逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，随着现代电力电子技术的迅猛发展，逆变电源在许多领域的应用也越来越广泛，同时对逆变电源输出电压波形质量提出了越来越高的要求。逆变电源输出波形质量主要包括三个方面：一是输出稳定精度高；二是动态性能好；三是带负载适应性强。因此开发既具有结构简单，又具有优良动、静态性能和负载适应性的逆变电源，一直是研究者在逆变电源方面追求的目标。本文对逆变电源三闭环控制方案、输出相位控制、逆变电源数字化控制系统进行研究，以期得到具有高品质和高可靠性的逆变电源。 本文研究了单相全桥逆变电源与三相桥式逆变电源主电路参数，包括逆变器、吸收电路、驱动电路、变压器和滤波器，并对逆变电源变压器的偏磁产生原因进行了深入分析，最后给出了有效的抗偏磁措施。针对三相桥式逆变电源通常不能保证三相电压输出平衡，研究了一种可以带不平衡负载的三相逆变电源。研究了逆变电源的控制原理，建立了逆变电源系统动态模型，在此基础上对逆变电源的各种控制方案的性能进行了对比研究，从而确定了一种新颖的高性能逆变电源多闭环控制方案。另外，针对逆变电源输出相位存在固有滞后问题，采用了一种利用电压瞬时值内环对逆变电源滞后的相角进行补偿控制的策略，分析表明上述控制策略虽然有效，但无法做到输出相角稳态无差，对此，提出一种移相控制方案设想，相当于在原多环控制方案的基础上加了一个相位控制环。这样可以使逆变电源输出相位误差得到有效的补偿，输出相位精度更高。文章设计了逆变电源数字控制系统，采用TMS320LF2407A控制产生SPWM波，给出控制系统DSP程序运行流程图，并用DSP对其进行了实现数字化。多环反馈控制系统的采用，使系统具有优异的稳态特性、动态特性和对非线性负载的适应性，使逆变电源的性能得到有效提高。
上传时间： 2013-04-24
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逆变器广泛应用于工业生产的各个方面，数字控制具有方便实现复杂算法、抗干扰性强和产品容易升级等优点，已成为未来逆变器的发展趋势。使用数字技术控制设计逆变器，控制器的性能决定了逆变系统系统的性能。然而在很多高频应用的场合，目前常用的控制器的速度往往不能完全达到要求。与传统单片机和DSP芯片相比，FPGA器件具有更高的处理速度。同时FPGA应用在数字化逆变器设计中，还可以大大简化控制系统结构，并可实现多种高速算法，具有较高的性价比。在逆变器的全数字化控制领域，FPGA具有很好的应用价值。 论文首先介绍了SPWM基本原理及其控制方式，SPWM的生成方法，并结合本课题给出了查表法生成SPWM波的一般方法，且以单相全桥逆变器为例进行了仿真。分析其的电路特点，建立PWM逆变器的统一电路模型、连续状态空间以及离散状态空间模型，在此数学模型基础上，针对逆变器研究分析了目前用于逆变器设计的各种数字控制技术、控制方案，讨论了其控制方法的优缺点，相关控制器设计的一般问题，最后比较了其优缺点，指出其存在的共性问题，总结了使用FPGA设计逆变器数字控制器的优势。然后以单相电压型PWM逆变器为控制模型采用新型模数结合现场可编程门阵列FPGA实现数字化控制器的方案，给出了纯正正弦波逆变器的设计方案。 论文详细论述了采用模数混合型FPGA作为主控芯片的高频逆变器设计方法与实现过程。系统主控芯片采用Fusion系列AFS600，世界上首个模数混合型FPGA。主要设计要点包括：逆变器硬件电路设计以及SPWM数字控制系统软件设计。外围强电电路的设计的难点在于用于前端升压的高频变压器的设计以及输出端LC滤波电感与电容的选取。另外，SPWM“H”字全桥逆变电路中的高悬浮电压也是设计中需要值得注意的重要环节。在控制系统软件设计方面，采用FPGA自上而下的设计方法，对其控制系统进行了功能划分，完成了SPWM产生器以及加入死区补偿的PWM发生器、和反馈等模块的设计。 论文的结束部分给出了设计结果，并指出了进一步的工作的思路和方向。
