【正文】 換。 中間變壓器中間變壓器由高頻變壓器充當(dāng)，高頻隔離變壓器不僅要完成高、低壓的隔離，還要實(shí)現(xiàn)降壓變換。高頻變壓器把輸入的高頻方波耦合到副方，由輸出級進(jìn)行變換處理。其原方有多個(gè)輸入繞組，數(shù)量與輸入級串聯(lián)的功率模塊數(shù)匹配，副方只有一個(gè)繞組，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。圖 中間變壓器結(jié)構(gòu)示意圖變壓器的容量 S 可以表示為 （）???N1N12N21N2輸 入 側(cè) 輸 出 側(cè)邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20其中 K 為銅飽和因數(shù)，f 為變壓器工作頻率， 為鐵芯面積， 為繞組面cAeA積，J 為導(dǎo)體的電流密度， 為最大的磁通密度。因此，變壓器的體積與mBf、J、成反比: （）ceA?mSBfJ??因此當(dāng)電流密度和磁通密度一定的時(shí)候，提高工作頻率可以大大減小高頻變壓器的體積和重量，從而減小了高頻變壓器的體積和重量。但同時(shí)，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(shù)， 是頻率指數(shù)。1/50P由上式可見頻率的升高會引起鐵芯損耗的增加，為了減少損耗，需要降低磁通密。所以綜合而言，為了達(dá)到最佳效果，必須優(yōu)化設(shè)計(jì)頻率與磁通密度之間的關(guān)。在這里，我們選用的工作頻率為 1kHz 左右。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。非晶材料磁強(qiáng)(飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá) ～) 、軟磁性能優(yōu)于硅鋼片。最適合替代硅鋼片，為用于 10kHz以下的變壓器的鐵芯。非晶材料主要有鐵基非晶合金、鐵鎳基非晶合、鐵基納米合金( 超微晶合金) 等，其特點(diǎn)有：高強(qiáng)韌性，優(yōu)良的磁性及靈活的處理藝。 高強(qiáng)韌性：明顯高于傳統(tǒng)的鋼鐵材料，可以作復(fù)合增強(qiáng)材料。國外己經(jīng)把塊狀非晶合金應(yīng)用于高爾夫球擊球拍頭和微型齒輪。非晶合金絲材可用在結(jié)構(gòu)零件中，起強(qiáng)化作用。另外，非晶合金具有優(yōu)良的耐磨性，再加上它們的磁性，可以制造各種磁頭。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(dǎo)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。靈活的處理工藝：和其它磁性材料相比，非晶合金具有很寬的化學(xué)成分范圍，而且即使同一種材料，通過不同的后續(xù)處理能夠很容易地獲得所需要的磁性。所以非晶合金的磁性能是非常靈活的，選擇余地很大。相對于超薄硅鋼片而言，非晶材料價(jià)格較貴，硬度較高、加工較困難，但其磁性較強(qiáng)(飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá) )、軟磁性能優(yōu)于硅鋼片，較為適合邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21替代硅鋼片，作為用于中高頻變壓器的鐵芯。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(shí)間工作。以它為鐵芯制造的配電變壓器空載損耗較硅鋼 S9 系列下降 75%,負(fù)載損耗較 59 系列下降 25%。 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(diào)制，同步解調(diào)以及電壓等級變換，為了使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jīng)過一個(gè)單相全橋變換器調(diào)制為高頻信號，該全橋變換器的驅(qū)動信號是頻率為1000Hz，占空比為 50%的高頻方波。因此，全橋變換器的輸出也為 1000Hz的高頻方波。該交流電流經(jīng)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(zhuǎn)換為直流信號。電路結(jié)構(gòu)與控制信號見圖 。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是控制系統(tǒng)簡單，同步問題容易解決。如果不考慮高頻變壓器的過渡過程，中間隔離級可以看作一個(gè)比例放大器： 12dcdcuk?（）式中：k 為高頻變壓器變比。圖 隔離級電路結(jié)構(gòu)高 頻 變 壓 器單 相 全 橋 變 換 器 單 相 全 橋 變 換 器Ed邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jié)構(gòu)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(gòu)成輸出環(huán)節(jié)。由此可以知道，HFT 的輸出級與輸入級模型是一樣的，只是工作時(shí)的具體參數(shù)不一樣，即一端工作在整流狀態(tài)，另一端工作在逆變狀態(tài)。 T1 T3 T5T4 T6 T2VD/2VD/2 abc邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23圖 電壓型三相橋式逆變器其工作原理為：當(dāng) 導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn) a 接于直流電源正端， ；當(dāng)1T 2/DaoVv?導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn) a 接于直流電源負(fù)端， 。同理，b 和 c 點(diǎn)也是根據(jù)4T 2/DoVv??上下管導(dǎo)通情況決定其電位的。按圖 中依順序標(biāo)號的開關(guān)器件其驅(qū)動信號之間相差 60 度。若每個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動信號持續(xù) 180 度，則在任何時(shí)候都有三個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，并按照 ，4，5，6，1，2 的順序?qū)?，從而能獲得所示的線電壓。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。在圖 中 120 度寬的方波幅值為 ，若令 的時(shí)間坐標(biāo)零點(diǎn)取為 NDVabv點(diǎn)，縱坐標(biāo)為 Ny，則 120 度寬方波電壓瞬時(shí)值的傅立葉分析結(jié)果為： ?????? ???? .13sinsi17sin5si1in32)( tttttVtvDab ????（）線電壓基波幅值 ??（）無三次諧波，僅有更高階奇次諧波，n 次諧波的幅值為基波幅值的 1/n。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形。面積等效原理是 PWM 控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。 原理內(nèi)容：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。 效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 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。 將圖 、 b、c 、d 所示的脈沖作為輸入，加在圖 所示的 RL 電路上，設(shè)其電流 i(t)為電路的輸出，圖 給出了不同窄脈沖時(shí) i(t)的響應(yīng)波形。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(yīng)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(gè)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。 