直流—直流变换器（精选十篇）
直流—直流变换器 篇1
直流电网和多端直流输电技术目前已经受到了工程和学术界的广泛关注[1,2,3,4,5,6]。互联两个不同电压等级的直流系统时需要使用到直流—直流(DC-DC)变换器[7,8]。目前国内外学者针对DC-DC变换器拓扑展开了一系列研究,提出了多种拓扑[9,10,11,12,13]。
文献[9]提出了一种面对面连接的直流—交流—直流技术,但该种拓扑存在换流器成本高,运行损耗大的缺点。文献[10]通过中频变压器将模块化多电平变换器连接起来,但高功率中频变压器的制造十分困难。文献[11]提出了一类DC-DC自耦变压器技术,该技术相比于传统的直流—交流—直流技术可大大节省换流器成本和降低传输损耗,但仅适用于中低电压变比的直流输电场合,无法用于高电压变比的直流输电场合。文献[12,13]提出了一类利用电感—电容—电感回路变压的DC-DC技术,可提供高直流升压比,且无需交流变压器,从而大大降低成本和重量,并避免了铁芯损耗。
上述文献[9,10,11,12,13]所提出的DC-DC变换器均为双向DC-DC变换器,功率可以在两个直流系统之间双向流动。但在直流风场、光伏直流并网等特定应用场合中,直流功率仅需要单向流动,因此DC-DC变换器此时可采用单向结构以进一步节约成本。
本文针对以上改进现有LCL型DC-DC变换器的需求,在文献[12,13]的基础上,提出了一种单向LC型DC-DC变换器。本文将依次从该拓扑的设计、有功功率控制以及直流故障下的穿越能力分别展开研究。
1 单向LC型直流变换器拓扑设计
1.1 换流器拓扑
图1为单向LC型DC-DC变换器拓扑。该拓扑用于连接两个不同电压等级的直流系统,即中、低电压等级的直流系统及高电压等级的直流系统。该拓扑主要由一个电压源型换流器(VSC)、一个三相不控整流桥,以及连接它们的LC交流链路组成。本文主要关注该类新型DC-DC变换器的交流链路参数设计与控制,VSC在图1中以两电平VSC等效[12,13]。
由图1可得,该变换器不含交流变压器,一方面不存在铁芯损耗,提升了该变换器的效率;另一方面使得该变换器更适合在中频和高频下工作,从而降低了单向LC型DC-DC变换器体积。
1.2 基本数学方程
本节主要分析该变换器拓扑的基本数学方程。本文以逆变方向为有功功率/电流的正方向。由图1可知交流电压v1的相量形式可表示为:
式中:V1为电压的幅值;α为电压的相位角;E1为低压侧直流系统电压;V1d和V1q分别为电压的d,q轴分量。
同理可得:
式中:Vcd为电容电压相量的d轴分量;Vcq为的q轴分量。
不失一般性,令Vcd与d轴重合,式(2)可变为:
式中:E2为高压侧直流系统的电压值。
图1中基本电路方程可列写为:
式中:I1d为电感电流i1的d轴分量;I1q为i1的q轴分量;I2d为流入不控整流桥的电流i2的d轴分量;I2q为i2的q轴分量;L为交流链路的电感值;C为交流链路的电容值;ω=2πf,为LC链路的运行角频率,其中f为交流链路工作频率。
由式(4)可知:
记换流器每相传送有功功率为PN,无功功率为Q,其表达式结合式(1)至式(5)可写为:
将式(5)代入式(6)可得:
由式(6)和式(7)可知,在直流系统电压为给定值情况下,电感的设计应当主要用于满足直流系统之间额定功率的传输。而电容的设计值应当满足在换流器额定功率工况下,无功功率为零,以降低运行损耗,提高工作效率。由式(6)可得无功功率为零时的条件为:
显然,电容设计值应当结合整流桥考虑,而不控整流桥由于每周期电容充放电的交替存在,使得其谐波分析极其复杂[14,15,16],且其负载性质也将影响功率因数[16]。为简化起见,对于本例中不控整流桥的电流,令
式中:k为不控整流桥q轴与d轴电流之比。
结合式(6)和式(9)可得:
本例中取功率因数为典型值0.955[16],可得:
式中:S为换流器每相视在功率;Qdiode为二极管整流桥吸收的无功功率。
由Vcq=0,结合式(11)可得:
将式(9)代入式(12)可得:
将式(10)和式(5)代入式(4)可得电容设计公式为:
上述分析中均假定E1和E2为理想电压源,实际应用中E1和E2分别对应低电压等级及高电压等级直流系统,其电压值并不一定严格维持在其额定值。由于本文的拓扑应用于高压、大功率场合,电源内阻及线路电阻对E1和E2的影响甚少,与文献[8,9,10,11,12,13]等现有研究类似,将E1和E2简化为理想电压源其分析结果仍足够精确。
1.3 开关频率设计
由式(7)和式(14)不难看出,电感电容的器件大小与频率成反比,为达到减小器件尺寸需求,频率设计应当越大越好。但随着频率的增大,不控整流桥的损耗也将增大,造成单向LC直流变换器的效率降低[17]。本节设计的主要目标是提高换流器效率,但是换流器的大小以及重量也应当考虑。通过进一步分析与取舍,本文频率设计参考文献[12,13][12,13],最终选定1 250 Hz为最佳工作频率。
1.4 参数设计总结
由1.2节可知,电感L的设计应主要满足额定有功功率的要求。联合式(7)和式(8)可得电感L的计算公式为:
由式(15)可得,Vc需大于V1的值,否则无法得到有效的值。同时由式(1)和式(3)可知电感设计与直流系统电压值相关。
结合式(14)和式(15)可以推导得出电容值设计公式为:
综合上述内容,单向LC型DC-DC变换器拓扑的整体参数设计步骤如下。
1)给定参数为低压侧直流系统电压E1、高压侧直流系统电压E2及额定传输有功功率PN。
2)由式(1)、式(3)分别得到交流电压参数值。
3)由1.3节确定交流链路工作频率f。
4)通过式(15)和式(16)确定拓扑的L及C。
5)根据设计的参数搭建数值仿真模型,微调设计后的电容值,以确保额定直流功率下VSC的无功功率为零。
2 单向LC型直流变换器功率控制
图2所示为单向LC型DC-DC变换器的控制器框图。图中,Pref和Ppu分别为有功功率的指令值和标幺化后的实测值,Vcref和Vcpu分别为交流链路中电容电压幅值的指令值和标幺化后的实测值,m为调制信号,PI表示比例—积分。该控制器通过控制电容电压的幅值从而控制不控整流器的直流端口电压,进而控制改变直流电流,达到调控有功功率的目标。
3 单向LC型DC-DC变换器故障分析
易知当低压侧直流故障时,换流器将会闭锁,在此不做赘述。
