陀螺仪中频逆变电源滤波器参数研究及设计.pdf

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陀螺仪中频逆变电源滤波器参数研究及设计
Research and design of filter parameter of medium frequency gyroscope power inverter
林鋆各1,王俊雄,黄浩2
LIN Jun-ge, WANG Jun-xiong, HUANG Hao
(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200030;2.海军九○ニエ厂,上海200083)
摘要:500z中频逆变电源是某舰船院螺仪不可少的供电没,要求电氏、频率稳定,输出正弦波
质量高。 SHEPWM逆变器具有输出不舎低阶谐波的特点,为使逆变器能有较好的正弦输出波
形,采用了二的阶LC低通漶波器。硏究表明,漶波器参数的变化将对逆变器的输出性能产生较
大的影,不合适的滤波电容参数选取会导致逆変器电流负担加重,而不合适的漶波电感参
数选取会导致滤溲器输出电压増益的剧烈変化。同时还提出了ー种滤波器的设计与参数计算
方法,井运用 MATLAB/ Simulink对加淑波器后输出电压进行了仿真分析。忼真结果表明,该
方法可以达到逆器谐波含量的设计要求。
关键词:逆变器;特定谐波消除;LC漶波器
中分类号:TM46
文献标识码:A
文章绵号:1009-0134(2013)12(上)-0139-04
Doi:10.3969/].ISSn.1009-0134.2013.12(上).39
0引言
陀螺仪是通过敏感地球自转的水平分量来测也不相同,因此现有的LC滤波器设计方法不再适
定仪器架设点真北方位的精密仪器,已被广泛地用。本文中分析了滤波器的传递函数及对逆变器
应用于各类大、中、小型舰艇、远洋运输船、渔输出性能的影响,然后提出了一种滤波器的设计
船、海洋工程船和科考船,是惯性导航系统中不方法。仿真结果表明,本方法设计的滤波器可以
可缺少的重要组成部分。陀螺供电电源一般为中达到逆变器谐波含量的设计要求
频(本文中研究的为5002)的单相或者三相交流1逆变器的 SHEPWM技术
电源。为了提高陀螺仪的测量精度,对陀螺电源
特定谐波消除PWM( SHIEPWM)的基本原理是
电压、频率稳定度,输出正弦波质量均提出了较
根据事先计算好的开关角,各功率器件的开关时
高的要求。谐波的存在容易产生有害力矩,对负
间使逆变器输出电压达到所期望的波形。图1为逆
载和逆变器本身都会造成剧烈的不稳定影响。为
此,必须减小输出谐波,获得高质量的正弦波
变器的 SHEPWM输出电压波形,每1/4周期的开关
次数为N,输出电压可以用傅里叶级数表示为的
特定谐波消除脉宽调制( SHEPWM)技术具有
能消除特定的低次谐波,降低逆变器开关频率,
(=>[4, sin(nat)+b, cos(not)) (
减少电流脉动,输出波质量高等优点。为了获
得理想的正弦波输出,逆变器的输出侧需要接入
Uad V
滤波器。由于 SHEPWM技术的特点,简单的二
阶LC低通滤波器就能满足要求。关于逆变器及其
滤波器的分析与设计,已有较多文献进行了深入
的研究。文献[3~6]从系统功率因数、逆变器无
功容量、负载的变化等方面对其进行了分析。文
献[7~8]则从滤波器截止频率与逆变电路输出波
图1逆变器的 SHIEPWM输出电压波形
形中的最低次谐波次数的关系进行了研究。由于
输出电压波形U。(t)既是奇函数,又是奇诺
SHEPWM逆变器与普通PWM逆变器所具有的诺函数,即U。()在『0,]区间以ェ/2为轴对称,在
波频谱分布不同,其滤波参数及其对输出的影响[0,2m]区间以x为点对称。因此使其傳里叶分解
收稍日期:2013-09-10
作者简介:林鋆各(1989-),女,广西人,硕士研究生,研究方向为动力装置及自动化
第35卷第12期2013-12(上)【139
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式中的直流分量、余弦分量和偶次正弦分量系数
为零,其傅里叶分解系数可简化如下
04
1+2∑(-)ycos(na),n=1,3,5
a。=り,三
式中,为在[0,n/2]区间内N个开关角中的
第k个开关角,n为基波和各次诺波的次数。
图2带感性负载的滤波器
N个开关角度a1,a2,…,0构成N个相互
其中:
独立的方程。通过求解这N个角度,可以控制基波
电压幅值,同时选择消除N-1个特定的诸波分量
(5
乙x+Zc
通常选择消除低次谐波分量。因此逆变器的输出
Zx =Z, (cos +isin)
电压中所含有的最低次谐波频率为2N+1次。
设p=zl/zl,定义系数p为滤波电容阻抗系
2滤波参数对逆变器性能的影响
数,则有
2.1LC滤波器的传递函数分析
ix
滤波器的作用是滤除高次谐波分量,是输出
将式(6)、(7)代入式(5)得:
电压接近正痃波。因此滤波器的设计目标是:1)
Z。=Z
cos@ + j sing
8
输出电压的诸波含量小;2)滤波参数和体积小
cosφ+j(sinp-p)
3)滤波器的阻频特性好:4)对闭环系统的特性
将式(8)代入式(4)得:
影响小。
U, cos +i(sin g-p)
LC滤波器的传递函数为
p(sin g-jcos 9)
C。(s)
而1l=Wa4Z,故
,(S
1, cosq +i(sin(p
(10)
。P(sinp-jcos9
式中,Q为诺振角频率,の=I/ハCC;为阻
从式(10)可以看出,逆变器的输出电流与
负载电流之比跟负载功率因数cosΦ及滤波电容阻
尼系级’2R;。(s)为滤波器输出电压
抗系数p有关。取cos=0.8,0.9,1,作出的曲线
U(S)为滤波器输入电压;s为拉普拉斯变换算子
如图3所示。
式(2)为二阶振荡环节,其阻尼系数ξ与负
载电阻相关。空载时,如果不计滤波电感的电
Coso=1
coso=0. 9
阻,则≈0。对于高频双极性调制逆变器,可看
CoSφ=0.8
成一个时间常数很小的慣性环节。滤波器特性对
逆变器性能将产生一定影响(尤其在空载时)
这对调节系统的设计和工作是很不利的。
2.2滤波器参数对逆变器输出电流的影响
在逆变器带感性负载的情况下(如图2所
示),令逆变器输出阻抗为Z。,负载功率因数为
cosΦ,负载阻抗、滤波电感和滤波电容阻抗分别
图3J随p变化曲线
为ZN、ZL和Zc,则
由图3可以看出,当滤波电容确定后,逆变器
输出电流在阻性负载时最大;随着p的增大,{I
Z
的值接近于1;对于感性负载,p>1.0时,负载电流
大于逆变器输出电流,而对于阻性负载,负载电流
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