【正文】 感謝我的同學和朋友，在我寫論文的過程中給予了我很多你們的資料文獻，還在論文的撰寫和排版過程中提供熱情的幫助。在此向幫助和指導過我的各位老師表示最中心的感謝！感謝這篇論文所涉及到的各位學者。尤其要強烈感謝我的論文指導老師，她對我進行了無私的指導和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。仿真結果表明，該拓撲結構的高頻變壓器可以保證原副方良好的電壓、電流波形，并具備良好的控制特性。對新的結構的特點進行了討論，同時分別對輸入級、中間隔離變壓器和輸出級的結構進行了簡要的分析。由此論證了高頻變壓器的可行性，并提出了高頻變壓器的研究方向。同時提出本文研究方向：含直流 AC/DC/AC 高頻變壓器三級電路結構研究。首先在結構上是利用電力電子器件來完成的，其次在特性上，除了實現電力系統(tǒng)電壓的變換和能量的傳遞，它還具備電力電子裝置的特性。從各優(yōu)化方面來說，高頻變壓器相對傳統(tǒng)變壓器的發(fā)展會更迅速、更有前景。電壓、電流基本穩(wěn)定且相位相同，傳輸穩(wěn)定。應用六脈沖發(fā)生器、PWM 波形脈沖控制調節(jié)控制靈活，也比較簡單，能準確的達到要求。輸出濾波器為 r 型濾波器，濾波電感為 lmH，濾波電容為10000uF，仿真時間 。副邊逆變電路：開關頻率 fs=10kHz；輸出電壓的頻率 f=50HZ。原邊逆變電路：輸出頻率 f=1kHz。中間隔離級的功能是將原邊的交流禍合到副邊,因此只要保證高壓側的單相逆變電路和變壓器低壓側的單相整流電路分別實現高頻逆變、高頻整流即可,可以用開環(huán)控制方式實現,門極控制信號由 PWM Generator 產生。在高頻變壓器仿真模型中,采用通用橋式電路 Universal Bridge、 3 分別組成原邊整流電路、原邊逆變電路、副邊整流電路、副邊逆變電路。 建模仿真及分析在前文已經詳述高頻變壓器的各種實現方案與工作原理的基礎上,本節(jié)對高頻變壓器在運行中的特性以及優(yōu)點在 MATLAB 的 Simulink 組件環(huán)境下進行仿真研究,旨在說明高頻變壓器能保證原副方良好的電壓、電流波形。對于用方框圖表示的系統(tǒng)，通過圖形界面，利用鼠標單擊和拖拉方式，建立系統(tǒng)模型就像用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框圖一樣簡單，它與用微分方程和差分方程建模的傳統(tǒng)仿真軟件包相比，具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點。 Simulink 模塊庫提供了豐富的描述系統(tǒng)特性的典型環(huán)節(jié)，有信號源模塊庫(Source) ,接收模塊庫（ Sinks） ，連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（Continuous） ，離散系統(tǒng)模塊庫（Discrete） ，非連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（Signal Routing） ，信號屬性模塊庫（Signal Attributes） ，數學運算模塊庫（Math Operations） ，邏輯和位操作庫（Logic and Bit Operations）等等，此外還有一些特定學科仿真的工具箱。其主要功能是實現動態(tài)系統(tǒng)建模、方針與分析，可以預先對系統(tǒng)進行仿真分析，按仿真的最佳效果來調試及整定控制系統(tǒng)的參數。支持連續(xù)、離散以及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時它也支持具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速率的仿真系統(tǒng)。可以直接調用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到 MATLAB 函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB 愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以使用。 MATLAB 的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C,FORTRAN 等語言完成相同的事情簡捷得多，并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點,使MATLAB 成為一個強大的數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。學科工具包是專業(yè)性比較強的工具包,控制工具包,信號處理工具包,通信工具包等都屬于此類。