为突出本拓扑对故障电流的内在限制能力,本文主要分析在高压侧直流故障时,换流器的不闭锁运行。假设换流器在故障前工作在额定功率下。高压侧故障后,故障通路如图3所示,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)T1至T6均不闭锁,i1,i2,i1dc,i2dc电流流向均与图1中相同,由于E2为零,可知电容电压vc也将为零。下面将理论推导故障电流稳态值。
由式(5)可得高压侧故障时:
式中:I1dft2为高压侧直流故障后i1稳态值的d轴分量;I1qft2为高压侧直流故障后i1稳态值的q轴分量。
i1在高压侧极对极直流故障后的稳态幅值为:
将式(17)代入式(18)并考虑式(5)可得:
由式(19)可得高压侧故障后交流电流的幅值I1mft2将小于正常运行时电流幅值。下面分析高压侧故障后图3中i2的变化。
高压侧故障后,电容电压为零,由式(4)可得:
式中:I2dft2和I2qft2分别为高压侧极对极直流故障后i2稳态值的d,q轴分量。
于是可得i2的稳态幅值为:
类似式(19)的推导,可得:
式中:s为单向LC型DC-DC变换器直流升压比。
可知I2mft2/I2m随着s增大而逐渐减小。表1列出了高压侧极对极直流故障时,I1mft2/I1m和I2mft2/I2m与升压比s的关系。由表1可得,当s取典型值10时,该比值仅为1.004。
综上所述,当高压侧故障时,图3中i1的故障电流稳态值的幅值将会小于额定功率运行时i1的幅值,i2的故障电流稳态值的幅值将会大致与额定功率运行时i2的幅值相等。
4 仿真验证
4.1 测试系统参数
为了验证所提单向LC型DC-DC变换器的技术可行性,在PSCAD/EMTDC下搭建了如图1所示的30 MW测试系统,测试系统参数如下:有功功率为30 MW,直流电压E1为20 k V,直流电压E2为200k V,电压变比为10,交流链路运行频率为1 250 Hz,二极管导通电阻为0.002Ω,交流链路电感为8m H,交流链路电容为1.96μF。
4.2 有功功率阶跃响应
测试系统采用第2节中有功功率控制方式。有功功率阶跃响应曲线如图4所示。
从0.1 s开始至0.3 s时,该换流器功率指令值由0逐渐增加到1(标幺值),此后换流器工作在额定功率下。在0.6 s时,换流器功率指令值由1(标幺值)降为0.2(标幺值),在1 s时,功率指令值恢复到1(标幺值)。由图4可知,单向LC型DC-DC换流器能精确地跟踪有功功率指令值。可以证明,本文提出的有功功率控制方式是正确有效的。
4.3 高压侧直流故障
图5为高压侧极对极直流故障时,单向LC型DC-DC变换器的响应曲线。0.6 s时,在E2处施加正极对负极直流永久故障。
由图5(b)(c)可知,故障后i1和i2的幅值均未超过额定值的两倍,仍能维持运行,且故障后电流稳态值与故障前幅值的比值与表1中数值相符。可知3.1节中理论推导正确。
由图5(d)(e)可知,故障发生后i1dc将很快下降,i2dc短暂上升,但仅为额定运行时的1.3倍,稳态时幅值与故障前幅值大致相等,与3.1节中理论推导相符。
当高压侧发生极对极直流故障后,T1至T6的电压、电流波形相似,取T1为研究对象。由图5(f)(g)可知,高压侧极对极故障后,电压、电流瞬时值短暂增大,但均在IGBT可承受范围之内,所以并未产生过电压与过电流现象。
5 结论
本文提出了一种单向LC型DC-DC变换器,所得结论如下。
1)单向LC型DC-DC变换器受端采用不控整流桥结构,相较于常规功率双向流动拓扑,降低了变换器成本。该变换器可通过适当的参数设计实现高直流升压变比,十分适合风电、光伏并网等功率单向传输应用场合。
2)单向LC型DC-DC变换器不含交流变压器,不存在铁芯损耗,损耗低于常规直流—交流—直流技术。
3)拓扑本身具备直流故障穿越能力,直流低压侧发生直流故障时,通过闭锁VSC可以阻断故障电流;直流高压侧发生直流故障时,DC-DC变换器具有自然限制故障电流的能力,VSC承受的稳态故障电流始终小于额定运行电流,不控整流桥承受的故障电流也在其额定运行电流的1.3倍以内。
直流—直流变换器 篇2
青藏高原素有“世界屋脊”“地球第三极”之称，青藏联网工程是世界上海拔最高、施工难度最大的输电工程，高海拔施工环境极易诱发各类高原综合病症，对员工的健康危害严重。工程沿线大部分地区处于低气压、缺氧、严寒、大风、强辐射和鼠疫疫源等区域，自然环境恶劣。
为确保工程争创“安全可靠、优质高效、自主创新、经济节约、绿色环保、和谐平安”的精品工程，全面掌握高海拔超高压直流输电技术，直流建设分公司以参建青藏联网工程为平台，积极引导员工发扬“缺氧不缺斗志、缺氧不缺智慧，艰苦不怕吃苦、海拔高追求更高”的精神，强化“吃苦、吃气、吃亏、担责任”的“三吃一担”的职业操守，发扬“坚持、坚韧、坚守”的精神，提高工作质量意识、安全意识、环保意识、应急意识和总结意识，积极践行国家电网公司核心价值观,努力提升员工的职业素养，丰富了企业文化内涵。
强化“三吃一担”的职业操守
青藏交直流联网工程具有施工环境差、工期时间紧、作业标准高等特点，直流建设分公司作为专业化管理单位，积极发挥职能优势，克服人员力量不足、管理战线长、工作任务繁重等困难，积极强化参建员工“吃苦、吃气、吃亏、担责任”的“三吃一担”职业操守，使员工履职尽责，精细工作，全力做好管理工作。
发扬“吃苦、吃亏、吃气”的敬业精神。高原施工、生活条件艰苦，为帮助员工树立吃苦思想，直流建设分公司大力宣贯工程的政治意义和时代背景，讲解直流建设分公司在直流电网建设的主导地位，使大家清楚一名国家电网员工的使命所在，主动克服个人困难，牺牲“小家”利益，换取“大家”福祉，在履行职责中彰显敬业精神。
针对个别员工有上高原“吃亏”、内地上班是“享福”的思想，直流建设分公司通过个别谈话和思想交流的方式，让员工明白参建青藏联网工程是自身能力优秀的体现，是组织认可的表现，更是为自己能力“淬火”“加钢”的好机会，消除员工思想芥蒂，使其全身心投入工作中去。工程参建者来自不同建设单位，既有国家电网公司总部员工，又有相关网省公司和网联单位的同志，一起工作需要适应和磨合，为提高工作效率，直流建设分公司提倡员工共事时多做“加法”，多“吃气”、“忍气”，树立集体意识、团队意识和协作意识，处处以工作为重，时时以大局为先，营造心齐气足干工作的氛围。
培育员工“勇挑重担、敢担职责、能肩使命”的工作本色。直流建设分公司管理工程面广、线长，很多参建员工是首次独立担负工程管理任务，为促使员工切实履行好工作职责，保证干得好、挑重任和能创优，直流建设分公司根据工程计划，规定了参建员工工作职责、任务及目标，采取“交任务、压担子、留课题”和挂钩帮带、业务指导、定期考核等方式，全面锻炼员工，提升其业务能力素质。大力开展党员“亮身份、做表率、明职责”活动，营造创先争优的浓厚氛围，激发党员的带头和表率意识，使之工作处处带头，事事争当模范。
