环非线性模型。其次,设计非线性扰动观测器,实现集总扰动的在线估计。为实现主动抗干扰控制和滑模抖振抑制,将估计的集总扰动引入到滑模面中,得到了一种含有扰动估计的新型滑模面。最后,基于滑模控制理论设计电压外环滑模控制器,并采用Lyapunov稳定性理论对其进行了稳定性证明。动态性能测试结果表明,非线性扰动观测器能够快速、准确地对集总扰动进行估计;与双环PI控制相比,所提控制的过渡过程时间减少了60%,电压跌落量减少了54%;滤波电容参数变化时,所提控制的动态性能保持良好。稳态性能测试结果表明,与传统滑模控制和双环PI控制相比,所提控制的电流总谐波畸变率分别减少了70%和44%,同时滑模抖振得到了有效地抑制。测试结果证明了所提控制方法的强抗负载扰动能力和良好的滤波电容参数鲁棒性。

基于PWM软开关技术的智能充电机的设计与实现

针对由工频变压器和整流电路组成的传统充电机存在体积大、不便运输、可靠性差等缺陷,采用无工频变压器开关电源技术,按照蓄电池充电特性曲线特点,采用恒流-恒压(CC-CV)充电法,进行系统方案及主电路设计,并使用整流—Buck降压斩波模式和PWM软开关技术控制充电机电路。实验表明,与工频型充电机相比,该方法能显著延长蓄电池使用寿命。

基于三矢量的PWM整流器改进模型预测直接功率控制方法

为解决传统模型预测直接功率控制存在的开关频率不恒定、计算量大、共模电压大问题,设计了一种三矢量模型预测直接功率控制方法。该方法通过在单个控制周期内输出三个不同电压矢量,克服了传统方法因连续多个周期输出相同电压矢量造成的开关频率不恒定问题;同时,在两相静止坐标系中,通过优化空间电压矢量图划分方法,采用两个代价函数确定电网电压矢量所在扇区,将算法的遍历次数从27次降至10次,克服了传统方法计算量大的问题;此外,通过去除两个冗余零矢量PPP与NNN,将共模电压抑制在Udc/3以内。最后搭建了5kW实验样机进行实验验证,仿真与实验结果表明,该方法可以有效降低计算量,输出谐波和共模电压抑制效果优于传统方法。

一种基于离散时域模型的单相PWM整流器控制参数多目标优化设计方法

单相PWM整流器一般采用电压外环比例积分、电流内环比例谐振的双闭环控制方法,在实现交流侧高功率因数的同时稳定直流侧输出电压,因此受到国内外学者的广泛研究。然而,在内外环控制参数设计阶段,传统设计方法一般根据经验选取控制参数,参数选取范围较大,且无法量化评估控制参数的时域控制效果,导致参数优化整定困难。为此,该文提出一种基于离散时域模型的内外环控制参数多目标优化设计方法。首先,采用传统设计方法确定电压外环比例、积分控制参数以及电流内环比例、谐振控制参数的安全设计空间;然后,基于离散时域模型将安全设计空间正映射至控制参数的时域性能空间,实现电流内环控制参数对交流侧功率因数以及电压外环控制参数对直流侧电压超调量的量化评估。在此基础上,通过进一步约束性能目标得到性能优化设计空间,考虑内外环控制参数的耦合效应,对内外环性能优化设计空间进行重新组合,再将其映射至性能空间,得到内外环控制目标帕累托最优前沿下的最优设计空间,从中选取内外环控制参数的优化设计点,在典型工况下实验测得的交流侧功率因数为0.981 26,直流输出电压超调量绝对值为1.37%,证明了所提优化设计方法的正确性。

模式切换结合模糊PWM的气动容腔压力控制方法

容腔压力是管路系统的主要控制对象,用高速开关阀代替普遍使用的比例阀进行压力调控,可大幅降低系统成本。针对单腔双阀压力跟踪系统,提出了一种模式切换结合模糊PWM的气动容腔压力控制方法。该方法的目的是减小超调,降低调节时间,提高压力跟踪性能。首先由模糊控制器根据偏差给出占空比指令,然后通过引入PWM将开关量转换为连续量调节,进而通过快速切换开关阀的工作模式实现容腔内压力的精细化调节。仿真结果表明:阶跃响应的超调量小于0.6%,峰值时间0.15 s,调节时间0.16 s,同时能够很好的跟踪上0.5 Hz的谐波信号,与当前控制策略相比,超调量和调节时间均有明显的降低。

三相PWM整流器离散空间矢量无模型预测电流控制策略

针对PWM整流器模型预测控制对系数参数准确性高度依赖的问题,提出一种基于离散空间矢量的无模型预测电流控制(MFPCC)策略。该策略通过矢量合成,在每个控制周期应用两个基本矢量,提高了预测电流的准确性;通过峰谷采样,分别测量并存储上一控制周期两个基本矢量作用下的电流梯度;并建立电流梯度方程,从而根据应用矢量的电流梯度进一步更新剩余6个未应用矢量的电流梯度,结合当前时刻的电流采样值,实现未来时刻的电流预测,得到下一时刻最优的虚拟矢量。该方法不依赖于任何系统参数,且消除了传统MFPCC策略中电流梯度更新停滞现象,降低了输出电流谐波。最后,通过实验和仿真验证了所提方法的有效性和优越性。

