关键词： LLC谐振变换器   软开关运行   输出电压边界   零电压开通(ZVS)   电动汽车  

摘要： LLC谐振变换器以其优异的性能被广泛应用于电动汽车直流充电领域。针对电动汽车宽输出电压范围、高转换效率的充电需求,该文对直流充电模块后级全桥LLC谐振变换器软开关运行的输出电压边界进行了分析。零电压开通(ZVS)上边界处,变压器励磁电感参与谐振,其二次侧等效峰值电压与负载电压相等,整流二极管临界导通;ZVS下边界处,谐振电流与谐振腔的输入电压同时过零,LLC谐振变换器运行于临界感性区间。该文利用时域分析法详细分析了变换器ZVS上下边界处的工作状态,计算出变换器软开关运行所允许的输出电压范围,揭示了变换器的软开关特性与工作频率、谐振参数之间的关系,为变换器的参数设计和变频控制提供了理论指导。最后,通过仿真和实验对理论分析进行了验证。

关键词： 数字电源   模糊PID控制   通信设备  

摘要： 在通信领域中,随着科学技术地发展,各类通信设备不断对其供电电源提出越来越高的要求,逐渐传统的模拟电源已经很难满足这些要求,而相对于单一复杂的模拟电源,数字电源以其高效率、设计灵活、调试方便、可靠性高等优势得到了广大工程师们的青睐,开关电源的数字化已然成为电源设计领域的一大研究热点。基于此,本文应用DSP为处理器设计了一种应用于通信设备的数字电源。本文通过分析数字电源的工作原理,确定了数字电源的规格和总体设计方案,并根据数字电源的要求选取主电路DC-DC电路的结构为Buck电路拓扑结构,选取本数字电源的处理器为TMS320F28069型号的DSP。对电源的相关硬件电路:Buck电路、降压整流滤波电路、DSP外围电路、采样电压电路、驱动电路和保护电路以及EMI电路进行设计。运用PID算法对电源的采样电压及电流在DSP中进行运算处理,搭建数字电源测试的实验平台,使用示波器等实验设备对数字电源各指标进行测试。测试结果显示为:数字电源的输出电压精确度、带负载能力以及效率皆达到电源规格。由于常规PID算法不具备面对复杂系统发生特性变化时,所需要的PID控制自适应能力,其参数不能随着系统特性或外部条件地变化而自行调整,只能重新人为地再去手动修改参数,所以针对以上问题,本文提出了基于模糊算法优化PID参数的模糊PID控制方法,用以对电源的性能进行优化,并设计了相关完整的模糊逻辑体系用于整定PID控制的三个参数。在Simulink中构建了数字电源的主电路Buck电路拓扑模型、PID控制模型、模糊逻辑模型以及PWM波生成模型。连接各个模块并运行仿真模型,通过对常规PID控制和模糊PID控制两种控制方法下数字开关电源性能的仿真对比实验,验证了本文提出的模糊PID控制的动态响应更快、超调量更小、静态误差更小的优点,可进一步提升电源的各方面性能,尤其是电源的稳定性,能够得到比在传统PID控制下的数字电源更为精确稳定的输出电压。

关键词： 灭磁开关   永磁机构   摩擦力   有限元分析   田口法  

摘要： 发电机的励磁绕组相当于一个储能的大电感,在励磁电流因切断而发生突变时,会产生一个暂态过电压,对发电机绕组绝缘构成威胁,因此必须快速消耗这一过程的磁能。灭磁开关在灭磁系统中起着切断电流的重要作用,而操动机构是灭磁开关的关键组成部分。因此,本文在对比各种类型的操动机构后,根据灭磁开关技术参数与要求,选择以双线圈单稳态永磁操动机构作为所研究灭磁开关的操动机构,并对考虑摩擦力时的反力特性以及操动机构的优化设计展开研究。首先分析了单稳态永磁操动机构的结构特点以及工作原理,结合电磁场方程以及运动方程,给出该机构静态特性和动态特性的求解方法,从理论上对机构进行分析。其次,给出设计灭磁开关单稳态永磁操动机构的方法,并重点研究考虑传动机构摩擦力时的反力归算,提高操动机构动态特性有限元仿真计算的精度,为后续优化提供重要参数。选取合适的实验设备搭建了实验平台,测得机构分合闸线圈电流曲线和动铁心位移曲线,与考虑摩擦力的仿真结果进行了对比和验证。最后,先对原机构的材料、线径进行改进,然后以分闸时间、分闸线圈能量转换率作为优化目标,以合闸时间、合闸线圈能量转换率作为约束目标,以机构体积和合闸保持力作为约束条件,采用田口法对机构的尺寸参数进行优化设计。将各部分尺寸参数对电磁吸力的影响做出敏感性分析,选取五个参数作为优化变量,设计了四水平正交实验,最终得到满足目标要求的最优参数水平组合。优化后的机构性能得到极大改善,也满足机构小型化的发展趋势。