发扬“三坚”的奉献精神
直流建设分公司监管青藏联网工程“两站一线”（格尔木和拉萨换流站、西藏段线路）任务。作为工程建设管理方，直流建设分公司以从事工程具体管理和技术指导工作为载体，强化员工“坚持、坚韧、坚守”的奉献精神，在完成工作任务中磨炼自己的精神品质，树立高尚风格。
树立克服一切困难、坚持工作到底的思想。直流建设分公司一线参建员工少，工作任务重，个个都要承担高负荷的工作量，人人几乎天天“连轴转”。时间一长，员工们难免心里打“退堂鼓”。为及时给员工从精神层面立起“防火墙”，在做好参建员工后勤保障的基础上，直流建设分公司采取先进宣讲、典型推广和评先评优等方式，鼓励员工树立克服困难、坚持到底的思想。拉萨换流站项目经理谭启斌在工地上被老鼠咬伤，头部和颈部多处被抓伤，他回绝了公司安排去内地治疗的意见，去当地医院诊治后，随即投入到工地的管理工作中，使参建同事很受鼓舞。
培养员工能打敢打硬仗、敢啃“硬骨头”的韧劲。青藏联网工程争创国优金奖目标，工艺技术要求高，加之施工环境特殊，对参加者的素质提出了很高要求。直流建设分公司积极引导员工树立能打硬仗，敢啃“硬骨头”的韧劲，面对困难不回避，面对挑战不退缩，面对难题不上交的工作态度，以直流建设分公司员工准则为参建同行树立榜样。位于唐古拉山南麓的第7标段地处沼泽地，2010年12月，在进行37基冻土基础浇筑时，气温达到零下37摄氏度，每天7级大风呼啸而过。为确保工程按时转序，直流建设分公司副总工程师张金德带领拉萨工作组其他同志，进驻现场指导。感冒了，打完点滴后继续督导，凭着一股精神拿下了这一艰难的工程。
强化攻坚克难、坚守一线的无畏精神。良好的精神状态能使人产生巨大的力量。在艰苦的条件下工作，除了能力素质外，人的精神状态也很重要。针对青藏联网工程特点，直流建设分公司注重运用典型熏陶、先进感召和英模事迹教育，强化员工攻坚克难、坚守施工一线的无畏精神。
树立“五个”意识
意识是思想集成的形态，是集中精力应对工作前的思想聚合，好的意识是一个人高标准完成工作的基础。直流建设分公司在组织员工参建过程中，注重强化员工质量意识、安全意识、环保意识、应急意识和总结意识，使大家集中精力，在一线抓管理。
强化质量和学习意识。青藏联网工程的质量和标准要求很高。直流建设分公司编制了工程建设管理大纲、创优策划、安全文明施工及环保策划、强制性条文实施策划等建设管理文件，要求员工按标准抓落实，增强质量意识，本着为国家、工程负责的精神，认真检查自身在工作中存在的不足，形成“质量就是生命”的意识，创建精品工程。
同样，作为首次参加高海拔电网工程建设，员工面临从未有过的考验，自身经验和知识在工作中需要更新。直流建设分公司要求员工养成学习意识，对高原施工工作进行经验总结和技术探索，边工作，边总结，边提高，为自身能力“补缺”。
树立安全和环保意识。青藏高原恶劣的气候和繁重的工程建设任务，对安全施工形成巨大考验。直流建设分公司利用各种机会，引导员工自觉牢固树立安全意识，按章操作，按规作业，不私自蛮干，不自作主张，并以自身良好的安全意识带动身边人，筑牢“防火墙”，绷紧“安全弦”。高原自然生态系统极其脆弱、敏感，破坏扰动后很难恢复。在施工中，直流建设分公司要求参建员工树立环保意识，把环境保护措施落实到每一个工作环节，把施工对生态环境造成的影响降到最低，把环保理念渗入到施工组织中，强化施工监管。
直流—直流变换器 篇3
随着电动汽车和混合动力汽车的发展，部分电动汽车直流转换器和电池充电器已经安装在整车上了，且极大部分是在前舱。由于整车前舱的环境恶劣，以及体积和重量的限制，采用风冷不能解决散热问题，催生了液体冷却技术的应用。电动汽车直流转换器和电池充电器的液体冷却回路如图 1所示。
由图 1可见，电动汽车上的设备使用液体冷却，不需要额外的水箱、泵和冷却器，产品的成本和体积更小，散热性能更好，产品更有竞争力。
一、SolidWorks Flow Simulation 3D模型及仿真结果
电动汽车直流转换器和电池充电器的功率不是特别大，采用液体冷却时，U型流道就可以有效的解决产品的散热问题。我们使用 SolidWorks对结构进行了 3D建模，并在此基础上使用 SolidWorks Flow simulation对 U型流道压力损失进行了仿真分析。
U型流道水压损失几大因素从图 2可知：U型流道的折弯半径（ R）；U型流道的间距（ W）；U型流道的长度（ L）；U型流道的直径（ Φ）和 U型流的流速。因此，U型流道的优化主要从这些因素入手，利用仿真软件可以方便、快捷、准确的实现 U型流道的优化设计。
1.U型流道的折弯半径（ R）对流道压力损失的仿真结果
经过一系列的仿真运算，其结果如表 1所示。
仿真结果表明：同样的条件下，流道中的直角压力损失比圆角压力损失要大。当流道中的拐角处越多，直角的压力损失越大。在条件允许的情况下，圆角尽可能地大，液体的压力损失会减少。
2. U型流道的间距（ W）对流道压力损失的影响
经过一系列的仿真运算，U型流道的间距（ W）对流道压力损失的仿真结果如表 2所示。
仿真结果表明：同样的条件下，流道的宽度对 U型流道液压损失的影响可以忽略不记。
3. U型流道的长度（ L）对流道压力损失的影响
经过一系列的仿真运算，U型流道的长度（ L）对流道压力损失的仿真结果如表 3所示。
仿真结果表明：同样的条件下，流道的长度越长，液体的压力损失越大。
4. U型流道的直径（ Φ）对流道压力损失的影响
经过一系列的仿真运算，U型流道的直径（ Φ）对流道压力损失的仿真结果如表 4所示。
仿真结果表明：同样的条件下，流道的直径越大，液体的压力损失越少。
二、结语
以上 CFD仿真分析结果表明：同样的条件下，流道中的直角压力损失比圆角压力损失要大 ；同样的条件下，流道的长度越长，液体的压力损失越大 ；同样的条件下，流道的直径越小，水的压力损失越大。
根据伯努利方程，对于水平流道上的任意一点 ：
P+ 21 ρv2=常量
直流—直流变换器 篇4
AP65200的输入电压范围是4.75 V～18 V, 为5 V和12 V总线系统提供单一器件解决方案, 输出高达2 A的连续电流及3 A的峰值电流。使用简单的外部电阻分压器, 该转换器的输出电压可设置在0.925 V～16 V的范围内。
采用了SO-8封装的AP65200集成了低导通电阻的高侧和低侧MOSFET, 有助于减少电路板面积及优化布线设计。此外, 外部可编程软启动、内置过流与过热关断保护功能可确保系统的稳定性和可靠性。