上传时间： 2013-05-19
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数字技术、电力电子技术以及控制论的进步推动弧焊电源从模拟阶段发展到数字阶段。数字化逆变弧焊电源不仅可靠性高、控制精度高而且容易大规模集成、方便升级，成为焊机的发展方向，推动了焊接产业的巨大发展。针对传统的埋弧焊电源存在的体积大、控制电路复杂、可靠性差等问题，本文提出了双逆变结构的焊机主电路实现方法和基于“MCU+DSP”的数字化埋弧焊控制系统的设计方案。 本文详细介绍了埋弧焊的特点和应用，从主电源、控制系统两个方面阐述了数字化逆变电源的发展历程，对数字化交流方波埋弧焊的国内外研究现状进行了深入探讨，设计了双逆变结构的数字化焊接系统，实现了稳定的交流方波输出。 根据埋弧焊的电弧特点和交流方波的输出特性，本文采用双逆变结构设计焊机主电路，一次逆变电路选用改进的相移谐振软开关，二次逆变电路选用半桥拓扑形式，并研究了两次逆变过程的原理和控制方式，进行了相关参数计算。根据主电路电路的设计要求，电流型PWM控制芯片UC3846用于一次逆变电路的控制并抑制变压器偏磁，选择集成驱动芯片EXB841作为二次逆变电路的驱动。 本课题基于“MCU+DSP”的双机主控系统来实现焊接电源的控制。其中主控板单片机ATmega64L主要负责送丝机和行走小车的速度反馈及闭环PI运算、电机PWM斩波控制以及过压、过流、过热等保护电路的控制。DSP芯片MC56F8323则主要负责焊接电流、焊接电压的反馈和闭环PI运算以及控制焊接时序，以确保良好的电源外特性输出。外部控制箱通过按键、旋转编码器进行焊接参数和焊接状态的给定，预置和显示各种焊接参数，快速检测焊机状态并加以保护。 主控板芯片之间通过SPI通讯，外部控制箱和主控板之间则通过RS—485协议交换数据。通过软件设计，实现焊接参数的PI调节，精确控制了焊接过程，并进行了抗干扰设计，解决了影响数字化埋弧焊电源稳定运行的电磁兼容问题。 系统分析了交流方波参数的变化对焊接效果的影响，通过对焊接电流、焊接电压的波形分析，证明了本课题设计的埋弧焊电源能够精确控制引弧、焊接、 收弧等焊接时序，并可以有效抑制功率开关器件的过流和变压器的偏磁问题，取得了良好的焊接效果。 最后，对数字化交流方波埋弧焊的控制系统和焊接试验进行了总结，分析了系统存在的问题和不足，并指出了新的研究方向。 关键词：埋弧焊；交流方波；数字化；逆变；软开关技术
上传时间： 2013-04-24
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变频器在各行各业中的各种设备上迅速普及应用，已成为当今节电、改造传统工业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、提高产品质量以及推动技术进步的主要手段之一，是国民经济和生活中普遍需要的新技术。但是现有变频器的调制算法尚存在一些缺点，如开关损耗大和共模电流大等，因此有必要研究和设计高性能调制算法的变频控制器。鉴于此，开展了以下工业变频器高性能调制算法为对象的研究内容： 在阐述了工业变频器系统的结构、调制算法、调速算法的基础上，结合数学模型，分析了共模电压产生的原理、共模电流其影响和危害，给出了共模电压和共模电流的关系。总结其他的抑制共模电压的方案基础上，提出一种新的共模电压抑制SVPWM；还阐述了死区产生的原因及其影响，以及死区补偿的原理并将上述两个调制算法利用MATLAB/SIMULINK软件对该系统给予了全面的仿真分析。 