关键词： 无刷直流电机   三相四开关逆变器拓扑   换相转矩脉动抑制   电流模型预测控制  

摘要： 三相四开关逆变电路区别于三相六开关的地方是将一相接在了两个等值直流母线电容的中点,这种逆变器拓扑减少了开关管的个数,相当于降低了开关损耗。出于对节约成本和容错控制的考虑,研究三相四开关无刷直流电机的控制是必要的。但如果对这种拓扑的无刷直流电机采用一般双极性调制策略,当三相中的电容组成的一相(下简称为电容相)作为非导通相时,该相定子绕组会通过电容与其他两相绕组构成电流回路,在相反电动势的作用下,会使得电容相电流发生畸变,这会影响电机输出转矩的稳定。另外由于三相四开关逆变器的拓扑特点,各两相间线电压大小并不统一,这一特点会影响相电流变化速率,出现换相转矩脉动的问题。本文首先介绍了无刷直流电机的数学模型和120°电角度导通时三相相电流和相反电动势随霍尔信号变化情况,并通过数学分析了传统双极性调制方法应用于三相四开关无刷直流电机出现电流畸变的原因。为改善该电流畸变,介绍了一种通过将其余两相电流按照相应电流波形函数独立调制,间接控制电容相相电流的方法,并使用仿真软件,验证了该控制方法能解决上述电流问题。但该方法并不能解决电容相为非换相相时的换相转矩脉动问题。通过仿真观察与数学论证发现该转矩脉动是由于换相时开通相相电流上升速度与关断相相电流下降速度不同而产生的,为此提出了考虑换相转矩脉动的改进方案,并用仿真验证了该方案对换相转矩脉动具有良好的抑制效果。但无论是直接电流控制还是考虑换相转矩脉动的改进方法,二者的控制策略都是滞环PWM控制,开关频率不固定,想要获得较好的控制效果,该方法需要提高控制频率来实现,这又对控制器有很高的性能要求。为此,引入对控制频率要求较低,却又能达到良好控制效果的电流模型预测控制方法,该方法通过确定各非换相时段和换相时段的调制策略,建立相应的电流预测模型并确定了优化函数,最终通过输出最优占空比的手段达到电机稳定控制目标。并利用仿真软件搭建了相应的仿真模型,证明该方法具有能在避免电流波动和换相转矩脉动的情况下,开关管导通频率更小,电机转速有更小跟踪静差的控制效果。最后通过无刷直流电机实验平台对上述方法进行了实验,对比各控制策略下的实验波形和数据,验证了电流模型预测控制的控制效果。

关键词： 永磁无刷直流电机   三相四开关逆变器   初始位置   无位置传感器   超高频信号   磁链函数  

摘要： 三相四开关逆变器功率开关数量少、硬件成本低,并且它可以作为六开关逆变器一相功率器件故障的容错拓扑,已经得到国内外众多学者的广泛研究。传统的三相四开关逆变器驱动的无刷直流电机通过位置传感器来检测电机转子位置,不但会增加系统的成本和体积,而且会降低系统的可靠性,无法适应各种场合。 本文通过分析永磁无刷直流电机的转子凸极效应以及定子铁心饱和效应,针对三相四开关逆变器提出了一种基于超高频信号注入的永磁无刷直流电机转子初始位置检测方法。当电机静止时,通过外部耦合注入的方式向电机绕组注入超高频电压信号,并根据转子凸极效应从检测回来的超高频电压信号有效值中提取转子位置信息。本文通过分析超高频信号在三相四开关逆变器与电机中的高频通路,充分考虑了电容桥臂中两电容以及功率开关管寄生电容对位置检测的影响并提出补偿方法,实现了在电机静止状态下对电机转子位置角连续且准确的检测。最后,通过实验验证了本文理论的正确性和初始位置检测方法的可行性。 本文通过分析永磁磁链过零点与电机六个工作模式之间的关系,针对三相四开关逆变器提出了一种基于新型磁链函数的永磁无刷直流电机无位置传感器控制方法。该策略通过引入磁链函数可以准确地得到电机的换相点,进而在电机运行状态下实现电机的高精度可靠换相。提出的方法利用磁链函数的跳变沿来确定六个换相点,与其他三相四开关逆变器永磁无刷直流电机无传感器控制方法相比,避免了设置阈值带来的误差。此外,对电机采用三相电流控制方法,可以有效控制与电容桥臂中点连接相的电流,并通过计算得到端电压,消除了采样延迟以及硬件滤波带来的误差,减小了电机换相误差。最后,搭建了实验平台,通过实验验证了该策略的有效性。