直流电路基础试题 篇5
一、填空题：
1,电路是由___,_____, 和____三部分组成,以形成电流的闭合通路.2,中间环节的作用是把 ____和 ____连接起来,形成闭合回路,并对整个电路实行___和______ 3,电源的功能是将__________能转换成_________能.4,负载的作用是将_________能转换成的___________能.5,电路的种类繁多,一般可分为__________电路和_____________电路两大类.6,在一个完整的电路中,_________的电路称为内电路;___________的电路称为外电路.7,_________的定向移动形成电流.电流的方向规定为________的运动方向,与电子移动的方向___________ 8,某段电路,UAB=2V,IAB=-1A,则该元件的作用是__________电能.9,电源电动势的方向规定为从_______极指向________极,它是_______力克服_______力移动电荷做功的结果.10,电压的方向规定为由_____端指向_____端,是_____力移动电荷做功,通过负载把电能转换成其它形式的能.11,为了防止因短路而引起的事故,在实际电路中一般都串联接入____.电路一旦发生短路或_______,它将断开电源,达到保护的目的.12,一只标有额定电压20V,额定功率1W的灯泡.现接在10V的电源下使用,则其阻值为____,实际电流是_______,实际消耗的功率为_____ 13,将标有“10V,0.25W”和“"10V,1W”的两个灯泡串联起来,接在10V的电源上工作,它们实际消耗的功率:“10V,0.25W”灯泡P1=_____W,“10V,1W”灯泡P2=____W.14,有三个阻值均为6Ω的电阻,现将它们作不同形式的联接,可以得到的四种等效电阻值分别为____,______,________,_________.15,照明电路中火线对地线的电压U=220V.电路检修时,穿上绝缘胶鞋,可操作自如不会触电.设人体电阻R1=1KΩ ,胶鞋电阻R2=210KΩ ,则加在人体上的电压U1=_____V.16,一段粗细均匀的导线,其电阻值是R,若将其从中间对折合成一根导线,则这个导线的电阻是________ 17,电源多以____与____串联的形式表示,这种电源称为电压源.18,理想电压源又称为恒压源.它的外特征是________的直线,表明电源端电压恒等于________,而________为____________ 19,有的电源可以用_______和_________并联形式表示,这种电源称为电流源.当I恒等于IS时,这样的电流源称为___________ 20,对于负载来说,一个实际的电源既可用________表示,也可用___________表示.二、选择题:
1,下列设备中,其中()必是电源.A,发电机 B,蓄电池 C,电视机 D,电炉 2,下列设备中,隶属于中间环节的是().(多)A,蓄电池 B,开关 C,熔断器 D,测量仪表 3,一般常见负载在电路中起的作用是().A,连接和控制 B,保护和测量
C,将非电能转换成电能 D,将电能转换成其他形式的能 4,普遍适用的电功率的计算公式是().A,P=IU B,P=I2R C,P=U2/R
6,适用于纯电阻电路功率计算的公式有().(多)A,P=UI B,P=I2R C,P=U2/R D,P=W/t 7,属于电工单位的是().(多)
A,马力 B,千瓦时 C,焦耳 D,瓦特
8,一根粗细均匀的电阻丝,阻值为25Ω,将其等分成五段,然后并联使用,则其等效电阻是()
A,1/25Ω B,1/5Ω C,1Ω D,5Ω
9,额定功率10W,阻值500Ω的电阻R1与15W,500Ω的电阻R2相串联后的等效电阻值及等效电阻的额定功率分别为().A,500Ω,10W B,1KΩ,20W C,1KΩ,25W D,1KΩ,15W
10,两电阻相串联,已知R1/R2=1/2,则电阻上的电压之比U1/U2,功率之比P1/P2分别是().A,U1/U2=1/2 ,P1/P2=2 B,U1/U2=2,P1/P2=4 C,U1/U2=1/2 ,P1/P2=1/2 D,U1/U2=1/2, P1/P2=1/4
11,两电阻相并联,已知R1/R2=1/2,则流入电阻的电流之比I1/I2,功率之比P1/P2分别是().A,I1/I2=2, P1/P2=2 B,I1/I2=2, P1/P2=4 C,I1/I2=1/2, P1/P2=1/2 D,I1/I2=2, P1/P2=1/4
12,两个电阻串联R1,R2时,消耗的功率分别为P1和P2.已知P1/P2=2,则R1/R2与U1/U2的比值分别是().A,R1/R2=2, U1/U2=2 B,R1/R2=2, U1/U2=1/2 C,R1/R2=1/2, U1/U2=2 D,R1/R2=1/2, U1/U2=1/2
13,两个电阻R1,R2并联时,消耗的功率分别为P1和P2.已知P1/P2=2, 则R1/R2与I1/I2的比值分别是()
A,R1/R2=2, I1/I2=2 B,R1/R2=1/2, I1/I2=2 C,R1/R2=2, I1/I2=1/2 D,R1/R2=1/2, I1/I2=1/2 14,下列说法正确的是().A电位随着参考点(零电位点)的选取不同数值而变化 B电位差随着参考点(零电位点)的选取不同数值而变化 C电路中两点的电位很高,则其间电压也很大 D电路上两点的电位很低,则其间电压也很小
15,只有在线性元件组成的电路才适用的定理或定律是().A,KCL定律 B,KVL定律 C,叠加定理 D,戴维南定理 三,判断题: 1,电路是由电源,负载和导线三部分组成.()2,中间环节的作用是把电源和负载连接起来,从而形成闭合回路,并完成对电路实行控制,保护或测量的功能.()3,蓄电池在电路中必是电源,总是把化学能转换成电能.()4,发电机是将机械能转换成电能的设备.()5,负载是电路中的用电设备,它把其他形式的能转换成电能.()6,电路是电流通过的路径,是根据需要由电工元件或设备按一定方式组合起来.()7,电荷的定向移动形成电流.()8,电流的参考方向,可能是电流的实际方向,也可能与实际方向相反.()9,电路中某两点间的电压具有相对性,当参考点变化时,电压随着变化.()10,电路中某一点的电位具有相对性,只有参考点(零势点)确定后,该点的电位值才能确定.()11,电源力所做的功与被移动电荷之比,定义为电源电动势,电动势的方向规定从电源正极指向电源负极.()12,从R=U/I可知导体的电阻与电压成正比,与电流强度成反比.()13,一根粗细均匀的电阻丝,其阻值为4Ω,将其等分为两段再并联使用,等效电阻是
