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π型AC/AC交流变换器及其变结构控制策略的研究

2020-12-24阅读(435)

π型AC/AC交流变换器及其变结构控制策略的研究

论文摘要

本文主要研究了一种新颖的π型AC/AC交流变换器的电路结构、工作原理及其变结构控制策略。该变换器由Buck交流单元和Boost交流单元组合而成,与级联式Buck-Boost型AC/AC交流变换器相比,省却了一个LC滤波器,采用双载波双输出基准变结构控制策略,使得变换器可工作于Buck、Boost和滤波三种模式,虽然采用两级占空比调制,但实际上最多只存在一级功率变换,变换效率高;根据理论分析和参数计算,研制了一台实验原理样机,进行了相关实验研究,给出了实验波形和数据。本文首先介绍了单相Buck型和单相Boost型AC/AC交流变换器的电路拓扑,对二者的工作原理、开关模态进行了详细分析;根据输入电压和电感电流的极性不同,在一个输入电压基波周期内,两种变换器都存在四种不同工作阶段;对于每个阶段内的每一个开关周期,又分别有三种不同的开关模态:功率传输模态、续流模态和死区模态;基于理论分析,进行了仿真和实验验证,给出了相应的仿真波形及实验结果。将单相Buck型AC/AC交流变换器和单相Boost型AC/AC交流变换器前后级联,得到单相级联式Buck-Boost型AC/AC交流变换器,对该变换器进行结构优化,省却一个LC滤波器,可得到一种新颖的单相π型AC/AC交流变换器的电路拓扑;针对单相π型AC/AC交流变换器的稳压应用场合,提出了双载波调制双输出基准变结构控制策略;分析了用可调输出基准来实现交流调压的基本原理;仿真结果及分析验证了控制策略的可行性。以交流稳压应用为例,通过理论计算、软件仿真和实验调试确定了单相π型AC/AC交流变换器的关键设计参数,据此研制了一台原理实验样机,进行了交流稳压实验研究,给出了实验波形和相关效率数据。在进一步的研究中,分别介绍了三相Buck型AC/AC交流变换器和三相Boost型AC/AC交流变换器的电路结构及工作原理,对比分析了单相电压反馈控制和三相反馈控制两种控制实现方法,分别进行了相关仿真和实验验证;在此基础上,将三相Buck型AC/AC交流变换器和三相Boost型AC/AC交流变换器前后级联,可得到级联式三相Buck-Boost型AC/AC交流变换器,对该变换器进行结构优化,每相省却一个LC滤波器,即得到三相π型AC/AC交流变换器的电路拓扑;分析了三相π型AC/AC交流变换器的工作原理,并进行了软件仿真研究。理论分析、仿真与实验结果表明,π型AC/AC交流变换器及变结构控制策略正确可行,可用于宽范围稳压及调压场合,具有电路简单、控制容易、变换级数少、变换效率高等优点。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 AC/AC 交流变换器的应用前景
  • 1.2 AC/AC 交流变换技术的常见类型
  • 1.3 AC/AC 交流变换器的发展与现状
  • 1.3.1 可控硅相控AC/AC 变换器
  • 1.3.2 电子变压器
  • 1.3.3 交-直-交AC/AC 变换器
  • 1.3.4 矩阵变换器
  • 1.3.5 脉宽调制AC/AC 变换器
  • 1.4 本文的主要意义与研究内容
  • 1.4.1 本文的主要意义
  • 1.4.2 本文的主要研究内容
  • 第二章 单相Buck 型和Boost 型AC/AC 交流变换器
  • 2.1 Buck 型DC/DC 直流变换器
  • 2.2 单相Buck 型AC/AC 交流变换器
  • 2.2.1 电路结构与工作原理
  • 2.2.2 控制策略实现
  • 2.2.3 电路开关模态分析
  • 2.2.4 软件仿真与实验验证
  • 2.3 单相Boost 型AC/AC 交流变换器
  • 2.3.1 电路结构与工作原理
  • 2.3.2 控制策略实现
  • 2.3.3 电路开关模态分析
  • 2.3.4 软件仿真与实验验证
  • 2.4 本章小结
  • 第三章 单相π型AC/AC 交流变换器及其控制策略
  • 3.1 单相π型AC/AC 交流变换器
  • 3.1.1 电路拓扑结构的推导
  • 3.1.2 电路基本工作原理分析
  • 3.2 变结构控制策略的基本构思
  • 3.3 稳压场合的变结构控制策略研究
  • 3.3.1 单载波调制变结构稳压策略
  • 3.3.2 双载波调制双输出基准变结构控制稳压策略
  • 3.4 调压场合的变结构控制策略研究
  • 3.5 单相π型交流变换器的仿真分析
  • 3.5.1 双载波调制双基准输出变结构控制稳压策略仿真
  • 3.5.2 双载波调制可调基准输出变结构控制调压策略仿真
  • 3.6 本章小结
  • 第四章 单相π型AC/AC 交流变换器样机设计与实验结果
  • 4.1 单相π型交流变换器设计指标
  • 4.2 单相π型交流变换器主电路参数设计
  • 4.2.1 功率开关管的参数选择
  • 4.2.1.1 功率开关管耐压值的选择
  • 4.2.1.2 流经开关管的最大电流值计算
  • 4.2.1.3 开关管最大耗散功率
  • 4.2.2 电感和滤波电容的参数设计
  • 4.2.2.1 输出电压谐波分析
  • 4.2.2.2 电感的参数设计
  • 4.2.2.3 滤波电容的参数设计
  • 4.3 控制电路的参数设计
  • 4.3.1 载波信号发生电路
  • 4.3.2 输出电压的均值采样电路
  • 4.3.3 占空比信号调制电路
  • 4.3.4 开关时序逻辑调制电路
  • 4.4 实验结果与分析
  • 4.4.1 实验波形
  • 4.4.2 实验数据
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 三相π型AC/AC 交流变换器的研究
  • 5.1 三相Buck 型AC/AC 交流变换器
  • 5.1.1 电路结构与工作原理
  • 5.1.2 三相Buck 型AC/AC 交流变换器开关模态分析
  • 5.1.3 三相Buck 型AC/AC 交流变换器的控制策略
  • 5.1.4 三相Buck 型AC/AC 交流变换器的仿真分析
  • 5.1.4.1 单相输出电压反馈控制策略的仿真分析
  • 5.1.4.2 三相输出电压反馈控制策略的仿真分析
  • 5.1.5 实验结果分析
  • 5.1.5.1 单相输出电压反馈控制的实验波形
  • 5.1.5.2 三相输出电压反馈控制的实验波形
  • 5.2 三相Boost 型AC/AC 交流变换器
  • 5.2.1 电路结构与工作原理
  • 5.2.2 三相Boost 型AC/AC 交流变换器开关模态分析
  • 5.2.3 三相Boost 型AC/AC 交流变换器的控制策略
  • 5.2.4 三相Boost 型AC/AC 交流变换器的仿真分析
  • 5.2.5 三相Boost 型AC/AC 交流变换器的实验验证
  • 5.3 三相π型AC/AC 交流变换器的电路结构及工作原理
  • 5.4 三相π型AC/AC 交流变换器的仿真分析
  • 5.5 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  • 6.1 工作总结
  • 6.2 展望
  • 参考文献
  • 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文
  • 附录A 总谐波畸变因数的公式推导
  • 附录B 面积乘积公式推导
  • 附录C 单相π型AC/AC 交流变换器仿真电路
  • 致谢

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