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[導(dǎo)讀]摘要:首次提出了電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路拓?fù)渥?,這類電路拓?fù)溆奢斎胫懿ㄗ儞Q器、高頻變壓器、輸出周波變換器構(gòu)成。分析研究了這類變換器穩(wěn)態(tài)原理與移相控制策略,繪出了變換器的外特性曲線。這類變換器具

摘要:首次提出了電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路拓?fù)渥澹@類電路拓?fù)溆奢斎胫懿ㄗ儞Q器、高頻變壓器、輸出周波變換器構(gòu)成。分析研究了這類變換器穩(wěn)態(tài)原理與移相控制策略,繪出了變換器的外特性曲線。這類變換器具有電路拓?fù)浜啙?、兩級功率變換(LFAC/HFAC/LFAC)、雙向功率流、高頻電氣隔離、網(wǎng)側(cè)電流波形可得到改善、負(fù)載適應(yīng)能力強等優(yōu)點。PSPICE仿真波形充分證實了這類變換器的正確性和先進(jìn)性。關(guān)鍵詞:AC/AC變換器;高頻交流環(huán)節(jié);周波變換器;電壓源;移相控制ResearchonPrinciplesofVoltageMode

 


 

 


1引言

電力電子研究人員對DC/DC變換器、AC/DC變換器、DC/AC逆變器高頻環(huán)節(jié)變換技術(shù)[1]的研究,已取得了顯著的成果;對AC/AC變換技術(shù)的研究僅限于交流負(fù)載與交流電網(wǎng)無電氣隔離的晶閘管相控變頻器、矩陣變換器[2]。

本文首次提出并深入研究了交流負(fù)載與交流電網(wǎng)有高頻電氣隔離的基于Forward變換器的電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器,對電力電子學(xué)的發(fā)展和實現(xiàn)新型電子變壓器、正弦交流穩(wěn)壓器均具有重要意義。

2電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路

拓?fù)渥迮c控制原理

2.1電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)渥?/p>

基于Forward變換器的電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路結(jié)構(gòu),如圖1(a)所示。該電路結(jié)構(gòu)由輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器構(gòu)成,能夠?qū)⒁环N正弦交流電變換成另一種同頻率的正弦交流電。輸入、輸出周波變換器均由四象限功率開關(guān)(能承受雙向電壓應(yīng)力和雙向電流應(yīng)力)構(gòu)成。電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路拓?fù)渥骞?種,如圖1(b)~(i)所示。


圖1電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)渥?/p>

2.2控制原理

電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器采用移相

 

 


國家自然科學(xué)基金(59977010)、江蘇省自然科學(xué)基金(BK99121)資助項目。

 

 

 


(a)電路結(jié)構(gòu)

 

 


(b)單正激式(c)并聯(lián)交錯正激式

 

 


(d)推挽全波式(e)推挽橋式

 

 


(f)半橋全波式(g)半橋橋式

 

 


(h)全橋全波式(i)全橋橋式

 

 


 

 

 


控制策略,如圖2所示。四象限功率開關(guān)S1(S1′)與S2(S2′)、S3(S3′)與S4(S4′)的驅(qū)動信號為互補的高頻方波信號,但S3(S3′)與S1(S1′)、S4(S4′)與S2(S2′)之間的驅(qū)動信號均有相位差θ(0≤θ≤180°)。圖2中,Ts=1/fs為開關(guān)周期,fs為開關(guān)頻率,uAB為濾波器的前端電壓。S3(S3′)與S1(S1′)、S4(S4′)與S2(S2′)之間在一個開關(guān)周期的共同導(dǎo)通時間DTs/2可表示為

DTs/2=Ts(180°-θ)/(2×180°)(1)

式中:D為占空比。

3電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器穩(wěn)態(tài)

原理與外特性

3.1穩(wěn)態(tài)原理

以全橋全波式電路拓?fù)錇槔?,研究這類變換器的穩(wěn)態(tài)原理與外特性,如圖3(a)所示。該變換器穩(wěn)態(tài)工作且CCM模式時,在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)可分為四個開關(guān)狀態(tài),其等效電路如圖3(b)~(e)所示。

 


圖2電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器移相控制原理

圖3(b)、(d)和圖3(c)、(e)可分別用圖4(a)、(b)所示等效電路表示,其中r為包括變壓器繞組等效電

 

 

 


圖3全橋全波式電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器及其CCM模式時開關(guān)狀態(tài)電路[!--empirenews.page--]

 

 

 


(a)全橋全波式電路拓?fù)?/p>

 

 


(b)S1(S1′)、S3導(dǎo)通,S2(S2′)、S4截止(c)S2(S2′)、S3導(dǎo)通,S1(S1′)、S4截止

 

 


(d)S2(S2′)、S4導(dǎo)通,S1(S1′)、S3截止(e)S1(S1′)、S4導(dǎo)通,S2(S2′)、S3截止

 

 


阻、功率開關(guān)通態(tài)電阻、濾波電感寄生電阻等在內(nèi)的等效電阻。

由于開關(guān)頻率fs遠(yuǎn)大于輸出LC濾波器的截止頻率和輸入、輸出正弦交流電壓的頻率,因此,在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)輸入電壓ui和輸出電壓uo均可看成恒定量,可用狀態(tài)空間平均法建立輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系式。

