脈沖發(fā)電機(jī)整流型電源系統(tǒng)暫態(tài)建模及控制策略研究.pdf

1、平頂脈沖強磁場兼具穩(wěn)態(tài)強磁場和脈沖強磁場的優(yōu)點，能夠滿足一些科學(xué)實驗對磁場強度和穩(wěn)定度的雙重要求。盡管目前已有強磁場實驗室利用脈沖發(fā)電機(jī)整流型電源系統(tǒng)成功實現(xiàn)了高場強的平頂脈沖磁場，但磁場穩(wěn)定度尚不能滿足一些高分辨率科學(xué)實驗的要求，提高平頂脈沖磁場穩(wěn)定度具有著重要的理論意義和實用價值。本文結(jié)合華中科技大學(xué)國家脈沖強磁場實驗室現(xiàn)有實驗條件，對提高脈沖發(fā)電機(jī)整流型電源系統(tǒng)供電產(chǎn)生的平頂脈沖磁場穩(wěn)定度的關(guān)鍵技術(shù)和方法展開了深入研究。其內(nèi)容涉及

2、脈沖發(fā)電機(jī)整流型電源系統(tǒng)暫態(tài)平均數(shù)學(xué)模型的建模與分析、脈沖發(fā)電機(jī)整流型電源交流同步電壓鎖相方法、高穩(wěn)定度平頂脈沖強磁場控制技術(shù)以及非線性變化磁體電阻在線計算方法等。
　　在脈沖發(fā)電機(jī)整流型電源系統(tǒng)暫態(tài)平均數(shù)學(xué)模型的建模方面，建立了凸極同步脈沖發(fā)電機(jī)驅(qū)動6脈波整流器、串聯(lián)12脈波整流器以及雙組不同負(fù)載串聯(lián)12脈波整流器主電路的暫態(tài)平均數(shù)學(xué)解析模型，可準(zhǔn)確地表述發(fā)電機(jī)內(nèi)部阻尼繞組參數(shù)、整流器觸發(fā)角變化以及直流負(fù)載大范圍變化等因素對發(fā)電

3、機(jī)—整流器電源暫態(tài)低頻特性的影響。根據(jù)整流器開關(guān)元件換相和非換相過程中同步脈沖發(fā)電機(jī)內(nèi)部電樞繞組電流空間矢量的變化規(guī)律，提出了采用一個開關(guān)周期內(nèi)發(fā)電機(jī)—整流器的動態(tài)低頻特性來表征系統(tǒng)全暫態(tài)過程低頻特性的分析方法；為保證平均數(shù)學(xué)模型的精度以及解決與瞬時數(shù)學(xué)模型之間的連續(xù)性問題，提出了將交直軸電樞電流在開關(guān)邊界時刻瞬時值分為高頻和低頻分量，并將高頻分量幅值全部計入電流瞬時值和平均值間差值中的方法；針對暫態(tài)過程中發(fā)電機(jī)交直軸電樞電流暫態(tài)平均幅

4、值的計算，提出了基于開關(guān)函數(shù)的諧波分量平衡法和基于開關(guān)函數(shù)的基波調(diào)制法兩種方法；對發(fā)電機(jī)—整流器電源系統(tǒng)的暫態(tài)直流輸出電壓特性進(jìn)行了分析，并提出了等效直流電機(jī)模型；通過與脈沖同步發(fā)電機(jī)—整流器的瞬時開關(guān)模型仿真結(jié)果進(jìn)行對比，論證了建立的發(fā)電機(jī)—整流器暫態(tài)平均數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。
　　在脈沖發(fā)電機(jī)整流型電源交流電壓鎖相方法研究方面，從同步電壓相位信息具體構(gòu)成的角度出發(fā)，分別對傳統(tǒng)過零檢測法和同步坐標(biāo)變換鎖相環(huán)的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，以適

5、用于交流電壓變頻、變相位及畸變較嚴(yán)重的情況。分析了脈沖發(fā)電機(jī)整流型電源暫態(tài)運行狀態(tài)下交流同步電壓頻率、相位的變化以及諧波特性；根據(jù)濾波器的諧波衰減效果和變頻輸入作用下的相—頻延遲特性對過零檢測法中采用的濾波器進(jìn)行了類型選擇與參數(shù)設(shè)計；為提高傳統(tǒng)過零檢測法的相位跟蹤速度和抗相位突變干擾能力，提出將相鄰周期內(nèi)檢測的零點相位誤差直接或部分補償至鎖相環(huán)的相位輸出并減小周期遺忘因子的方法；在三相同步坐標(biāo)變換鎖相環(huán)（SRF-PLL）中采用了移動平均

6、濾波器控制結(jié)構(gòu)以有效衰減交流同步電壓中的開關(guān)次諧波分量；根據(jù)脈沖發(fā)電機(jī)—整流器的交流同步電壓頻率和幅值具體變化情況對SRF-PLL的控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并利用勞斯-霍爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)確定了鎖相環(huán)穩(wěn)定運行的條件。
　　在高穩(wěn)定度平頂脈沖強磁場控制技術(shù)研究方面，提出了雙閉環(huán)帶前饋的控制方式以解決傳統(tǒng)單閉環(huán)反饋控制容易出現(xiàn)的平頂磁場低頻振蕩、控制精度低、魯棒性差等問題。在對單線圈磁體負(fù)載電路特性分析的基礎(chǔ)之上提出了電壓內(nèi)環(huán)、磁場（電

7、流）外環(huán)加前饋環(huán)節(jié)的單線圈磁體平頂脈沖磁場控制結(jié)構(gòu)；利用狀態(tài)空間法對雙線圈耦合長脈沖磁體的負(fù)載特性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出對一套整流器進(jìn)行開環(huán)控制而對另外一套整流器進(jìn)行閉環(huán)控制的穩(wěn)定運行模式以實現(xiàn)雙線圈整流器控制的解耦,避免采用雙線圈恒流控制時由于兩線圈電流時間常數(shù)不同帶來控制耦合的問題；進(jìn)一步根據(jù)雙線圈長脈沖磁體的耦合特性提出了在內(nèi)線圈閉環(huán)運行整流器中采用雙閉環(huán)帶前饋的平頂長脈沖強磁場控制技術(shù)；仿真結(jié)果驗證了提出的單線圈、耦合雙線圈

8、平頂脈沖強磁場控制方法能夠有效提高平頂磁場穩(wěn)定度。
　　在非線性磁體電阻在線計算方法研究方面，針對高穩(wěn)定度平頂脈沖磁場控制技術(shù)對磁體電阻參數(shù)辨識的需求，提出了基于梯度下降法的磁體變化電阻在線計算技術(shù)，以解決直接計算法抗干擾能力差、計算精度低等缺點。給出了單線圈磁體結(jié)構(gòu)下磁體電阻在線計算模型，并根據(jù)長脈沖磁體電流時間常數(shù)對相應(yīng)梯度控制系數(shù)的選取進(jìn)行了分析；給出了耦合雙線圈長脈沖磁體結(jié)構(gòu)下電阻的在線計算模型，在相應(yīng)梯度控制系數(shù)的選取上