脈沖發(fā)電機整流型電源系統(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。本文結合華中科技大學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)定度的關鍵技術和方法展開了深入研究。其內容涉及

2、脈沖發(fā)電機整流型電源系統(tǒng)暫態(tài)平均數(shù)學模型的建模與分析、脈沖發(fā)電機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)電機整流型電源系統(tǒng)暫態(tài)平均數(shù)學模型的建模方面，建立了凸極同步脈沖發(fā)電機驅動6脈波整流器、串聯(lián)12脈波整流器以及雙組不同負載串聯(lián)12脈波整流器主電路的暫態(tài)平均數(shù)學解析模型，可準確地表述發(fā)電機內部阻尼繞組參數(shù)、整流器觸發(fā)角變化以及直流負載大范圍變化等因素對發(fā)電

3、機—整流器電源暫態(tài)低頻特性的影響。根據(jù)整流器開關元件換相和非換相過程中同步脈沖發(fā)電機內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周期內發(fā)電機—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)學模型的精度以及解決與瞬時數(shù)學模型之間的連續(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，提出了基于開關函數(shù)的諧波分量平衡法和基于開關函數(shù)的基波調制法兩種方法；對發(fā)電機—整流器電源系統(tǒng)的暫態(tài)直流輸出電壓特性進行了分析，并提出了等效直流電機模型；通過與脈沖同步發(fā)電機—整流器的瞬時開關模型仿真結果進行對比，論證了建立的發(fā)電機—整流器暫態(tài)平均數(shù)學模型的準確性。
　　在脈沖發(fā)電機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成的角度出發(fā)，分別對傳統(tǒng)過零檢測法和同步坐標變換鎖相環(huán)的控制結構進行了改進，以適

5、用于交流電壓變頻、變相位及畸變較嚴重的情況。分析了脈沖發(fā)電機整流型電源暫態(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行了類型選擇與參數(shù)設計；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；在三相同步坐標變換鎖相環(huán)（SRF-PLL）中采用了移動平均

6、濾波器控制結構以有效衰減交流同步電壓中的開關次諧波分量；根據(jù)脈沖發(fā)電機—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)進行了優(yōu)化設計，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。在對單線圈磁體負載電路特性分析的基礎之上提出了電壓內環(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構；利用狀態(tài)空間法對雙線圈耦合長脈沖磁體的負載特性進行了分析，在此基礎上提出對一套整流器進行開環(huán)控制而對另外一套整流器進行閉環(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；進一步根據(jù)雙線圈長脈沖磁體的耦合特性提出了在內線圈閉環(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；仿真結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，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構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)對相應梯度控制系數(shù)的選取進行了分析；給出了耦合雙線圈長脈沖磁體結構下電阻的在線計算模型，在相應梯度控制系數(shù)的選取上