2Ω.()14,如果电路中某两点的电位都很高,则该两点间的电压也很大.()15,使用直流电压表时,必须把电压表和被测电路并联,正接线柱(表的“+”端)接在高电位处,负接线柱接在低电位处.()16,使用直流电流表,必须把电流表串联在被测电路中,正接线柱(表的“+”端)接电流流出端,负接线柱接电流流入端.()17,超导材料指的是当温度下降到临界温度时,其电阻值将突然降到零的金属材料.()18,在公式R2= R1 [1+a(t2-t1)] 中,a称为导体的温度系数.a的值必须大于零.()19,在工程上,有公式R2= R1 [1+a(t2-t1)],测得R1 ,R2值后,可由此间接推算出电机,变压器的温升.()20,电阻值不随电压,电流的变化而变化的电阻,即电阻值是常数的电阻,称为线性电阻.()21,大多数材料的电阻是线性电阻,线性电阻的电流-电压特性线是曲线.()22,判断一个元件是负载还是电源,应根据电压实际极性和电流的实际方向来确定.当电压实际极性和电流的实际方向一致时,该元件是负载,消耗电能.()
23,一台简易直流电电动机正在运转中.测得电动机两端电压是10V,流进电动机的电流是1A,则可知电动机的内部等效电阻是10Ω.()
24,电气设备处于额定工作运行状态,轻载运行状态或过载运行状态.这三种情况均说明电路隶属于通路状态下.()
25,直流电压表欲扩大其量程,可以在电压表两端并联一个适当阻值的电阻.()26,要扩大直流电流表的量程,则应串联一个适当阻值的电阻.()
27,电流表的内阻应越小越好,从而可以尽量减小因电流表的接入而带来的对电路的影响.理想电流表的内阻为零.()
28,熔丝有一定额定电流,正确使用的原则是:电热线路熔丝的额定电流为1.1倍用电设备的额定电流;一台电动机线路,熔丝的额定电流是1.5-3倍电动机的额定电流.()
29,理想电压源的内阻为无穷大,理想电流源的内阻为零.()
30,电阻串联时,电阻大的分得的电压大,电阻小的分得的电压小,但通过的电流是一样的.()四,计算题:
静电场与直流电 篇6
关键词：静电场；直流电；电流方向；电压方向；基尔霍夫定律
静电场是电荷周围存在的一种特殊形式的物质，电荷之间的相互作用是通过电场实现的。对电场的任何一点来说，放在这点的电荷所受的电场力跟它的电荷的比值，总是一个常量，可以用来表示电厂的强弱叫做这一点的电场强度。电场强度是矢量，它的方向规定为正电荷所受电场力方向。除了用电场强度来描述电场的强弱及方向外，电场线也用来形象表示电场强弱及方向。电场线是在电场中画出的一系列从正电荷出发到负电荷终止的曲线，并且使曲线上每一点的切线方向都跟该点的电场强度方向一致；电场强度越大的地方，电场线越密，电场强度越小的地方，电场线越疏，沿着电场线的方向是电势降落的方向。
在复杂电路的某一段电路或一个电路元件的分析与计算时，可事先假定一个电流的方向，这个假定的方向叫做电流的“参考方向”。我们规定：若电流的“参考方向”与实际方向相同，则电流值为正值，即I>0；若电流的“参考方向”与实际方向相反，则电流值为负值，即I＜0。和分析电流一样，有时很难对电路或元件中电压的实际方向做出判断，必须对电路或元件中两点之间的电压任意假定一个方向为 “参考方向”，在电路中一般用实线箭头表示，箭头所指的方向为参考方向。当电压的“参考方向”与实际方向一致时，电压值为正，即U>0；反之，当电压的“参考方向”与实际方向相反时，电压值为负，即U＜0。电流与电压有了参考方向后，电流与电压就有了正负。
电流与电压参考方向，在应用基尔霍夫定律解决复杂电路计算中，贯穿始终。
欧姆定律是分析与计算电路的基础。如果电阻元件上的电压与通过它的电流参考方向相同，欧姆定律可表示为U=IR，如果电阻元件上电压的参考方向与电流的参考方向不同时，则欧姆定律可表示为U＝－RI。除了欧姆定律，分析与计算电路还离不开基尔霍夫电流定律和电压定律。基尔霍夫电流定律应用于节点，基尔霍夫电压定律应用于回路。
基尔霍夫电流定律是用来确定连接在同一节点上的各个支路电流之间的关系的。由于电流的连续性，电路中任何一点（包括节点）均不能堆积电荷。因此“任何一瞬时，流入任一节点的支路电流之和恒等于流出该节点的支路电流之和”，这就是基尔霍夫电流定律的基本内容。
基尔霍夫电压定律是用来确定回路中的各段电压之间的关系。“在任一回路中，从任何一点出发以顺时针或逆时针方向沿回路循行一周，回路中各段电压的代数和等于零”，这就是基尔霍夫电压定律的基本内容。为了应用基尔霍夫电压定律，必须选定回路的参考方向，当电压的参考方向与回路的循行方向一致时取正号，反之取负号。列方程时，不论是应用基尔霍夫定律或欧姆定律，首先都要在电路图上标出电流、电压或电动势的参考方向；因为方程式中的正负号是由它们的参考方向决定的，若参考方向选得相反，则会相差一个负号。
如图所示电路中，已知R1=10Ω，R2=5Ω，R3=5Ω，Us1=12v，Us2=6V。
求：R1、R2、R3所在支路电流I1、I2、I3。
解：1.先假定各支路电流的参考方向，如图所示。
2.根据KCL列出节点电流方程，由节点A得到I1+I3－I2=0。
3. 选定回路的绕行方向就是电势降落的方向，如图所示。
4. 根据KVL列出两个网孔的电压方程。
网孔AdcBbA：－I2R2－I3R3＋Us2＝０；其中I2R2、I3R3为负是因为电流与电压参考方向相反，欧姆定律用负的。
网孔AbBaA：I1R1+I2R2－Us1=０；其中Us1为负是因为它电压的方向与循行方向相反。
代入电路参数，得方程组：
I1+I3－I2=0
-6=-5I2－5I3
12=10I1+5I2
解方程组，得：I1=0.72A，I2=0.96A，I3=0.24A。
从基尔霍夫定律的应用中可以看到，电流、电压的方向问题就是解题的对错问题，足以见证电流、电压方向的重要性。如果没有静电场的电场线的形象讲解，学生就很难看出电流与电压实际方向的一致性，那么，欧姆定律正负公式推出就难讲述，欧姆定律讲不好，基尔霍夫定律就很难讲，更别说应用基尔霍夫定律解决实际问题了。所以，静电场内容是是直流电内容讲解的前提和基础，两章内容密不可分。
参考文献：
1.《大学物理教程》.山东大学出版社.
2.孙秀春.《大学物理教程思考题与习题解答》.山东工程学院.
