关键词： 直流隔离开关   通流能力   电触头   接触电阻  

摘要： 大电流直流隔离开关是ITER变流器电源系统中的关键电气设备,同时也在电解铝等电解行业中发挥着不可替代的作用。大电流直流隔离开关的性能关键在于其通流能力,而开关接触部位的温升会极大限制开关的通流大小。现有的直流隔离开关往往通过增大开关通流截面积的方式减小开关的温升,这会导致开关体积过大,造成开关安装维修成本增加以及导体材料的浪费。隔离开关的温升过大根本在于接触电阻过大,以及多触头并联结构的均流效果不好。本文将从制约开关通流能力的关键问题出发,设计提出新型的隔离开关触头,并在新型触头的基础上提出高载流能力的新型直流隔离开关。本文首先针对现有的大电流直流隔离开关存在的单触头通流能力不强、多触头并联结构均流性能不佳等不足,提出了新型的圆型和环型触头结构。对新型触头接触形式进行了改进设计,并且配备了基于弹簧的自适应结构,理论上能够保证隔离开关的均流性能。其次,本文设计了新型触头接触特性测试系统,并加工触头样品测试了触头接触电阻大小,通过与刀片式触头的对比验证了新型触头具有更小的接触电阻。本文测试研究了新型触头接触电阻特性,通过测试结果掌握了触头的性能特点,对触头的优化设计和实际应用有重要参考意义。论文对多触头并联结构的均流性能进行了测试,测试结果表明新型触头结构的均流性能良好。最后,本文结合ITER变流器电源系统中的直流隔离开关设计输入,初步设计提出了基于新型触头结构的直流隔离开关。通过稳态热仿真分析验证了开关温升在标准限值范围内,开关动稳定性仿真分析验证了开关能够承受短路瞬态的电动力,开关结构仿真和绝缘校核仿真分析验证了开关的结构满足结构和绝缘水平设计需求。

关键词： 高压电源   级联拓扑   推挽软开关   低纹波  

摘要： 高压直流开关电源具有效率高、体积小、响应快、安全可靠等优点,因此被广泛应用于医学X光机、空间行波管和电子加速器等工程技术以及实验研究中。论文中对比分析了国内外目前在高压直流开关电源的研究现状,在已有的高压直流开关电源设计方案上,提出一款高变比,低纹波的高压直流开关电源。本文主功率电路采用级联式拓扑实现功率的传输,利用Buck级联推挽及倍压整流电路的方式进行升压。通过级联拓扑解决单级拓扑在占空比变化时对变压器产生噪声干扰的问题。论文对整个主功率拓扑的工作过程进行了细致的分析,建立了小信号模型,为控制回路的稳定性分析提供理论依据。论文分析了影响推挽变换器开关管尖峰电压的因素,指出了尖峰电压过高是由于变压器的寄生参数过大的原因。并以此为基础,提出了利用谐振电容将变压器漏感能量泄放的方案,实现推挽开关管ZVS、ZCS软开关,从而达到降低尖峰电压的目的。搭建了相应的仿真以及实验平台,验证了软开关电路的可行性。针对半波倍压整流电路输出电压纹波较大问题,分析了低压情况下利用线性稳压源降低输出纹波的工作原理,指出了其存在的纹波抑制作用不明显问题。进而给出了高压情况下利用线性稳压源来抑制输出纹波的方案,通过悬浮在高压端的线性稳压源降低输出纹波,维持输出电压的稳定。设计了高压纹波测量电路,实验结果验证了该方案的稳压和输出纹波抑制效果。本文针对所设计的高压直流开关电源稳定性进行了理论分析和推导,设计控制回路的补偿网络,提高系统的稳定性。在上述理论基础上,研制了实验样机,实验结果验证了电路的正确性。