把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）25沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是 PWM 波形。 脈沖的面積（沖量）按正弦規(guī)律變化。 脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形。由直流電源供電， SPWM 波形是等幅不等寬。基于等效面積原理，PWM 波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。 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(jì)算法和調(diào)制法。由于計(jì)算法比較繁瑣，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。而調(diào)制法相對簡單很多，因此現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用的主要是調(diào)制法。調(diào)制法：把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形。 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(yīng)用最多。高頻變壓器 PWM 逆變電路可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)際應(yīng)用的邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）26PWM 逆變電路幾乎都是電壓型電路，因此我在本文應(yīng)用的是電壓型單相橋式PWM 逆變電路、三相橋式 PWM 逆變電路。單相橋式 PWM 逆變電路如圖 所示電路工作過程：工作時(shí) 和 通1V2斷互補(bǔ)， 和 通斷也互補(bǔ)，比如在 正半周， 導(dǎo)通， 關(guān)斷， 和3V4 0u1V23交替通斷。4負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。在負(fù)載電流為正的區(qū)間， 和 導(dǎo)通時(shí)， = 。 關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流1V40udU4通過 和 續(xù)流， =0。在負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，仍為 和 導(dǎo)通時(shí)，因1V3D0u 1V為負(fù)，故 實(shí)際上從 和 流過，仍有 = 。 關(guān)斷， 開通后，0i0i14D0d43從 和 續(xù)流， =0。 總可以得到 和零兩種電平。在 的負(fù)半周，310 0u讓 保持通態(tài)， 保持?jǐn)鄳B(tài)， 和 交替通斷，負(fù)載電壓 可以得到 和2 3V4 dU零兩種電平。 圖 單向橋式 PWM 逆變電路圖雙極性 PWM （調(diào)制法）控制方式：在調(diào)制信號 和載波信號 的交點(diǎn)rucu時(shí)刻控制各開關(guān)器件的通斷。在 的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得ru的 PWM 波也是有正有負(fù)，在 的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的 PWM 波只有177。 兩dU種電平。在 的正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng) 時(shí)， 和ru ruc1V導(dǎo)通， 和 關(guān)斷，這時(shí)如 0，則 和 通，如 0，則 和 通，4V23V0i1V40iD4不管哪種情況都是 = 。當(dāng) 時(shí)， 和 導(dǎo)通， 和 關(guān)斷，這時(shí)如0dUruc231V4V1VD1 V3LR V4u0V2VD2Uduruc信 號 波載 波 調(diào) 制電 路邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）270，則 和 通，如 0，則 和 通，不管哪種情況都是 = 。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。 圖 三相橋式 PWM 型逆變電路V1VD1 V5VD5V2VD2V4VD4調(diào) 制電 路 D3V6VD6CCUd/2Ud/2 3UVWNurVrWuc邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）28圖 三相橋式 PWM 逆變電路波形 三相橋式 PWM 逆變電路（調(diào)制法） ，采用雙極性控制方式。U 、V 和 W三相的 PWM 控制通常公用一個(gè)三角波載波 ，三相的調(diào)制信號 、 和curUur依次均相差 120176。 rWu電路工作過程（U 相為例）當(dāng) 時(shí)，上橋臂 導(dǎo)通，下橋臂 關(guān)斷，則 U 相相對于直流電源假rc1V4V想中點(diǎn) N’的輸出電壓 = / 2。當(dāng) 時(shí)， 導(dǎo)通 關(guān)斷，則 =NUu?drUuc41VNUu?/2。 和 的驅(qū)動信號始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給 ( )加導(dǎo)通信號時(shí)，可能是d1V4 1( )導(dǎo)通，也可能是二極管 ( )續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負(fù)載中電流的14 1D4方向來決定?？梢钥闯?、 和 的 PWM 波形都只有177。 /2 兩種電平。 NUu?V?NW? d輸出線電壓 PWM 波由177。 和 0 三種電平組成。 當(dāng)臂 1 和 6 導(dǎo)通時(shí)，d= 。當(dāng)臂 3 和 4 導(dǎo)通時(shí)， = 。1 和 3 或臂 4 和 6 導(dǎo)通時(shí)， =0。 rVudUrV rVu負(fù)載相電壓 可由下式求得 UNu ()39。39。39。39。 WNVUNu???邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）29從波形和上式可以看出，負(fù)載相電壓的 PWM 波由(177。2/3) 、(177。1/3) 和dUd0 共五種電平組成。為了防止上下兩個(gè)臂直通而造成短路，切換時(shí)要留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時(shí)間。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）304 建模仿真及結(jié)果分析 MATLAP/Simulink 簡介 MATLAB 是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory ）的簡稱。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、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。 當(dāng)前流行的 MATLAB 和三十幾種工具包(Toolbox )。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。功能工具包用來擴(kuò)充 MATLAB 的符號計(jì)算,可視化建模仿真,文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能。學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)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。 MATLAB 和 Mathematica、Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)