关键词： 四开关Buck-Boost   四模式变频控制   占空比突变   工作模式平滑切换  

摘要： 冲压空气涡轮发电系统被广泛应用于飞机外挂吊舱式机载电子设备供电,随着飞机飞行状态的变化,冲压空气能量会发生较大变化,发电机的输出电压也因此会在较宽的范围变化,需要具有升降压调压功能的变换器对发电机输出电压进行稳压为负载提供稳定的直流电压。论文以四开关Buck-Boost变换器为研究对象,对其变频效率优化控制和工作模式平滑切换控制进行研究。 论文首先对不同工作模式以及移相模式下的电感电流有效值进行分析,证明了四模式FSBB在效率方面的优势,给出了四模式FSBB实现软开关的条件,建立了FSBB的损耗模型,以总损耗最小为原则,给出了不同工作模式、不同负载下的最优开关频率,实现了变换器在全负载范围内的效率优化。 论文推导了FSBB在四种工作模式下的小信号模型,设计了四模式控制下的电压电流双闭环控制系统参数。对FSBB在多模式控制下存在的占空比突变问题展开了详细的分析,针对变换器在工作模式切换时存在的输出电压波动问题,本文引入输入电压前馈控制,实现了不同工作模式之间的平滑切换。在不同工作模式下,论文对交错并联四模式FSBB在不同工作模式下电感电流不均流的原因进行了分析,针对不均流问题设计了均流控制器并通过仿真进行验证。 研制了一台额定功率5k W的交错并联FSBB原理样机。实验结果表明,采用变频控制策略使样机在轻载时工作在软开关模式,重载工作在硬开关模式,实现了全负载范围内的效率优化,其最高效率为98.4%。采用输入电压前馈控制实现了工作模式的快速平滑切换,输出电压波动控制在6%以内,所设计均流控制器具有较好的稳态和动态均流效果。

关键词： 直流微电网   柔性互联开关   功率互联   协调控制   稳定性分析  

摘要： 随着直流微电网中分布式光伏、电动汽车、电池储能等新型源/荷占比逐年提升,可再生能源自身的随机性及间歇性将会导致其消纳不充分、能源利用率不高。而相邻直流微电网之间通过互联方式能够实现更大范围的资源整合,其中,柔性互联开关作为直流微电网间的互联关键装备,能够实现直流微电网间功率互联与灵活转供,从而提高可再生能源的充分消纳与高效利用。通过分析目前低压直流微电网运行特性与柔性互联开关可靠性问题,本文提出了一种基于双降压/升压结构的柔性互联开关拓扑结构,其具备无桥臂直通、电压利用率高、功率等级易拓展等优点。首先,对柔性互联开关的类型和相应控制策略进行简要概述;其次,分析了互联低压直流微电网的组网形态和运行模式,并对互联低压直流微电网系统进行协调优化控制;最后,通过建立互联低压直流微电网内关键装备的小信号等效电路模型,推导其端口阻抗模型,分析了互联低压直流微电网母线电压稳定性。具体研究内容如下:针对基于双降压/升压变换器的柔性直流互联开关,分析了其工作原理和载波层叠调制策略;在此基础上,对变换器所用耦合电感进行等效计算,分析耦合电感在各工作模式下的充放电情况,并推导柔性互联开关两端电压增益表达式;接着,通过搭建一套150V/1k W实验样机,验证所提双降压/升压柔性互联开关拓扑的有效性与正确性。分析互联低压直流微电网的组网形态和运行模式,围绕柔性互联开关的互联、单端电压支撑、故障闭锁3种工作模式,提出基于柔性互联开关的多模式协调控制策略,使其根据功率调度指令,实现互联微电网间的多模式最优运行。最后,通过仿真平台验证所提协调控制策略能够实现互联微电网间功率的动态分配。围绕柔性互联开关的升压、降压、过渡模式建立了相应的小信号模型和其端口阻抗模型,结合电压源型变换器(Voltage source converter,VSC)直流端口阻抗模型,分析了互联低压直流微电网母线电压稳定性,最后通过仿真验证所建立阻抗模型与稳定性分析的准确性。