关键词： 风力发电   非并网风电   开关磁阻发电机   直流负载   有限元分析   最大风能跟踪  

摘要： 风力发电是一种灵活机动、安全可靠的发电方式,但风能的波动、随机性,使得风电并网的应用受阻,导致弃风限电现象严重。为避免这类现象继续恶化,国内专家提出了非并网风电应用,即将风能直接应用于高耗能直流负载,不仅可平抑风电对电网的冲击,也能提升风电资源的利用率,使风电成本降低。开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator,简称SRG)作为一种新型特种发电机,具有成本低、构造简单、适应恶劣环境等特点,在风力发电领域极具潜力,相应的研究也越来越多。若将SRG用于为高耗能直流负载供电,无需逆变单元,可简化风电设备,推动风电产业快速发展,带来很大的经济效益。本文首先介绍了开关磁阻发电机的发展现状,分析了三种高耗能直流负载特性,提出将开关磁阻风力发电机用于为此类负载供电,其次针对此类负载特性确定发电机的额定参数并对电机本体进行了初步设计,以提高SRG发电效率为目的,通过MathCAD计算软件和Ansoft Maxwell 16.0有限元仿真,对电机尺寸参数进行了计算和优化,以及开关磁阻发电机内部电磁场的有限元分析。最后基于Matlab软件建立了风力机模型,研究风力机的功率特性;针对开关磁阻风力发电机及其系统建模,研究最大风能跟踪的几种常规控制方法,建立基于直流负载的开关磁阻风力发电系统的仿真模型,结果表明开关磁阻风力发电机满足此类负载的供电要求以及该发电系统的可行性。

关键词： 非隔离   DC/DC   高增益   有源开关电感   拓扑  

摘要： 在当前能源危机日益加剧和环境污染愈演愈烈的双重压力下,由太阳能、风能等清洁能源替代传统化石能源的开发和电能替代化石能源的直接消费是解决当前问题的根本途径。在实际应用中由于光伏电池、燃料电池等单体发电单元的输出电压相对较低且具有一定随机波动性,系统中需要一种高增益、高效率的直流升压变换器来实现直流电压等级的提升以满足后级逆变器输入侧的需求。除此之外,包括电动汽车的动力系统、不间断电源和阴极射线管显示器系统等诸多工业应用场合均对高增益,高效率的直流升压变换器有着广泛需求。而传统Boost升压变换器由于自身拓扑结构限制在输入输出相差六倍及以上的场合中已难以胜任,基于此,本文针对有源开关电感网络的高增益直流升压变换器展开研究。首先,论文对国内外非隔离型直流升压变换器的研究现状进行了详细综述,分析总结得出具备电压增益高、开关器件电压应力小、能量转换效率高和拓扑延展性好等特点的直流升压变换器将成为今后该类变换器研究方向的结论。然后,论文对有源开关电感网络的构建方法与升压思路进行了阐述,将有源开关电感网络与传统Boost变换器相结合得到研究学者已提出的一种基本有源开关电感升压变换器拓扑,分析了其在电感电流连续导电模式下的工作原理,并将其与传统Boost变换器在电路特性方面进行了分析对比和仿真验证。理论分析和电路仿真结果表明基本有源开关电感升压变换器的电压增益较传统Boost变换器相比虽有小幅提升,但其输出二极管的电压应力增大,系统损耗随着增加。其次,针对基本有源开关电感直流变换器升压能力依然有限且输出二极管电压应力过大等不足,本文提出一种有源开关电感和开关电容的高增益升压变换器,该拓扑利用有源开关电感和开关电容单元的双重升压,能够有效提升变换器的电压增益并且减小开关器件的电压应力。详细分析了连续导电模式和断续导电模式下所提变换器的工作原理和电路特性,并对理论分析结果进行了仿真验证,结果表明该变换器能够正常工作且具备上述优点。基于该拓扑的结构拓展,本文又分别提出了多个开关电容单元串联和并联的多级升压变换器拓扑,从而进一步提升了电压增益,拓展了变换器的应用范围。最后,针对第三章所提出的有源开关电感和开关电容升压变换器在拓扑多级拓展时存在元器件数量过多的缺点,本文在保留其原有优势的基础上提出一种有源开关电感和DCM(Diode-capacitor multipliers)单元组的高增益升压变换器拓扑,分析了其具体的工作原理和电路特性,并与研究学者已提出的同类高增益升压变换器在多项性能方面进行了对比,结果表明所提拓扑具有一定优势。同样推演出多个DCM单元串联的多级升压变换器拓扑结构,并对所提变换器采用状态空间平均法进行了数学建模和单电压闭环控制器的设计,搭建了实验原理样机对所提拓扑的工作原理和电路特性理论分析进行了验证,实验结果证明了理论分析的正确性。