变频器硬件部分设计包括整流滤波电路、逆变器功率电路、上电保护电路、DSP控制系统及其外围电路、IGBT驱动及保护电路以及反激式开关电源，对于传感器检测滤波电路的具体电路参数设计，是在PSPICE上仿真基础上得出。并在考虑成本、EMC、效率等因素后考虑完成了所有硬件相关的原理图绘制和PCB绘制； 变频器软件部分设计包括主程序、键盘扫描程序、系统状态处理程序、PWM发送中断程序、电机启动函数、电压调整程序、AD采样中断程序以及故障保护中断程序。在实现一般SVPWM的基础上，根据之前理论和仿真得到的共模电压抑制SVPWM、以及死区补偿算法，将这两个对SVPWM进行改进的调制算法在硬件平台上实现。 在硬件电路完成设计的各个阶段，逐渐编制相应的控制程序，并进行调试，并完成整个程序的编制和调试。此外，还调试了系统所需的反激式开关电源。整个系统调试中遇到了很多问题，如键盘消除抖动问题、共模电压抑制SVPWM出现的直通现象等。最终完成了工业变频器样机，并且采用的是文章中研究的调制算法，效果良好，达到设计的目的； 提出了一种将有源功率因数校正(PFC)技术引用到串级调速中来提高定子侧功率因数的新方法。通过建立电动机折算到转子侧的等值电路，重点分析了有源PFC技术代替传统串级调速系统中的不控整流桥后，系统可以等效为转子串电阻调速。得到了等效串电阻的计算公式和变化趋势，对电动机功率因数、电磁转矩脉动也进行了分析，发现能够比传统串级调速时有所提升。鉴于电动机转子侧电势频率非常低，分析了有源PFC的具体实现的特殊考虑和参数选取方法，并基于对称平衡的Scott变压器和两个单相有源PFC电路实现了绕线电动机转子侧的三相有源低频PFC，得到超低纹波的直流输出电压。利用MATLAB建立了完整的仿真平台，所得结果验证了理论分析的正确性。
上传时间： 2013-07-09
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超声波电源广泛应用于超声波加工、诊断、清洗等领域，其负载超声波换能器是一种将超音频的电能转变为机械振动的器件。由于超声换能器是一种容性负载，因此换能器与发生器之间需要进行阻抗匹配才能工作在最佳状态。串联匹配能够有效滤除开关型电源输出方波存在的高次谐波成分，因此应用较为广泛。但是环境温度或元件老化等原因会导致换能器的谐振频率发生漂移，使谐振系统失谐。传统的解决办法就是频率跟踪，但是频率跟踪只能保证系统整体电压电流同频同相，由于工作频率改变了而匹配电感不变，此时换能器内部动态支路工作在非谐振状态，导致换能器功率损耗和发热，致使输出能量大幅度下降甚至停振，在实际应用中受到限制。所以，在跟踪谐振点调节逆变器开关频率的同时应改变匹配电感才能使谐振系统工作在最高效能状态。针对按固定谐振点匹配超声波换能器电感参数存在的缺点，本文应用耦合振荡法对换能器的匹配电感和耦合频率之间的关系建立数学模型，证实了匹配电感随谐振频率变化的规律。给出利用这一模型与耦合工作频率之间的关系动态选择换能器匹配电感的方法。经过分析比较，选择了基于磁通控制原理的可控电抗器作为匹配电感，通过改变电抗控制度调节电抗值。并给出了实现这一方案的电路原理和控制方法。最后本文以DSP TMS320F2812为核心设计出实现这一原理的超声波逆变电源。实验结果表明基于磁通控制的可控电抗器可以实现电抗值随电抗控制度线性无级可调，由于该电抗器输出正弦波，理论上没有谐波污染。具体采用复合控制策略，稳态时，换能器工作在DPLL锁定频率上；动态时，逐步修改匹配电抗大小，搜索输出电流的最大值，再结合DPLL锁定该频率。配合PS-PWM可实现功率连续可调。该超声波换能系统能够有效的跟随最大电流输出频率，即使频率发生漂移系统仍能保持工作在最佳状态，具有实际应用价值。
上传时间： 2013-04-24