关键词： 柔性多状态开关   直流侧电压波动   三相不平衡   谐振积分器   RBF神经网络  

摘要： 随着各类分布式电源如风能、太阳能等大量接入,配电网功率流动越来越复杂,电能质量问题越来越严重,其中电网三相不平衡情况尤为突出。柔性多状态开关作为一类新型的电力电子设备,拥有着灵活的潮流调控能力,为解决上述问题提供了新的契机。为此,本文以三端口柔性多状态开关为模型研究其直流侧电压控制策略,具体的研究内容包括: 首先分析了三相平衡时柔性多状态开关的稳定工作原理,分别建立了其在三相静止abc坐标系和同步旋转dq坐标系下的数学模型,接着推导了三相不平衡时三端口瞬时功率关系和直流侧电压关系,得出了功率波动会导致直流侧电压波动的结论。研究了三种正负序分量的分离方法,为后续负序不平衡电流的补偿策略提供理论基础。 以dq坐标系下的数学模型为基础,研究了三相平衡时的双闭环控制策略,其中外环包括UdcQ控制和PQ控制,采用“稳态逆模型”能有效解决模型中非线性耦合问题,内环引入电流反馈解耦和电压前馈补偿能有效消除电流耦合影响和电压扰动影响,具体分析了内外环控制中PI控制器的参数设计方法。三相不平衡时,针对常见单序双闭环控制无法对负序电流单独控制这一问题,设计了正负双序双闭环解耦控制策略,能够实现对负序电流的实时追踪并分别控制。 将正向dq坐标系和反向dq坐标系中的变量转化为同一坐标系中,针对电网电压不平衡下柔性多状态开关直流侧电压波动的影响因素,提出了一种新的负序外环控制策略,该方法中引入谐振积分器实现负序电流的完全矢量控制,能够提高负序电流的补偿精度,达到对系统中负序电流的补偿,进而抑制直流侧电压波动。同时,在正序外环中引入了功率前馈环节能有效抑制直流侧电压暂态波动带来的影响;在Q环节中引入谐振滤波器能有效消除无功功率波动对外环的影响。针对传统PI控制器参数固定,对动态系统适应性差的缺陷,引入RBF神经网络并利用其智能辨识性能设计了RBF-PI自适应控制器,对d轴正负外环PI控制进行改进,该方法能够在线辨识获取梯度信息,基于该梯度信息对PI控制器的参数在线自适应调整,提升了控制系统的响应速度,减小了系统中干扰引起的超调量。 最后在MATLAB/Simulink中搭建三端口柔性多状态开关仿真模型,针对多种不平衡工况进行仿真验证,实验结果表明了所提方案能有效抑制直流侧电压波动。