直流—直流变换器 篇7
关键词：直流变换器,电力系统,应用探讨
随着我国通信事业的不断发展,通信电源作为通信系统中最为重要的一部分,不仅肩负着维护通信系统的安全、可靠、稳定的运行的功能之外,而且还必须保证能够持续不断的向通信设备提供稳定、高效的电源。变电站中的通信设备是作为通信设备供应电力的强力保障,从而保证供电网能够正常的运行,由于近年来的无人值守变电站正在全面的普及与发展成为数字化的变电站,所以直流变换器替代蓄电池组的发展方式已经在变电站中得到了非常广泛的引用。而且由于直流变换器的电源取消了蓄电池组,所以输入电源能够变成子变电站的直流操作电源系统,所以这样的方法就能够是的通信电源的设计制造变得非常简单,在这种情况下不仅能够降低设备方面的资金投入,而且也没有了关于蓄电池组相关维护的资金投入,所以深受广大电力用户的喜爱。通过直流变换器在电力通信系统中的应用,在替换了传统的蓄电池组通信电源的同时,而且在实际使用的过程中还存在一些负面的问题。
一、直流变换器在电力通信系统的应用要求
由于通信电源存在征集接地的供电体系,所以对于直流操作电源不接地系统的要求与直流变换器的电源模块的直流属于与输出是完全与电气设备隔离的,为此直流输出负载一侧出现的故障都不会使得直流输入侧,也不可能造成直流输入侧出现接地的现象。由于直流变换器的电源输出取消了蓄电池组,所以针对直流变换器的电源模块的应用必须要求具备负载冲击能力,这样才能够满足通信设备的冷启动以及负载浪涌的冲击要求。对于直流变换器来说,由于电源模块所采用的硬件技术都是常见的主流技术,所以在保证系统正常供电的基础之上也能够进一步实现电源的方便管理,从而实现电源系统能够不断扩容。将直流变换器电源模块输出的各种项目指标的规定必须要符合目前的电源技术标准的相关要求。
二、电力通信系统直流变换器整合
1、提升供电可靠性。为了保证输入供电的稳定、安全、可靠的性能,所以直流变换器电源模块的设计也必须要按照直流输入设计作为两路,并且每一路都要根据直流控制电源的母线或者两段母线分成一组电池系统或者两组电池系统。
2、控制变电站面积。
变电站的面积控制应该按照当地的城市用地规划面积的要求来选择。由于采用无人值班的方式来设计的变电站在计算机的监控与保护功能之下对于弱点设备的抗干扰能力有所提高,从而能够取消控制楼建筑,在城市网的变电站必须要合理适宜的利用市区街道,居民小区等,保证变电站的运输通道以及消防通道来减少占地面积。
3、网络智能化。
网络智能化变电站是一次设备和网络二次设备分层构件的,主要是指建立在IEC61850标准以及相关的通信标准基础之上的系统,通过网络智能化能够实现变电站内部的电气设备实现信息共享以及互动等功能。
三、蓄电池组的作用
蓄电池组通过不断的质量改进与提高,除了严格控制各种生产原材料、零部件以及必要的工艺之外,而且必须使用蓄电池组的出厂配件,首先,单体电池的性能优良,质量更好,对于单体电池的特性有着不同的特性,为了保证蓄电池相对可靠与稳定,从而必须要确保单体电池之间的一致性。
结束语:通过对于直流变换器在电力通信系统中代替变电站的实际应用情况来进行研究分析之后得出的相关结论,首先,直流变换器的电源对于负载冲击的能力不足,加上通信设备由于冷启动或者大电流负载浪涌冲击的情况下会造成输出电压跌落导致通信设备的重启。其次是直流供电网络所采用的保护措施是较为传统的空气开关保护措施,一旦馈电负载发生短路故障的情况是,就会由于电流故障造成了不能够空开的瞬间保护动作,造成空开不能够快速的切除故障回路,使得直流变换器的过载保护限流发生,造成电压跌落使得通信设备重启。最后就是直流变换器的电源系统设计的接线不够合理,而且无法满足提供可靠电源供电的保障与要求,针对这些问题,本文提供了相关的讨论方案,并且提出了具体的解决措施,从而保证广大电力用户的正常用电。
参考文献
[1]GB/T 19826-2005,电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求[S].GB/T 19826-2005,General Specification and Safety Requirements for DC Power Supply Equipment of Power Projects[S].
[2]DL/T 1074-2007,电力用直流和交流一体化不间断电源设备[S].DL/T 1074-2007,Integrated Uninterruptible Power Supply Equipment of DC and AC for Power System[S].
自激推挽式直流变换器稳压控制方式 篇8
在PMT用电源模块领域中, 电源模块的输出电压较高, 但输出电流很小, 总的输出功率不大。但PMT对输出高压的稳定性及纹波噪声的要求很高, 尤其是测量微弱光信号时, 再加上串联调整控制方式设计简单, 而且在低功率场合比开关电源的成本要低, 所以在PMT应用领域, 串联调整的控制方式相对开关电源来说有很大的优势。但串联调整方式下, 调整管的功耗较大, 电源模块效率仅有35%, 且输出功率较大时调整管需要散热, 这导致电源模块体积不能做小。
针对以上问题, 我们在串联调整的基础上进行了改进, 通过改变调整管与自激推挽变换器的连接方式, 来达到降低功耗, 提高效率的目的。改进后的电路, 调整管的功耗有了很大的降低, 效率可达70%左右。
2 原理介绍
图1是串联调整稳压方式下, 实现高压模块的原理框图。
原理为:输入端输入直流低压, 经调整管输入到振荡电路, 逆变升压, 然后通过整流电路形成直流高压。在高压输出端, 通过采样电阻将输出信号的变化量, 反馈到运算放大器, 运算放大器将反馈信号与基准电压比较、放大后去控制调整管, 以达到稳压的目的。此图中没有给出调整管与振荡电路的具体连接方法, 根据调整管与振荡电路的连接方式不同, 可分为电源电压调整和振荡调整两种。
2.1 电源电压调整型
电源电压调整型原理见图2, 由图中可见, 调整管与振荡电路串联, 且调整管充当振荡电路的供电电源, 所以输出的功率全部由调整管提供, 这里调整管起主要的功率放大作用, 而振荡电路中两三极管工作在开关状态, 起能量的转换作用, 所以此种连接方式下, 调整管功耗很大, 电源模块整体效率不高。
2.2 振荡调整型
振荡调整型原理见图3, 由图中可见, 调整管发射极通过电阻连接到振荡三极管的基极, 调整管与振荡电路的供电, 直接由低压电源来提供, 调整管只供给振荡三极管基极所需的电流, 对振荡电路起控制作用, 而两个振荡三极管工作在放大状态, 起放大作用。因此调整管功耗大大降低, 整体效率得到了提高。
3 两种连接方式下振荡波形比较
3.1 电源电压调整型振荡波形
电源电压调整型振荡波形见图4, 因为两振荡三极管工作在开关状态, 所以两管轮流交替导通, 振荡幅度取决于输入电压, 输出功率与调整管基极电流和放大能力有关。
3.2 振荡调整型振荡波形
振荡调整型振荡波形见图5, 从波形上来看, 两振荡三极管工作在放大状态, 两管交替工作, 输出电压幅度和功率与两振荡三极管的放大能力有关。
4 实测数据对比
采用两种控制方式分别做成电源模块, 其参数对比如下, 见表1。
由表1可见, 当输出功率一定时, 采用振荡调整型电路的效率比采用电源电压调整型电路的效率, 至少高出一倍。
5 结论
从上面的分析可以看出两种电路的实质为, 电源电压调整型实际上是调整管进行功率放大, 属单管功率放大, 所以其效率较低;而改进的振荡调整型电路为两振荡三极管进行功率放大, 属双管推挽功率放大, 所以其效率比单管高了一倍。
参考文献
[1]清华大学工程物理系, 射线仪器电子学, 原子能出版社.