关键词： 升压变换器   软开关   PFC   磁能恢复开关  

摘要： 随着电力电子技术的发展,电力电子装置如开关电源,不间断电源等在生活中随处可见,由此而产生的电网谐波问题受到广泛的关注,功率因数校正技术(Power Factor Correction,PFC)因其能减少开关电源等电力电子装置对电网的谐波污染,和提高输入侧的功率因数而成为研究热点之一。本文主要研究的是基于磁能回复开关(Magnetic Energy Recovery Switch,MERS)软开关直流变换器及其在单相功率因数校正方面应用,文中拟建一种新型的高增益、高效率的boost变换器拓扑—MERS-boost变换器,仿真验证了 MERS-boost变换器的软开关特性,并通过理论计算和仿真,将其电压增益特性与传统boost变换器进行对比分析;针对基于MERS-boost变换器的工程应用——MERS PFC电路,而提出一种新型的数字控制方法,仿真和实验验证了该算法的正确性和MERS PFC电路的软开关特性。本文首先介绍直流变换器、软开关技术和功率因数校正技术的发展现状,随后,对功率因数校正技术的基本概念、PFC的基本拓扑和常见的控制方式,做一简单的描述。接着介绍了 MERS结构及其软开关工作特性,详细分析了基于MERS软开关的boost变换器(MERS-boost变换器)的拓扑结构和工作原理,仿真验证了MERS-boost变换器的软开关特性,并将其与传统boost变换器的电压增益性能进行对比分析。然后介绍了基于MERS-boost变换器的工程应用——MERS PFC电路,运用PSIM仿真软件,搭建了基于平均电流型控制和单周期控制的单相MERS PFC电路的仿真模型,仿真结果验证了MERS PFC电路的软开关特性,和采用这两种控制能较好的实现功率因数校正的功能。文中指出了这两种模拟控制方法的优缺点及直接用于数字控制的不足之处,针对MERS PFC电路提出一种无电流传感器的占空比预测的数字控制方法。文中详细分析了该控制方法的原理,并运用PSIM仿真软件,搭建占空比预测控制的MERS PFC电路的仿真模型,仿真结果验证了该控制方法的合理性,及其良好的动稳态性能。最后,文中详细的介绍了基于DSP-TMS320F2812数字控制的MERS PFC系统的实现,包括主电路的参数选择、整个控制系统软件部分和外围电路进行的设计,从样机实验结果分析,占空比预测控制MERS PFC电路较好的实现了,输入电压和输入电流近似同相位的功率因数校正的功能,同时实验结果验证了MERS PFC电路的软开关特性,并从理论上将MERS PFC电路与传统的boost PFC电路的效率进行对比分析。