关键词： 新能源可再生系统   开关电容   耦合电感   高电压增益   DC-DC变换器   SCCL   闭环控制  

摘要： 进入“双碳”发展车道以及新科技时代以来,因为资源短缺以及环保问题,清洁能源开发技术得到了深入的研究探讨。在现代化的世界中,电能主演了重要的角色,它不仅仅伴随在寻常生活中,同样推动着各行各业的进步与发展。随着低碳清洁技术的不断进步,针对新能源可再生发电系统的探讨深入了各国学者研究话题中。其中,针对新型高转换比升压直流转换器的研究讨论在众多研究话题中占据了较大的比重。作为光伏发电系统中的必要环节,升压变换器的研究一直在不断深入和创新。随着用电需求的变化,传统升压变换器架构已不能完美地满足相关高升压环境要求,甚至会带来些许问题和缺陷。为了解决传统升压变换器在光伏发电系统中的低升压问题,本文以各项升压技术之间的相互融合为主旨。在归纳总结升压变换器拓扑结构构造技术的条件下,融合各项技术优点,设计了一种依托Fibonacci开关电容单元的耦合电感高电压比DC-DC升压变换电路,(Switched-Capacitor and Coupled-inductor DC-DC Converter--SCCL)。所提出结构可以在理想的占空比及匝数比条件下提供较高的电压增益。这也使变换器的电压增益不仅仅受限于占空比一个调节因子,使得电压增益能够灵活调节,防止电路运行于极限驱动占空比工况下,危及其安全。此外,电路结构中嵌入了箝位回路,其能够将耦合绕组中漏感的输出能量并加以吸收利用,减小功率开关的应力等级大小,减少器件损耗。最后,通过公平合理的性能对比,研究分析该拓扑在升压增益大小、整体运行效率以及部分单元应力等级大小方面具有的优势之处。文章依据所提出的拓扑结构进行了其他扩展及衍生,构造出其他系列的耦合电感高升压DC-DC变换器。论文选择其中一种变换器作为主要研究对象,进行了电路拓扑的性能机理总体谈论,研究分析变换器CCM状态下的各阶段运行机理,推导出拓扑的升压转换比及各元件的应力分布情况。进一步在考虑寄生电阻的基础上分析了寄生参数增益、各器件的损耗以及其整体工作效率。为拓扑后续实验参数及实物样机构造提供设计参考。然后,借助切换线性系统理论进行了变换器的能控性分析,作为变换器闭环控制的前提条件,并为变换器拓扑结构的可行性分析以及相关参数设计优化提供理论依据。进一步的借助Bode图分析方法对变换器进行了小信号模型分析研究,推导输出与占空比的传函关系式。以此为基础进行参数校正,完成闭环控制系统设计,通过仿真测试验证变换器闭环控制的动态性能效果。最后,结合稳态性能结果,对SCCL的实验参数进行设计及器件选型。并以此构造200 W功率等级的试验样机以及其他辅助单元模块,进行SCCL静态运行、动态稳定控制验证测试。验证了所提出SCCL架构构造的正确性及可行性,并通过动态实验测试结果检验了SCCL能够稳定输出的动态控制效果。也进一步验证了所提出升压SCCL拓扑具有的性能优势之处。也通过相应的实验结果进一步验证了前文关于SCCL的升压比大小、应力等级、电路工作转换效率稳态计算分析结果与动态闭环系统建模以及所设计闭环控制器理论分析内容的正确性。

关键词： 高增益变换器   耦合电感   软开关   小信号建模  

摘要： 随着传统能源的日益枯竭以及其使用过程中对生态环境的污染,以光伏、燃料电池为代表的清洁能源得到了快速的发展,但是光伏、燃料电池输出电压等级较低,因此需要高增益直流变换器来提升其电压等级才能供给并网逆变器直流母线使用。这些高增益直流变换器通常工作在硬开关状态,开关损耗大,而且随着开关频率的增加开关损耗也增加,大大降低了变换器的效率,而解决此问题的途径之一就是让变换器工作在软开关状态。因此,研究具有高电压增益、软开关性能的直流变换器具有重要的意义。 首先,介绍了本文的选题背景及研究意义,概述了高增益直流变换器的研究现状及存在的主要问题,进而,提出了一种耦合电感倍压型高增益软开关Boost变换器,该变换器通过引入耦合电感倍压单元提高了电压增益,降低了二极管的电压应力,利用耦合电感的漏感与开关管结电容谐振实现了所有开关管的零电压软开关,漏感引起的电压尖峰得到了有效吸收,开关管电压应力小。详细分析了该变换器的工作原理、电路特性、软开关实现条件以及电路扩展方案,并将该变换器与同类型变换器进行性能对比。 接着,分析了交错并联耦合电感倍压单元构建思路,进而提出了一种耦合电感倍压型高增益软开关交错并联变换器。所提变换器保留了交错并联变换器低输入电流纹波的特点,同时,耦合电感倍压单元的引入使其在使用相同或者更少器件数量下比其它同类型变换器具有更高的电压增益和更小的电压应力,该变换器所有开关管均可实现零电压软开关,且耦合电感自身漏感能量得到了有效利用,开关管电压应力小。详细分析了该变换器的工作原理、电路特性、软开关实现条件以及电路扩展方案,并将该变换器与同类型变换器进行性能对比。 然后,建立了所提变换器的小信号模型,借助MATLAB软件绘制出系统开环传递函数bode图以分析系统的稳定性,在此基础上利用K-factor法设计了变换器的补偿网络,并利用仿真软件验证了所建立的变换器模型和补偿网络设计的正确性。 最后,在Saber仿真环境下对所提两种软开关直流变换器及其扩展电路进行了仿真验证,并研制了一台160W的耦合电感倍压型高增益软开关Boost变换器实验样机和一台200W的耦合电感倍压型高增益软开关交错并联变换器实验样机,分别对两台实验样机的电压增益、开关器件电压应力、软开关情况以及动态响应特性等进行了测试,并记录了相应的实验数据,仿真和实验结果验证了所提变换器的可行性。