直流—直流变换器 篇9
针对此类问题目前提出了许多具有高升压功能的变换器拓扑结构,文献[3]提出的一种7电平级联变换器,一定程度上可以得到更好的输出波形,相对控制简单,但由于采用2H桥结构使得可控功率管数量增加,增加了系统的成本;文献[4]对级联多电平变换器最大输出电平数与波形质量、直流电压等级、模块单元数量等多个元素之间的关系进行了研究,但并没有具体分析模块级联对电感电流波纹和输出电压波纹的影响。文献[5]提出一种基于CDM单元的变换器,降低了开关管电压应力,解决了均流问题,但在更高电压、功率场合上的应用存在问题,同时系统结构整体依赖性强,不够灵活。
本文基于Boost的三电平电路对其进行级联,分析了级联型多电平Boost电路具体工作方式、原理[6,7,8]。具有以下优点:1)在平均载波移相控制方式下,探讨电感波纹与占空比之间的函数关系,减小了输入电流的纹波,从而降低了滤波设备的体积;2)分析了不同数量的模块级联时输出电压波形特性,使得输出电压纹波进一步减小,从而使得输出的波形质量更高;3)采用级联结构可以从容应对大功率、高电压场合,并且级联结构简易,每个模块可以灵活拆卸安装;4)应用在智能直流配电系统中,能够对低压直流母线电压进行调节控制,达到中压交流网与低压直流网之间的功率相互变换。
1 基本模块及工作原理
升压电路的拓扑从结构上可以分为P-cell和N-cell 2 个基本开关模块,如图1 所示。P-cell和N-cell互为镜像关系,区别在于相对于公共端N而言电流是流出的还是流入的[9,10,11]。根据Boost电路工作原理,若设主动开关管S的占空比为d则有以下公式:
其中,Vin,Vo,Iin,Io如图1 所示,可以看到正是由于开关状态变化,使得电容电感之间不断充放电,即电感中流过的电流和电容两端电压,都存在着波纹。图2所示为Boost电路在稳定状态下,电感电流和电容电压波纹。
针对本文工作在CCM模式下的Boost电路[12],电感能量计算公式如下:
其中,ΔWLC为一个开关周期(cycle)电感能量变化,分别为输入电源对其注入能量 ΔWLi和电感向负载输出能量 ΔWLo,即:
式中:TS为主动开关管S开关周期时间。
从式(5)~式(7)中可以看出电路工作在稳定状态时能量达到守恒,即 ΔWLC为0,ΔWLi和 ΔWLo相等。可以看出,当Vo和Vin关系如式(1)所示时,满足 ΔWLi和 ΔWLo相等的稳定条件,此时电路达到稳定。另一方面,电容同样具备上述能量公式,如下:
当主动开关管开关S占空比决定了电容开关周期内能量变化,也就决定了电容两端输出电压大小。反过来电容两端输出电压又决定了电感开关周期内能量变化和输入电流的大小。在占空比确定后,可以确定Boost电路的输出电压,就是由于主动开关管和二极管切换电路,而电感电容在这种切换下,电感电流和电容电压相互影响,达到一种能量上的平衡。而代表能量过程的电感电流和电容电压波纹峰峰值计算如下:
在建立平衡后,电感和电容的波纹应该尽量减小,保证电能质量。一般需要控制波纹在平均值的5%~10%以内。而当输入电压过大时,由于电感上能量变化幅度大,就要求应用更大电感值的电感,使整个电路体积增大,同时也降低了系统的响应速度。而采取级联式多电平结构,加上PWM载波移向调制技术,可以在保持较低开关频率下有效解决上述问题。
2 三电平结构及其载波移相调制
2.1 三电平结构原理分析
三电平单模块拓扑是级联型多电平Boost结构的基本单元,由图3 可以看出三电平拓扑是由上文提及的P-cell,N-Cell串联构成的。电流流入时流经N-cell,电流流出时流经P-cell。为了承担高等级电压,需要将三电平单模块进行级联,因而模块的单独设计可以使得整个级联体系构造更便捷,每个模块在输入侧为串联连接从而适应了不同电压等级的直流源,输出侧为并联结构提供相同的输出电压。
上述三电平结构,分为4 种工作状态,如图4所示,分别为S1,S2都关断,S1导通S2关断,S2导通S1关断和两开关管均导通4种情况。
从图4中可以看出,主动开关管S1,S2决定电容C1,C2充放电过程。当S1断开,电容C1充电,当S1闭合,电容C1放电;当S2断开,电容C2充电,当S2闭合,电容C2放电。设定输出端所连接负载相等,设两输出电压分别为Vo1和Vo2,两输出电流为Io1和Io2,输入电压和电流分别为Vin和Iin,2个主动开关管占空比均为d,在3电平结构达到稳态时,针对电容充放电过程有以下公式:
其中,Iox指的是Io1,Io2中的任意1个,当两输出端负载相同,输出功率平衡,可以看出2个输出电压Vo1和Vo2的大小由开关管S1,S2的占空比来决定的,改变占空比的大小能得到不同的输出电压,实现Boost的工作原理。
2.2 应用载波移相调制分析
电感上波纹过大会影响系统的整体效率,对后级系统也会造成一定的影响,为了减小电感波纹,采用载波移相调制即应用PWM技术生成两主动开关管触发信号时,将2个载波移相使二者相角相差180°,在1个开关周期中平均分配电感的2次充放电过程,以此提高了电感频率减小电感波纹,而这样的平均分配也避免了输出电压不平衡的出现。
如图5所示即为所述三电平结构在载波180°移相调制下,电容电压波纹、开关管触发信号和电感电流波纹的波形图。图5中所标明的数字0到3和图4中的工作状态相对应。可以看到电容波纹频率即为开关频率;而在占空比不等于0.5的情况下,电感波纹频率为开关频率的2倍;在占空比等于0.5 的情况下,电感波纹由于载波移相调制方式,降低到可以忽略的程度。
具体电容电压波纹和电感电流波纹计算公式如下:
对式(16)求导
不难发现二者的极大值点分别在d=0.25 和d=0.75处取得,且二者极值相等。在设计三电平结构中的电感时,应考虑d在0.25 或0.75 处的电感波纹,使其满足电能质量要求。
3 级联型多电平拓扑结构分析
3.1 级联型多电平拓扑原理分析
为了应用于更高电压等级,进一步增加电感电流波纹等效频率,可以将三电平结构进行级联,在开关频率固定的情况下,每级联1个三电平结构,将会使得电感电流波纹等效频率在数值上以2倍开关频率增大。
