HT-7U等离子体垂直位移快速控制电源方案报告

HT-7U等离子体垂直位移快速控制电源方案报告导师：刘正之姓名：程荣仓报告内容•1、相似装置的简单回顾•2、本课题方案的选择•3、方案建模、参数设计•4、仿真结果•5、模拟试验计划•6、与本课题有关的前沿技术的研究•7、下一步工作安排电源的技术要求•电压响应时间1mS，峰值电压50V，最大电流20000A，能实现四个象限的运行。根据物理学提出的技术要求，在电力电子学这一领域内，快控电源装置属于高功率的电力电子学范畴。•物理计算采用的负载直流线圈的参数如下：•电感L=25.7uH•在摄式二十度时：电阻R=220uΩ•得出时间常数：τ=116mS•外加电压如果为50伏，电感电流从0到20000安培，则需要13.08mS•Lline=23.5uH,Rline=1.04mΩ•Lload=25.7uH,Rload=266.6uΩ•因此：Ladd=49.2uH，Radd=1.306mΩ•时间常数：37.67mS•如果电流要在13.08mS爬上20000A，则算得输入得最低电压为：U＝89V多电平组合模式的主电路拓扑方案•outputS1S2S5S6•+2E1010•E1011•00011•01100•-E1101•-2E0101多电平电路及输出波形•左上图是现代工业界广泛接受的多电平主电路拓扑，采用二极管对中点进行箝位。从组合模式中发展出来的。•左下图是正弦波电压和电流的波形图本课题电源开关器件的选择•GTOIGCTIGBT•驱动驱动功率较大驱动功率小驱动功率小•通态压降通态压降低通态压降低通态压降较低•di/dt有限大大•工作压降高高较高•工作频率625HZ2KHZ20～30KHZ•吸收电路加不适中•开关损耗大小小•工作损耗小小适中•模块化不可可•功率密度高高较高IGBT的一些主要特性•左上图反映温度对IGBT通态压降的影响，具有正温度系数特性，易于并联，尤其重载时•左下图反映共散热器更易于并联IGBT的均流电压型逆变器并联的两种结构•左上图采用非共用直流电压模式，驱动方式是异步的•左下图采用共直流电压模式，驱动方式是同步的本课题主电路原理图•左上图为两模块并联的主电路拓扑，L为均流电感•左下图为减少所并联的模块数，采用器件并联与模块并联共用的方式相间电路结构图并联时的典型开关模式与器件通态压降的变化•左上图为四种典型的开关模式带来输出的不同•器件通态压降不同，对输出的影响逆变桥并联时的输出特性•左图采用双极性调制时的四种瞬态环流模式。模式1是与调制波频率有关；模式2是与载波频率有关；模式3是与模式1与模式2之和；模式4是一直流脉冲信号•部局和结构都要对称计算抑制环流电感的公式•式中N为调制比；输入电压为Ed，•并联逆变电源间管子开通和关断的延迟时间为Δton与Δtoff•开关管的吸收电容C；开关管关断时的平均电流IT•开关管关断时的电流差异取ΔIT；开关管的通态压降差异ΔV•给定信号的频率f；模块间的环流ΔI•实际算得限制环流的电感，也是实现逆变电源间均流的电感L=12.0uH。这个值相对于负载电感来说是一个不小的数值。•由于采用同步驱动实现均流，所以此方案对于主回路的结构、控制回路以及驱动电路要求较好的对称fNVIIIECttELNIITTTdSoffondm22243)(2三态DPM(DiscretePulseModulator)控制模式S1S2S3S4ΔIδ1001δ-ΔIδ0101ΔI-δ0110三态DPM电压开环控制仿真波形•左上图为一个脉冲波与正弦波叠加后得到的一个电压给定•左下图为负载的脉冲电压波形和输出电流波形三态DPM电流闭环滞环控制•左上图为电流给定信号和反馈信号，给定信号为正弦波与三角波的叠加•其余三图为输出电流波形两种三态的PWM(Pulse-WidthModulator)调制模式•左上图为受调制波控制的三态PWM调制模式；特点为：降低开关次数•左下图为受载波控制的三态PWM调制模式；特点为利用载波移相180o，可以起到倍频的功能，降低电流脉动PWM电流闭环仿真波形•左上图为正弦波与三角波合成的电流给定信号•三台输出电流波形调制模式跟踪信号的比较•左上图为三角波比较的跟踪•左下图为滞环比较的跟踪•右图为DPM信号的跟踪负载输出电流波形•左图为一个阶跃电流输出波形•三个模块之和的输出电流波形•都采用三态DPM的调制模式电流双向整流部分•左上图为PWM整流主电路拓扑•左下图为晶闸管整流主电路拓扑模拟试验任务和参数如下•试验参数：•为了考虑可靠性，采用输入电压100V做试验：•R=0.5866•L=22.1mH•时间常数：37.67mS，•那么要13.08mS可以爬上：•Imax=50A•完成电压开环试验•完成电流闭环试验•试验采用三台模块并联结构方案总结•从严格的电力电子学来说，快控电源实际上是一个放大器，因此给定信号的复杂性，让工程和设计带来了麻烦。•工程采用电压放大器模式比电流放大器模式好，因为电压开环控制，避免了对检测电流的实时反馈控制，尤其对本课题的负载更是如此。•采用DPM(DiscretePulseModulator)比PWM(Pulse-WidthModulator)调制模式好。•三态调制模式比两态调制模式好。•由于本课题工作波形的无规律性，长时间工作电流可能远远低于峰值电流，电流越往上出现的几率越小，真真达到峰值电流的几率将更小。因此采用电压开环这种模式，完全可以满足工作波形无规律的要求。PWM整流并联的主电路拓扑结构•左上图采用共输入电压的模式，即输入电压不需要隔离，这就必然存在并联模块之间的环流，且对三相电路而言，环流以零序电流的方式存在•左下图采用输入电压隔离模式，即切断了零序通道共输入电压两模块并联时的平均模型•左上图可以清楚地看出零序电压引起的零序电流通道•左下图反映了零序分量引起的动态环流模型图DC/DC并联思想在PWM并联中的应用1•左上图为外特性下垂法的应用•主从控制模式法的应用DC/DC并联思想在PWM并联中的应用2•左上图为自主均流法的应用•左中图为实现电流双向的自主均流法的应用•左下图为平均电流均流法三相PWM整流器仿真波形•模块并联采用主从控制模式进行仿真，单个模块采用电流预测的控制模式•左上图为两个模块输入电流的比较•左下图为输出电压波形单相PWM整流器仿真波形软开关技术•左上图为谐振直流环节的逆变器软开关技术•左下图为谐振换向极软开关技术软开关的仿真波形近期工作时间安排•～2003、2，完成台面试验。•2003、3～2003、5完成工程设计