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谐振变换器相对硬开关PWM变换器，具有开关频率高、关断损耗小、效率高、重量轻、体积小、EMI噪声小、开关应力小等优点。而LLC谐振变换器具有原边开关管易实现全负载范围内的ZVS，次级二极管易实现ZCS谐振电感和变压器易实现磁性元件的集成，以及输入电压范围宽等优点，因而得到了广泛的关注。 本文对谐振变换器的基本分类和各种谐振变换器的优缺点进行了比较和总结，并与传统PWM变换器进行了对比，总结出LLC谐振变换器的主要优点。并以400W LLC谐振变换器为目标设计，LLC前级使用APFC电路，后一级是LLC谐振变换器。 首先，基于FHA(基波分析法)的方法对LLC谐振变换器进了稳态电路的分析，并详细阐述了LLC谐振变换器在各个开关频率范围内的工作原理和工作特性。随后，文章详细比较了LLC谐振变换器与传统的谐振变换器和半桥PWM变换器不同之处。 然后，文章分别采用分段线性法和扩展描述函数法建立了LLC谐振变换器的小信号模型。由于分段线性法建立的小信号模型仅考虑了LLC谐振变换器工作在满负载的情况下，为了建立更具一般性的模型，论文又采用了扩展描述函数法建模，用以指导控制环路的设计。 接着，论文对整个系统进行了综合设计。文章给出了APFC部分的主电路和控制补偿回路的具体设计；同时，也做出了LLC谐振变换器主电路的具体设计，而LLC谐振变换器控制回路的设计，仍需要更深一步的研究，并需提出一种切实可行的设计方法。 最后，采用Pspiee软件建立了仿真模型。仿真结果得出LLC谐振变换器能在负载和输入电压变化范围都很大的情况下实现输出电压的稳定调节，并能实现场效应管和二极管的软开关，验证了理论分析的正确性；由于实验条件的限制，制作的实验电路板处于调试之中，希望进一步验证理论设计的正确性。
上传时间： 2013-04-24
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应用于煤矿、石化等易燃易爆环境的电子设备必须满足防爆的要求，本质安全型是最佳的防爆形式。本质安全型开关电源具有重量轻、体积小、制造工艺简单、成本低、安全性能高等优点，因而具有广阔的发展前景。单端反激变换器是开关变换器的一种基本的拓扑结构，在实际中应用比较广泛，因此对单端反激变换器进行本质安全特性分析是本质安全开关电源设计的重要基础。本质安全型开关变换器的设计，主要是对变换器中的储能元件进行设计，即变换器中的电感和输出滤波电容进行设计。 本文对变换器的静态特性进行了深入分析，指出反激变换器存在三种工作模式：CISM-CCM、IISM-CCM和DCM：得出了变换器工作在整个动态范围内的最大输出纹波电压、最大电感电流和最大输出短路释放能量。对单端反激变换器的本质安全特性进行了分析，得出输出本质安全型单端反激变换器的非爆炸判断方法，并通过安全火花试验装置对变换器进行爆炸性试验，验证了输出本安判据的正确性。得出输出本质安全型单端反激变换器的设计方法，以同时满足输出纹波电压和输出本安要求作为约束条件，得到了本质安全型单端反激变换器电感、电容参数的设计范围。给出了具体实例，并进行仿真和试验研究，仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和设计方法的可行性。
上传时间： 2013-06-25
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近些年来，随着电力电子技术的发展，电力电子系统集成受到越来越多的关注，其中标准化模块的串并联技术成为研究热点之一。输入并联输出串联型(Input-Parallel and Output-Series，IPOS)组合变换器适用于大功率高输出电压的场合。 要保证IPOS组合变换器正常工作，必须保证其各模块的输出电压均衡。本文首先揭示了IPOS组合变换器中每个模块输入电流均分和输出电压均分之间的关系，在此基础上提出一种输出均压控制方案，该方案对系统输出电压调节没有影响。