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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

作　者: 丁明昌
导　师: 张友军
学　校: 苏州大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: AC/AC变换器宽范围稳压调压 π型变结构控制策略双载波调制双输出基准
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 39次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-15
第一章绪论  15-29
  1.1 AC/AC 交流变换器的应用前景  15-16
  1.2 AC/AC 交流变换技术的常见类型  16-17
  1.3 AC/AC 交流变换器的发展与现状  17-26
    1.3.1 可控硅相控AC/AC 变换器  17-18
    1.3.2 电子变压器  18-20
    1.3.3 交-直-交AC/AC 变换器  20-22
    1.3.4 矩阵变换器  22-23
    1.3.5 脉宽调制AC/AC 变换器  23-26
  1.4 本文的主要意义与研究内容  26-29
    1.4.1 本文的主要意义  26-27
    1.4.2 本文的主要研究内容  27-29
第二章单相Buck 型和Boost 型AC/AC 交流变换器  29-44
  2.1 Buck 型DC/DC 直流变换器  29-30
  2.2 单相Buck 型AC/AC 交流变换器  30-37
    2.2.1 电路结构与工作原理  30-32
    2.2.2 控制策略实现  32-33
    2.2.3 电路开关模态分析  33-35
    2.2.4 软件仿真与实验验证  35-37
  2.3 单相Boost 型AC/AC 交流变换器  37-43
    2.3.1 电路结构与工作原理  37-38
    2.3.2 控制策略实现  38-39
    2.3.3 电路开关模态分析  39-41
    2.3.4 软件仿真与实验验证  41-43
  2.4 本章小结  43-44
第三章单相π型AC/AC 交流变换器及其控制策略  44-57
  3.1 单相π型AC/AC 交流变换器  44-46
    3.1.1 电路拓扑结构的推导  44-45
    3.1.2 电路基本工作原理分析  45-46
  3.2 变结构控制策略的基本构思  46-47
  3.3 稳压场合的变结构控制策略研究  47-52
    3.3.1 单载波调制变结构稳压策略  47-49
    3.3.2 双载波调制双输出基准变结构控制稳压策略  49-52
  3.4 调压场合的变结构控制策略研究  52-53
  3.5 单相π型交流变换器的仿真分析  53-56
    3.5.1 双载波调制双基准输出变结构控制稳压策略仿真  53-55
    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  55-56
  3.6 本章小结  56-57
第四章单相π型AC/AC 交流变换器样机设计与实验结果  57-78
  4.1 单相π型交流变换器设计指标  57
  4.2 单相π型交流变换器主电路参数设计  57-62
    4.2.1 功率开关管的参数选择  57-59
      4.2.1.1 功率开关管耐压值的选择  57-58
      4.2.1.2 流经开关管的最大电流值计算  58-59
      4.2.1.3 开关管最大耗散功率  59
    4.2.2 电感和滤波电容的参数设计  59-62
      4.2.2.1 输出电压谐波分析  59-60
      4.2.2.2 电感的参数设计  60-62
      4.2.2.3 滤波电容的参数设计  62
  4.3 控制电路的参数设计  62-66
    4.3.1 载波信号发生电路  63
    4.3.2 输出电压的均值采样电路  63-64
    4.3.3 占空比信号调制电路  64-65
    4.3.4 开关时序逻辑调制电路  65-66
  4.4 实验结果与分析  66-77
    4.4.1 实验波形  68-71
    4.4.2 实验数据  71-77
  4.5 本章小结  77-78
第五章三相π型AC/AC 交流变换器的研究  78-98
  5.1 三相Buck 型AC/AC 交流变换器  78-87
    5.1.1 电路结构与工作原理  78-79
    5.1.2 三相Buck 型AC/AC 交流变换器开关模态分析  79-81
    5.1.3 三相Buck 型AC/AC 交流变换器的控制策略  81-83
    5.1.4 三相Buck 型AC/AC 交流变换器的仿真分析  83-85
      5.1.4.1 单相输出电压反馈控制策略的仿真分析  83-84
      5.1.4.2 三相输出电压反馈控制策略的仿真分析  84-85
    5.1.5 实验结果分析  85-87
      5.1.5.1 单相输出电压反馈控制的实验波形  85-86
      5.1.5.2 三相输出电压反馈控制的实验波形  86-87
  5.2 三相Boost 型AC/AC 交流变换器  87-93
    5.2.1 电路结构与工作原理  87-88
    5.2.2 三相Boost 型AC/AC 交流变换器开关模态分析  88-90
    5.2.3 三相Boost 型AC/AC 交流变换器的控制策略  90-91
    5.2.4 三相Boost 型AC/AC 交流变换器的仿真分析  91-92
    5.2.5 三相Boost 型AC/AC 交流变换器的实验验证  92-93
  5.3 三相π型AC/AC 交流变换器的电路结构及工作原理  93-96
  5.4 三相π型AC/AC 交流变换器的仿真分析  96
  5.5 本章小结  96-98
第六章总结与展望  98-100
  6.1 工作总结  98
  6.2 展望  98-100
参考文献  100-105
攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文  105-106
附录A 总谐波畸变因数的公式推导  106-108
附录B 面积乘积公式推导  108-110
附录C 单相π型AC/AC 交流变换器仿真电路  110-111
致谢  111-112

π型AC/AC交流变换器及其变结构控制策略的研究

内容摘要

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