关键词： 失超保护   混合式开关   固态开关   拓扑   均流   换流  

摘要： 失超保护开关是超导托卡马克装置磁体电源系统的重要组成部分,用于在超导磁体失超时快速泄放储存在其中的巨大磁场能,对装置的安全运行具有重大意义。当前EAST极向场磁体电源系统的失超保护开关采用机械开关并联熔断器的换流方式,存在开断后不能自动复位,维护量大的缺点,亟待升级改造。而随着电力电子器件技术的发展,混合式直流开关已成为失超保护开关的一大方向。本文的主要工作是开展EAST混合式失超保护开关的可行性分析和主电路设计。首先,本文提出了采用机械开关直接向全控型固态开关换流,并采用二极管桥式整流拓扑以实现固态开关双向通流和关断的电路拓扑设计方案,阐述了其工作原理。该拓扑能充分发挥机械开关通态损耗低,固态开关无弧快速可控关断的优点,并能最大限度地减少全控型器件的使用,控制简单,可节省成本和减小空间。其次,完成了固态开关的电气设计。建立了基于Foster热学网络的器件结温计算模型,通过仿真计算确定了各型半导体器件在开关工况下的通流能力。针对二极管因反向恢复过程而失效的隐患,开展了基本拓扑单元关断试验,确认普通整流二极管适用于开关工况,验证了拓扑设计的可行性。根据仿真计算和试验结果,得出了器件的选型结论。其后,阐述了固态开关中RC缓冲电路和避雷器等辅助电路器件的参数选取原则。随后,对固态开关的电路结构设计进行了阐述。电路结构采用堆栈式阀组设计,以兼顾器件均流、空间利用和实现难度。给出了具体的IGBT和二极管压装阀组三维结构设计和布局。最后,建立了混合式直流开关的仿真模型,对并联器件均流以及开关的换流过程进行了仿真和分析。仿真结果显示,不平衡耦合导致的并联器件不均流影响小,但器件关断不同步会造成严重的不均流现象;提出的相应保护措施能将固态开关关断时器件的过电压和电流下降率限制在安全范围。以上方法和结果可为混合式直流开关的研制工作提供重要的指导。

关键词： 永磁无刷直流电机   三相四开关逆变器   电流控制  

摘要： 三相四开关逆变器用两只串联的电容代替了三相六开关逆变器的一相桥臂,减少了开关管数量,具有开关及导通损耗小、驱动电路简单等优点。但当采用传统的双极性调制方法控制三相四开关逆变器驱动的永磁无刷直流电机时,与母线电容中点连接相为非导通相时,该相绕组通过电容与其他两相形成回路,在相反电动势的影响下该相电流不能为零,导致三相电流产生波动。另外由于三相四开关逆变器驱动永磁无刷直流电机时,导通两相间线电压会随工作状态发生变化,进而影响相电流变化速率,产生换相转矩波动。本文首先分析了三相四开关逆变器驱动的永磁无刷直流电机系统的运行特性,通过数学模型论证了与母线电容中点连接相为非导通相时电流波动的起因,分析了不同电压矢量作用下该相电流的变化趋势,得到两种调节矢量可以分别控制该相电流迅速增大和迅速减小。之后针对三相四开关逆变器驱动下的永磁无刷直流电机在正常导通区和换相区存在的电流波动问题,提出了一种电流控制策略。该电流控制策略使用双PI控制器控制电机转速和电流,当电机与母线电容中点连接相为非导通相时,在双极性调制的基础上,在每个控制周期中加入两个调节矢量与主矢量同时作用。通过建立数学模型,在非导通相电流变化率为零的基础上得到调节矢量占空比的计算公式,通过精确控制调节矢量的作用时间控制非导通相电流为零。在换相区,本文根据不同换相状态下开通相与关断相电流变化速率间的大小关系,在非换相相电流变化率为零的基础上得到调制占空比的计算公式,对关断相或非换相相开关管进行调制,抑制换相电流波动。与传统方法相比,该方法通过准确控制作用矢量的占空比,在正常导通区和换相区均保持良好的控制效果,无需根据转速及负载调节控制器参数,控制方法简单。另外具有固定的开关频率,并且每个控制周期中存在多种电压矢量,电流波动较小。此外,针对梯形波和正弦波的反电动势波形,本文分别进行了论述,证明了在梯形波与正弦波之间的任何反电动势波形,本文方法都适用。最后,搭建了永磁无刷直流电机控制系统实验平台,通过在不同工况下进行实验,证明了该方法不受负载及转速影响,具有良好的控制效果。并将上述方法与传统三相四开关逆变器驱动的永磁无刷直流电机电流控制方法进行对比实验,证明了该方法的优势。