工具包又可以分為功能性工具包和學科工具包。 MATLAB 的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似,故用 MATLAB 來解算問題要比用 C,FORTRAN 等語言完相同的事情簡捷得多。 邵陽學院畢業(yè)設計（論文）304 建模仿真及結果分析 MATLAP/Simulink 簡介 MATLAB 是矩陣實驗室（Matrix Laboratory ）的簡稱。1/3) 和dUd0 共五種電平組成。 WNVUNu???邵陽學院畢業(yè)設計（論文）29從波形和上式可以看出，負載相電壓的 PWM 波由(177。39。 rVudUrV rVu負載相電壓 可由下式求得 UNu ()39。當臂 3 和 4 導通時， = 。 和 0 三種電平組成。 /2 兩種電平。當給 ( )加導通信號時，可能是d1V4 1( )導通，也可能是二極管 ( )續(xù)流導通，這要由阻感負載中電流的14 1D4方向來決定。當 時， 導通 關斷，則 =NUu?drUuc41VNUu?/2。U 、V 和 W三相的 PWM 控制通常公用一個三角波載波 ，三相的調制信號 、 和curUur依次均相差 120176。0i2V30i2VD3 0udU另一種三相橋式 PWM 逆變電路電路圖如 所示、波形圖如 所示。當 時， 和ru ruc1V導通， 和 關斷，這時如 0，則 和 通，如 0，則 和 通，4V23V0i1V40iD4不管哪種情況都是 = 。 兩dU種電平。 圖 單向橋式 PWM 逆變電路圖雙極性 PWM （調制法）控制方式：在調制信號 和載波信號 的交點rucu時刻控制各開關器件的通斷。 總可以得到 和零兩種電平。在負載電流為負的區(qū)間，仍為 和 導通時，因1V3D0u 1V為負，故 實際上從 和 流過，仍有 = 。在負載電流為正的區(qū)間， 和 導通時， = 。單相橋式 PWM 逆變電路如圖 所示電路工作過程：工作時 和 通1V2斷互補， 和 通斷也互補，比如在 正半周， 導通， 關斷， 和3V4 0u1V23交替通斷。 通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應用最多。而調制法相對簡單很多，因此現在實際應用的主要是調制法。 圖 用 PWM 波代替正弦半波 逆變電路控制方式PWM 控制方式可分為計算法和調制法。由直流電源供電， SPWM 波形是等幅不等寬。 脈沖的面積（沖量）按正弦規(guī)律變化。圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形 用 PWM 波代替正弦半波如圖 所示，將正弦半波看成是由 N 個彼此相連的脈沖寬度為 ?/N，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的。 如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。沖量即指窄脈沖的面積。面積等效原理是 PWM 控制技術的重要理論基礎。邵陽學院畢業(yè)設計（論文）24 PWM 控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術。圖 三相逆變器輸出線電壓波形 aocabv??（）其基波分量彼此自檢相差 120 度。按圖 中依順序標號的開關器件其驅動信號之間相差 60 度。 T1 T3 T5T4 T6 T2VD/2VD/2 abc邵陽學院畢業(yè)設計（論文）23圖 電壓型三相橋式逆變器其工作原理為：當 導通時，節(jié)點 a 接于直流電源正端， ；當1T 2/DaoVv?導通時，節(jié)點 a 接于直流電源負端， 。圖 隔離級電路結構高 頻 變 壓 器單 相 全 橋 變 換 器 單 相 全 橋 變 換 器Ed邵陽學院畢業(yè)設計（論文）22圖 控制全橋變換器的高頻方波 輸出級電路及控制方式 輸出級的結構由于該環(huán)節(jié)需要將前級電路輸出的直流電壓逆變成為三相交流電壓，因此選用如圖 所示的電壓型三相橋式逆變電路與濾波器構成輸出環(huán)節(jié)。這種控制方式的優(yōu)點是控制系統(tǒng)簡單，同步問題容易解決。該交流電流經高頻變壓器藕合到副方后送至另一組相同的單相全橋變換器，這組變換器的控制信號與原方變換器的控制信號相同，因此正好可以將高頻方波轉換為直流信號。 隔離級控制方式由于該環(huán)節(jié)所起的作用僅僅為高頻調制，同步解調以及電壓等級變換，為了使系統(tǒng)的結構和控制更為簡單，可采用將輸入環(huán)節(jié)整流輸出的直流電流經過一個單相全橋變換器調制為高頻信號，該全橋變換器的驅動信號是頻率為1000Hz，占空比為 50%的高頻方波。以鐵基非晶材料為例，它作為高頻變壓器的鐵芯(一般工作在 10kHz 以下)，可以在 130e 下長時間工作。所以非晶合金的磁性能是非常靈活的，選擇余地很大。