双闭环控制的三相电压型PWM整流器的研究

针对传统的不控整流电路中网侧电流谐波很大、晶闸管相控整流电路中深控时网侧功率因数低和闭环控制时动态响应慢等问题,设计出一种引入脉冲宽度调制技术的三相电压型整流器。在完成三相电压型整流器的电压外环电流内环的双闭环控制系统设计的基础上,对其进行了仿真实验。仿真结果表明,与不控或相控整流电路相比,该三相电压型PWM整流电路中,不仅输入电流的谐波大大减小,电能可双向流动,能够实现整流和逆变状态下的单位功率因数运行,还可较好地抑制负载突变时直流侧电压的波动,从而显著提高系统的抗扰能力,真正实现绿色环保和高效节能的高度结合。

多相直线感应电机PWM谐波电流计算及分析

PWM谐波电流是引起电机高频振动的主要原因,准确且快速的PWM谐波电流计算是分析电机高频振动的关键。为此,针对直线感应电机电磁场特性,提出了多相直线感应电机PWM谐波电流解析计算方法。首先,根据直线感应电机在高频激励下的电磁场特性建立高频等效电路拓扑;其次,建立直线感应电机的二维电磁场模型,并基于能量法计算高频等效电路参数;再次,分析了PWM谐波电流与绕组电流相位、谐波电流阶次以及谐波电流频率之间的关系;最后,基于静态堵驻实验,验证了计算方法及结论的正确性。相比于有限元方法,该方法极大地减小了时间成本,适用于电机优化设计阶段,且同样适用于旋转电机。

三相电压型PWM整流器的虚拟转矩冲量平衡控制策略

模型预测控制具有结构简单、鲁棒性强和动静态性能良好等优点,因此其在三相电压型PWM整流器系统中得到了广泛应用。然而,模型预测控制的电压外环采用PI线性调节器进行调节,影响了直流侧电压的动态性能。为此提出了虚拟转矩冲量平衡控制策略,从而使直流侧电压仅经过1次调节即可实现快速收敛。为了实现此策略,首先,根据数学模型推导得到了虚拟转矩的表达式;其次,根据负载突变前、后直流侧输出电压保持不变,同时结合功率守恒原则,分析建立了负载突变时的虚拟转矩冲量平衡控制方程,求得零矢量与前进矢量的作用时间;最后,通过仿真和实验实现了三相电压型PWM整流器系统负载突变时的虚拟转矩冲量平衡控制,验证了所提算法的正确性与有效性。

高频PWM波激励下纳米晶磁环动态磁滞和损耗特性模拟

为了对高频变压器设计规划提供更为准确的参考,该文提出了一种适用于模拟高频脉冲宽度调制波形(pulse width modulation wave,PWM)激励下纳米晶磁环磁滞特性的动态磁滞模型。首先,基于静态同心磁滞回环簇构建逆Everett函数,实现了通过Preisach模型准确计算静态磁滞损耗及其对应的磁场强度;然后,基于正弦激励下与PWM波激励下的涡流损耗与其对应的涡流场回线所围面积在比值上的一致性,通过对正弦激励下的考虑趋肤效应获得的涡流场表达式进行等效折算,最终获得了PWM波激励下的涡流场表达式,拓宽了正弦激励下涡流场表达式的应用范围。模拟结果显示:所提算法能准确拟合纳米晶材料的磁滞特性且损耗误差均在10%以内。进一步讨论了高频PWM波激励下异常损耗统计参数V与占空比D、频率f的关系,总结了高频PWM波激励下异常损耗对各相关参数的变化趋势,为纳米晶材料在高频PWM波下的应用场景提供了参考。最后,通过将模拟结果与实验测量数据对比,验证了所提出的动态磁滞模型的准确性。

含负载前馈补偿的电流型PWM整流器改进无差拍控制

针对三相电流源型PWM整流器直流侧电压-直流侧电流双闭环控制策略中动态响应速度较慢、参数整定复杂的问题,该文提出一种无差拍预测电流控制与负载功率前馈补偿相结合的改进控制策略。首先,分析三相电流源型PWM整流器在两相静止坐标系中的网侧离散化数学模型,在此基础上,电流内环采用无差拍控制跟踪网侧电流,但由于电感参数与控制延时的影响,将导致网侧电流控制精度及波形质量下降。针对此问题,该文采用改进型无差拍控制策略,并利用根轨迹法对电流内环稳定性能进行分析。在环路设计中,通过在外环上加入负载功率前馈等效电流,加快了系统动态响应,解决了负载突变时直流侧电压超调问题。最后,对传统方案和改进方案进行了对比仿真测试和样机实验,验证了所提控制策略的正确性。