关键词： 绕组连接方式   正弦激励   矢量控制  

摘要： 开关磁阻电机作为双凸极电机,其作为电动使用的时候,只能半周出力的问题是双凸极电机固有的缺点。为了使双凸极电机可以全周出力,国内外开始研究具有直流励磁绕组的开关磁阻电机。虽然国内针对具有直流励磁绕组的开关磁阻电机的方波控制已经趋于成熟,但是,对于正弦波控制的具有直流励磁绕组的开关磁阻电机都还处于探索阶段。本文主要针对具有直流励磁绕组的开关磁阻电机进行一些探索性的分析与研究。根据对具有直流励磁绕组的开关磁阻电机的数学模型分析,从而分析其控制方式间的不同。提出本文所使用的具有直流励磁绕组的开关磁阻电机的控制方法:正弦波驱动的具有直流励磁绕组的开关磁阻电机。通过电磁仿真对开关磁阻电机的不同绕组连接方式进行分析,比较出具有直流励磁绕组的开关磁阻电机的转矩输出能力相比于传统的开关磁阻电机的控制方式有一定的提高;通过提高直流绕组中电流的大小,可以有效的提升整体输出的平均转矩;当交流绕组中流过电流的周期以及幅值一定时,可以通过提升直流绕组中的电流,使得输出的平均转矩为正值。提出了一种根据具有直流励磁绕组的开关磁阻电机的数学模型建立其simulink电机本体模型的方法,建立其simulink矢量控制系统,并分析如何将矢量控制应用于具有直流励磁绕组的开关磁阻电机,对其进行调试及分析,仿真结果表明矢量控制可以应用于具有直流励磁绕组的开关磁阻电机,并可以实现调速。以DSP28335为主芯片,搭建了具有直流励磁绕组的开关磁阻电机矢量控制系统硬件部分的电路。并根据simulink分析的将矢量控制应用于具有直流励磁绕组的开关磁阻电机的方法,通过软件程序实现。同时观测了其输出的电流波形,其结果验证了仿真的正确性。

关键词： AC+DC电源   流光放电等离子体   气相反应   气-液复相反应   环境治理  

摘要： 摘要:本论文主要研究了一种新型的基于交直流叠加(AC+DC)高频高压开关电源产生低温流光放电等离子体的气体放电技术;同时利用该等离子体,设计建立了一种新型的去除多种污染物的综合实验平台,系统研究了其在环境保护领域的应用。具体研究内容主要包括以下几方面:(1)对AC+DC高频高压开关电源产生低温流光放电等离子体的发生机理进行了理论研究,对放电电源、耦合叠加电路、放电反应器的模型进行了仿真分析,对气体放电模式进行了优化设计,给出了产生大功率低成本工业规模应用的低温等离子体的方案。(2)对低温流光放电等离子体去除多种污染物进行了动力学模型分析,结合电化学的分析方法,研究了其有效去除多种污染物的电化学机理,给出了利用低温等离子体去除多种污染物的处理工艺及流程。(3)设计完成了用于该等离子体发生的一种新型大功率AC+DC高频高压开关电源装置。利用高频、高压开关电源技术,通过确定放电电极系统适当的极配、直流偏压和叠加交流电源的电压峰值、频率和变化速率,使放电状态处在最佳流光放电区,且使无化学效应的辉光放电成分最小,实现了流光放电的优化时空分布。首次利用AC+DC高频高压开关电源,产生了的可靠稳定的工业应用规模的低温等离子体。(4)搭建了低温流光放电等离子体去除多种污染物综合治理实验平台,分别在气相条件,对工业烟气PM2.5进行电除尘收集、对室内空气净化进行一体化治理(除甲醛等VOCs、杀菌、消毒、除臭);在气-液复相条件下,对工业烟气进行脱硫、电除雾去雾霾、对污水进行有机物分解治理等进行了实验验证。

关键词： 海上风电场   风电场并网   同步机   直流断路器   直流开关   江苏东台   升压站   并网发电   柔性直流输电   单位容量   数字化工厂  

摘要： 我国单位容量最大海上风电场并网近日,鲁能江苏东台200 MW海上风电场成功并网发电,这是我国单位容量最大、离岸距离最远的海上风电项目。东台风电场的并网,标志着我国海上风电从小规模试验示范向规模化发展。