圖4(a)所示等效電路的狀態(tài)方程為Lf=-riLf+ui-uo(2.a)Cf=iLf-(2.b)

圖4(b)所示等效電路的狀態(tài)方程為Lf=-riLf-ui-uo(3.a)Cf=iLf-(3.b)式(2)乘以D加式(3)乘以(1-D),令=0,=0,可得狀態(tài)變量在任何一個開關(guān)周期內(nèi)的穩(wěn)態(tài)值為ILf=(4.a)Uo=(4.b)

 

 


電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器原理研究

 

 


 

 

 


(a)S1(S1′)、S3或S2(S2′)、S4導(dǎo)通時

 

 


(b)S2(S2′)、S3或S1(S1′)、S4導(dǎo)通時

 

 



圖4電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC

變換器CCM模式時兩種等效電路

 

 


(b)DCM模式

 

 


(a)臨界CCM模式

 

 



圖5濾波電感電流臨界CCM和DCM

模式時一個開關(guān)周期內(nèi)的波形

 

 


3.2穩(wěn)態(tài)時變換器外特性

3.2.1理想情形(r=0)

由式(4.b)可知,理想情形且CCM模式時變換器的外特性為Uo=(5)

濾波電感電流臨界連續(xù)和DCM模式時一個開關(guān)周期內(nèi)的原理波形,如圖5所示。

由圖5(a)可知,t2-t1=DTs/2。t=t1~t2時,有uiN2/N1-uo=Lf=Lf=Lf(6)

電感電流臨界連續(xù)時的負(fù)載電流為IG=Iomin=iLf(t2),由式(5)、(6)得IG=D(1-D)(7)

由式(7)可知,當(dāng)D=1/2時,IG達(dá)到最大值,即IGmax=(8)

由式(7)、(8)可知,理想情形且濾波電感電流臨界連續(xù)時變換器的外特性為

IG=4IGmaxD(1-D)(9)

由圖5(b)可知,t3<t1+Ts/2,t2-t1=DTs/2。t=t1~t2時,由圖4(a)所示等效電路可知(r=0)uiN2/N1-uo=Lf=Lf=Lf(10)

t=t2~t3時,由圖4(b)所示等效電路可知(r=0)uiN2/N1+uo=-Lf=-Lf=Lf(11)

由式(10)、(11)得t3-t2=(12)

輸出負(fù)載電流為io==(13)

由式(8)、(10)、(12)、(13)得Io=IGmax(14)

因此,理想情形且DCM模式時變換器的外特性為=(15)[!--empirenews.page--]

3.2.2實際情形

實際情形時,變換器的內(nèi)阻r不為零,因此變換器的外特性可由式(4.b)表示。

取N1/N2=1,由式(5)、(9)、(15)、(4.b)可得變換器的標(biāo)幺外特性Uo/Ui=f(Io/Iomax),如圖6所示。曲線A為濾波電感電流臨界連續(xù)時外特性曲線,由式(9)決定;曲線A右邊為濾波電感電流連續(xù)時外特性曲線,實線為理想情形時曲線,由式(5)決定,虛線為實際情形時曲線,由式(4.b)決定,可見隨負(fù)載電流增加,輸出電壓下降;曲線A左邊為濾波電感電流斷續(xù)時外特性曲線,由式(15)決定,可見輸出電壓與輸入電壓比不僅與D有關(guān),而且與負(fù)載電流有關(guān)。

4仿真實例

全橋全波式電路拓?fù)?,移相控制策略,輸入電壓Ui=220(1±10%)V,頻率50Hz,輸出電壓Uo=220V(50Hz),額定容量S=3kVA,負(fù)載功率因數(shù)為-0.75~0.75,開關(guān)頻率fs=100kHz,變壓器匝比N1/N2=1:1.3,輸入濾波電感Li=10μH,輸入濾波電容Ci=50μF,輸出濾波電感Lf=0.5mH,輸出濾


圖6電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器標(biāo)幺外特性

 

 


(a)額定輸入電壓、電阻性額定負(fù)載

 

 


(b)額定輸入電壓、空載

 

 


(c)額定輸入電壓、阻性滿載

 

 


(d)輸入電壓200V、感性輕載

 

 


(e)輸入電壓240V、容性滿載

 

 



圖73kVA電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器仿真波形

 

 


電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器原理研究

 

 


波電容Cf=20μF。

不同輸入電壓、不同負(fù)載時,3kVA220V(1+±10%)(50Hz)電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器的仿真波形,如圖7所示。由仿真波形可知,變壓器工作頻率為100kHz,輸出電壓波形THD低,網(wǎng)側(cè)電流波形正弦度高,具有強的負(fù)載適應(yīng)能力和優(yōu)良的穩(wěn)壓性能。

5結(jié)語

(1)電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器,具有兩級功率變換(LFAC/HFAC/LFAC)、雙向功率流、高頻電氣隔離、網(wǎng)側(cè)波形可得到改善、負(fù)載適應(yīng)能力強等優(yōu)點。

(2)電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路拓?fù)渥灏▎握な?、并?lián)交錯正激式、推挽全波式、推挽橋式、半橋全波式、半橋橋式、全橋全波式、全橋橋式等八種電路。

(3)獲得了變換器外特性曲線。

(4)仿真結(jié)果證實了電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/

AC變換器新概念的正確性和先進(jìn)性。

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