关键词： 移相控制   三电平双有源全桥   软开关  

摘要： 变压器原副边桥臂电压不匹配时,移相控制三电平双有源全桥直流变换器(3L-DAB)的开关管可能会工作在硬开关模式,导致系统损耗增加、效率降低。针对这个问题,该研究对3L-DAB变换器的软开关工作范围展开详细的分析。首先,描述了移相控制下3L-DAB变换器的功率传输特性;在此基础上,基于稳态时域模型,推导了随着移相角和变压比的变化,变压器原副边所有开关器件的软开关工作范围。然后,对比分析了考虑开关管结电容前后变换器的软开关工作范围变化。最后,通过仿真和搭建的实验平台验证了理论分析的正确性。

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： 电力电子技术   直流电力系统   直流保护开关   模拟短路   虚拟仪器  

摘要： 本文为了实现对舰船直流电力系统中直流保护开关的短延时、长延时保护特性进行试验,模拟短路过程恢复电压特性,在保护开关电弧熄灭后,提供恢复电压。特提出了一种直流电力系统短路电流模拟装置的设计方案,并完成系统的软硬件设计。该系统主要由电压模拟装置(蓄电池组)、可调电阻柜、开关柜(含电感、合闸后备开关、试验安全保护开关)、远程控制台(试验测控系统)组成。实际应用表明,该系统具有操作简便、功能可靠、测试准确的特点,达到了设计要求。

关键词： 快速机械开关   电磁斥力机构   Ansoft Maxwell   粒子群算法   优化设计  

摘要： 快速机械开关作为混合式直流断路器系统的关键设备,其操动机构多选用电磁斥力机构,电磁斥力机构的磁场电场相互耦合,仅通过控制变量法难以从整体上对电磁斥力机构进行优化设计。为此,提出一种多策略改进粒子群算法,并将其应用到斥力机构的参数优化中。首先,利用Ansoft Maxwell仿真分析了电磁斥力机构的线圈盘尺寸、金属盘尺寸和放电回路参数对快速机械开关动态性能的影响,确定了主要的优化设计参数;其次,针对基本粒子群的缺陷,结合重开端及反向学习策略进行改进并验证了改进后算法的优势性;最后,根据优化后的参数制造了样机并进行了动态性能测试。测试结果表明:优化后的开关的分断速度得到提高的同时减小了开关的总体积和成本,验证了优化设计的有效性。研制出的快速机械开关将投入张北±500 kV柔性直流输电工程使用。

关键词： 空间直流固态开关   IGBT模块   热场分布特性   液冷集成模块  

摘要： 空间大容量电力系统是我国实现未来超大型航天器、月球基地和太阳能空间电站必不可少的部分。直流固态开关作为空间大容量电力系统中最重要的控制与保护设备,其核心功率器件的性能极易受到温度影响。与地面不同,空间特有的真空环境会使得功率器件呈现更复杂、极端的热场分布,导致功率器件失效进而引起系统故障。因此,本文针对固态开关功率器件在真空环境下的热场分布规律和热控方法展开研究,提出了一种热路匹配的直流固态开关功率器件液冷方法,并研制了空间固态开关液冷集成模块,通过试验研究验证了其热控效果。论文的主要内容有:(1)分析空间环境及空间大容量电力系统对于直流固态开关的设计需求,提出一种热均衡的空间直流固态开关拓扑结构,可实现串并联开关功率器件间的均压均流优化。构建了该直流固态开关的高压大容量仿真模型,通过仿真探究了高故障电流下稳态动态工作特性和损耗特性,并研制了开关单元模块实验样机,验证了其结构的正确性。结果显示所提出的直流固态开关具有快速开断和低损耗的特点,而稳态下开关单元模块的热场分布是影响其性能的关键。(2)开展了直流固态开关功率器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的热场分布规律研究。基于热路分析建立了IGBT模块的温度修正热阻抗模型,结合有限元分析方法获得真空环境以及非真空环境下IGBT模块的热场分布规律;基于对流换热牛顿冷却定律进一步建立了空间液冷作用下IGBT模块的热平衡数值模型,结合有限元分析方法对直流固态开关正常导通及故障开断过程中开关功率器件的热场特性进行研究,结果显示流体回路热控下能将IGBT模块的温度控制在正常工作温度范围之内,但加剧了IGBT模块内部热场的不均匀性。(3)提出了一种热路匹配的直流固态开关功率器件液冷方法,可在优化功率模块之间不均匀热分布的同时实现散热效率最大化,基于该方法研制了空间固态开关液冷集成模块并构建了可提供100K～400K宽温区真空环境的功率器件多参量试验平台。试验结果显示,真空环境下直流固态开关功率器件在无热控模块时达到最大耐受温度420K而失效,液冷集成模块能有效降其工作结温到388K并稳定安全工作,验证了直流固态开关功率模块液冷方法和集成模块的有效性。

关键词： 双向DC/DC   并网电力接口   MATLAB/Simulink   PI控制器   模型预测   软开关  

摘要： 环境和能源作为可持续性的基本要素,正在成为重大的全球性挑战和迫在眉睫的任务。双向DC/DC并网电力接口在当代新能源应用中具有极其重要的意义。具有效率高、成本低、稳定性好等特性的并网电力接口应用前景广阔。本文双向DC/DC并网电力接口采用两相交错并联结构,通过控制算法的优化来提高并网电力接口的性能。首先对基本并网电力接口进行多方面研究,选择双向半桥式并网电力接口作为本课题的基本研究单元。为减小电压电流纹波,给功率器件提供更低的电应力,通过运用双重化结构,将两个完全相同的半桥式并网电力接口相互并联,构成本课题研究的双向DC/DC并网电力接口。其次运用状态空间平均法建模,得到并网电力接口工作在不同模式下的小信号模型。针对该并网电力接口的特点选择PI控制器,设计电压单闭环、电压电流双闭环PI控制器,将其应用在并网电力接口处于不同工作模式和不同扰动信号中,运用MATLAB软件仿真得到电压电流波形对比,验证了并网电力接口控制系统的稳定性。之后设计模型预测控制策略以提高系统的动态响应性能,并设计优化控制PI-模型预测控制策略,通过在MATLAB/Simulink软件中开展仿真研究得到大量仿真数据结果,表明本文设计的PI-模型预测控制器的稳定性和动态性能都比传统控制器优良,验证了改进型控制策略的正确性与优越性。最后分析并网电力接口系统的软硬件设计,研制了双向DC/DC并网电力接口样机,通过对样机的实验,得出双向DC/DC并网电力接口的重要波形与数据,充分验证并网电力接口的电压电流纹波、抗干扰能力、响应特性等指标都满足设计的要求。

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： 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： 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。