选择移相控制全桥(Full-Bridge，FB)变换器作为基本模块，对n个全桥模块组成的IPOS组合变换器建立小信号数学模型，推导出采用输出均压控制方案的IPOS-FB系统的数学模型，该模型证明各模块输出均压闭环不影响系统输出电压闭环的调节，给出了模块输出均压闭环和系统输出电压闭环的补偿网络参数设计。对于IPOS组合变换器，采用交错控制，由于电流纹波抵消效应，输入滤波电容容量可大大减小；由于电压纹波抵消作用，在相同的系统输出电压纹波下，各模块的输出滤波电容可大大减小，由此可以提高变换器的功率密度。 根据所提出的输出均压控制策略，在实验室研制了一台由两个1kW全桥模块组成的IPOS-FB原理样机，每个模块输入电压为270V，输出电压为180V。并进行了仿真和实验验证，结果均表明本控制方案是正确有效的。
上传时间： 2013-06-17
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高压直流电源广泛应用于医用X射线机，工业静电除尘器等设备。传统的工频高压直流电源体积大、重量重、变换效率低、动态性能差，这些缺点限制了它的进一步应用。而高频高压直流电源克服了前者的缺点，已成为高压大功率电源的发展趋势。本文对应用在高输出电压大功率场合的开关电源进行研究，对主电路拓扑、控制策略、工艺结构等方面做出详细讨论，提出实现方案。 高压变压器由于匝比很大，呈现出较大的寄生参数，如漏感和分布电容，若直接应用在PWM变换器中，漏感的存在会产生较高的电压尖峰，损坏功率器件，分布电容的存在会使变换器有较大的环流，降低了变换器的效率。本文选用具有电容型滤波器的LCC谐振变换器为主电路拓扑，它可以利用高压变压器中漏感和分布电容作为谐振元件，减少了元件的数量，从而减小了变换器的体积。 LCC谐振变换器采用变频控制策略，可以工作在电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)，本文对这两种工作模式进行详细讨论。针对CCM下的LCC谐振变换器，本文分析其工作原理，用基波近似法推导出变换器的稳态模型，给出一种详尽的设计方法，可以保证所有开关管在全负载范围内实现零电压开关，减小电流应力和开关频率的变化范围，并进行仿真验证。基于该变换器，研制出输出电压为41kV，功率为23kW的高频高压电源，实验结果验证了分析与设计的正确性。 针对DCM下的LCC谐振变换器，本文分析其工作原理，该变换器可以实现零电流开关，有效地减小IGBT拖尾电流造成的关断损耗。论文通过电路状态方程推导出变换器的电压传输比特性，在此基础上对主电路参数进行设计，并进行仿真验证。基于该变换器，研制出输出电压为66kV，功率为72kW的高频高压电源，实验结果表明了方案的可行性。
上传时间： 2013-04-24
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近年来在运动控制领域三电平中压变频器的开发研究得到了广泛关注，三电平逆变器使得电压型逆变器的大容量化、高性能化成为可能，研究和开发三电平逆变器，无论在技术上还是在实际应用上都有十分重要的意义。 本文首先论述了三电平逆变器的原理，详细分析了一种控制策略—空间电压矢量法，给出PWM波的计算公式和开关动作次序，并仿真出波形。 其次阐述了三电平逆变器的主电路构成、功率器件MOSFET的驱动技术和基于DSP2407A控制系统硬件电路设计，并据此设计出了一套小容量三电平逆交器实验装置。 最后介绍了三电平空间电压矢量控制算法的实现和软件设计，给出了实验装置的运行结果，并分析了设计中存在的问题。
上传时间： 2013-04-24
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