優(yōu)良的磁性：與傳統(tǒng)的金屬磁性材料相比，由于非晶合金原子排列無序，沒有晶體的各向異性，而且電阻率高，因此具有高的導磁率、低的損耗，是優(yōu)良的軟磁材料，代替硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等作為變壓器鐵芯、互感器、傳感器等，以大大提高變壓器效率、縮小體積、減輕重量、降低能耗。非晶合金絲材可用在結構零件中，起強化作用。 高強韌性：明顯高于傳統(tǒng)的鋼鐵材料，可以作復合增強材料。最適合替代硅鋼片，為用于 10kHz以下的變壓器的鐵芯。高頻變壓器的鐵芯材料與常規(guī)變壓器不同，通常采用非晶合金材料。所以綜合而言，為了達到最佳效果，必須優(yōu)化設計頻率與磁通密度之間的關。但同時，變壓器的單位重量的鐵芯損耗可以表示為： （）21/50()FemfPB??式中， 是鐵芯損耗系數， 是頻率指數。圖 中間變壓器結構示意圖變壓器的容量 S 可以表示為 （）???N1N12N21N2輸 入 側 輸 出 側邵陽學院畢業(yè)設計（論文）20其中 K 為銅飽和因數，f 為變壓器工作頻率， 為鐵芯面積， 為繞組面cAeA積，J 為導體的電流密度， 為最大的磁通密度。高頻變壓器把輸入的高頻方波耦合到副方，由輸出級進行變換處理。在這里，高頻變壓器的作用有兩個：一是實現原方系統(tǒng)和副方系統(tǒng)的隔離，二是實現電壓等級變換。采用滯環(huán)電流比較的直接電流控制系統(tǒng)結構簡單，電流響應速度快，控制運算中未使用電路參數，系統(tǒng)魯棒性好，因而獲得了較多的應用?？刂葡到y(tǒng)是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其外環(huán)是直流電壓控制環(huán)，內環(huán)是交流電流控制環(huán)?？刂葡到y(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側電壓控制環(huán)。 圖 三相橋式 PWM 整流電路 PWM 整流電路的控制方式根據有沒有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩種，沒有引入交流電流反饋的稱為間接電流控制，引入交流電流反饋的稱為直接電流控制。 電路的工作原理也和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴展到三相。3S su電壓型 PWM 整流電路是升壓型整流電路，其輸出直流電壓可以從交流電源電壓峰值附近向高調節(jié)，使用時要注意電力半導體器件的保護；同時也要注意，向低調節(jié)就會使電路性能惡化，以至不能工作。以包含 的升壓斬波電路為例，當 導通SL 2時， 通過 、 向 儲能，當 關斷時， 中儲存的能量通過 、su2V4DSL2S 1向直流側電容 C 充電。當s Sis Sis滯后的相角為 ?，和完全同相位，電路工作在整流狀態(tài)，且功率因數為 1，是PWM 整流電路最基本的工作狀態(tài)。在 一定的情況下， 的幅值和相位僅由 中基波分量suSi ABu的幅值及其與 的相位差來決定，改變 的幅值和相位，就可以使 和ABfus ABfuSi同相位、反相位， 比 超前 90176。 中含有和正弦信號波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波ABu載波有關的頻率很高的諧波，而不含有低次諧波。 PWM 整流器控制整流電路可分為電壓型和電流型兩大類，目前研究和應用較多的是電壓型PWM 整流電路。dIq邵陽學院畢業(yè)設計（論文）17圖 中在一定的負載阻抗情況下，輸出直流電壓 的大小取決于有功功oV率 P 與負載消耗的功率 之間的平穩(wěn)關系，增大 P， 自然升高，反之， 降oP oV低，在一定的負載情況，保持 P 恒定， 隨之恒定不變，調節(jié) P 也就調節(jié)控制oV了輸出電壓 。電壓數值高的電源才有可能向電壓低的電源輸出滯后的感性無功電流 和感性無功功率 Q。當電壓 較小， 時， 為正，Q 為正，即交流電源向 AC/DCi?cosi??sqI變換器輸出感性（滯后）無功功率、無功功率，或交流電源從 AC/DC 變換器輸入容性（超前）無功電流、無功功率。當變換器交流輸入端電壓 滯后于 時，即滯后角 δ 為正值時，式iV?s?（） 、式（）的有功電流為正值，P 為正，表示交流電源輸出有功功率，經 AC/DC 變換器輸出直流電能給直流負載，變換器工作于整流狀態(tài)；反之當變換器交流輸入端電壓 的相位超前 時，那時滯后角 δ 為負值， 為負值，i? s? dIP 為負，表示交流電源輸入有功功率，即 AC/DC 變換器將直流電源電能變?yōu)榻涣麟娔芊此徒o交流電源，變換器工作于逆變狀態(tài)。變換器交流輸入端電壓矢量 的 d 軸分量 和 q 軸為分量 為i? 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