当假设串联的三电平结构模块数为n,开关管开关频率为fS则电感电流波纹等效频率为nfS。随着串联模块的增加,移相控制则要相应地减小各载波移相角,使得输出侧充放电均匀分布。如图6 为2 个三电平模块结构串联,针对这种拓扑结构采用移相调制技术时,需要考虑能量平均分配问题,所以移相角应为90°,即在1 个开关周期内对电感进行4次充放电过程[14,15]。
同样可以根据能量平衡原理来推出输入电压、输出电压和各开关占空比的关系,单个开关周期,电容Ck能量变化公式依然与式(8)相类似,即
式中:Iok为k路输出电流。
而电感能量变化与前文所述有些不同,由于电感两端电压变化在各个开关管动作时都会产生变化,且作用于电感的输出电压也在不断切换。单个开关周期电感能量变化公式为
式中:n为单模块三电平结构级联数;Vok为第k路输出电压。
三电平级联拓扑结构在平均移相调制、各开关管占空比和各输出功率相等的条件下,通过能量平衡的建立,电感电流与输出电流,输入电压与各输出电压和之间的关系,依然如Boost电路公式,即有:
从各个单独的输出口来看,在输出电压方面其波纹及分析过程与Boost电路无异,而比较不同的是电感波纹的分析,这也是级联三电平拓扑结构的关键问题。
3.2 特殊占空比下结构的运行特点
针对多电平的级联结构,均存在一些特殊的占空比,当各输出功率相同的前提下,在这些开关占空比下工作将使得级联多电平拓扑结构输入电流的波纹接近为0,这些特殊占空比分别为k /2n( k =0,2,…,2n)。并且在以这些特殊占空比为节点划分出的不同区域里,电感电流波纹的表现是一致的。本章以2个三电平结构级联后构成的电路为例,来分析多电平级联结构的工作原理和运行特点。
如表1 所示,2 个模块级联为在特殊节点处,占空比、开关状态和电感两端电压之间的关系表。在输出电压平衡状态下的特殊节点处,是因为应用式(22)得到Vin的值,此时由于输入输出电压等级一致,电感两端电压为0。
通过表1对特殊节点的分析,可以得出结论:在特殊节点处,输出端电容接入的数量等于(1-d)·2n。其中n依然为级联三电平模块数。以两模块级联三电平拓扑结构的1/4到2/4区间来说,电路不断在特殊节点1/4,2/4 时的等值电路之间切换。而输入电压等级介于2Vok和3Vok之间,而接入输入端的输出电压在2Vok和3Vok之间切换,这就导致拓扑结构中的电感两端电压正负间切换,产生电感电流波纹。电感电流波纹计算公式为
式(23)中,电感电流波纹关于占空比d和模块数n的函数图形如图7 所示。从图7 中可以看出,随着占空比在0 到1 之间变化电感电流波纹存在多个极大值点和0点。随着模块级联数n成比例增加,电流波纹极大值等比例减小,极大值个数等比例增加。通过本章对两模块级联拓扑的研究,分析了多种电路状态,并推导出电感波纹和各电气量之间关系式,能够通用到任意多模块级联拓扑结构。
3.3 开关管的稳态电压应力
通过表中的等效电路也可以看出,如果忽略二极管和功率管自身的导通压降,单模块时功率管开关电压应力为
而二极管承受的最大电压应力同样为Vin/2·(1-d);当两模块级联时每个功率开关管的电压应力为
二极管的最大电压应力为Vin/4(1-d)。通过式(24)、式(25)分析可知每个功率开关管电压应力即为对应的输出电压,因此对于级联模块导通和关断过程中功率管和二极管的电压在0~ Vin/2n(1- d)波动,其中n为级联模块数, 与传统的Boost变换器相比降低了功率开关的电压应力。
4 仿真
如图8~图10 所示,分别为单个三电平模块、2 个三电平模块级联和3 个三电平模块级联结构,在各输出电压(450 V)及输出功率(10 k W)相同情况下,不同占空比下的电感电流及电容电压仿真波形。可以看出,随着占空比变化,电容电压波纹呈线性变化。即随着占空比的减小,电容电压波纹减小。这与式(15)相符。而电感电流波纹则如式(21)揭示的一致,即有多个极大值点和极小值点。仿真波形在3种情况下选取了2个极大值点和1个极小值点作为对比。
如图8~图10仿真结果是在各个极值点得到的,单个模块电感波纹幅值极大值为5.6 A,极小值约等于0 A;两模块级联电感波纹幅值极大值为2.8 A,极小值约等于0 A;3 模块级联电感波纹幅值极大值为1.8 A,极小值约等于0 A。不难发现,当级联模块数增加,电感波纹极大值随之减小。参照仿真结果可以发现,两模块级联后电感波纹极大值缩小到单个模块情况下的一半,而电感波纹等效频率增加1 倍;而3 模块级联后电感波纹缩小到单个模块的三分之一,电感波纹等效频率增加3倍。正符合式(21)及图7的分析结果。
5 实验验证
搭建了5.3 k W硬件实验电路装置,通过实验对理论分析进行了详细验证,实验中的各个参数选取如表2所示。
2 个模块级联实验中明显验证了级联后可以提高输入侧的电压等级。图11 为输入电压在300 V时的4 个输出电压波形和占空比为0.5 时电感电流波形以及驱动信号。
从实验波形可以看到三电平模块级联后仍然能够较好进行电压变换,输入电压为300 V,当占空比d=0.625时,经过两模块级联输出4个平行电压分别为191.9 V,193.4 V,194.4 V,196.3 V;当占空比d=0.5时电感电流波纹仍然几乎为0 A,输出电压分别为144.30 V,144.48 V,146.03 V,147.62 V;当占空比d=0.125 时输出电压分别为82.8 V,82.5 V,85.1 V,85.5 V。2 个模块级联基本保证了4个输出电压保持平衡且在占空比特殊点处电感电流波纹趋近零值。
在实验中同时验证了模块级联后电感波纹的倍频变化,图12为单模块和两模块级联同时在输入为300 V电压下的电感电流波形,可以很明显地看到两模块级联下的电感电流波纹几乎是单模块的2倍,而电感电流波纹峰值则恰恰相反。
图13为4个功率开关管所承受的电压应力,从图中可以很明显看出取值与4个输出电压基本保持一致,这与之前的理论分析也相吻合。说明模块级联后可以降低开关管所承受的电压应力。
图14 为两模块级联下的系统整体效率曲线图,其中横坐标为输出功率,纵坐标为变换器的效率值,系统的整体效率可以维持在98%以上。
6 结论
针对高压级联多电平Boost直流变换器,以P-cell,N-cell构成的三电平模块为基础,详细分析了在载波移相调制下,变换器的变换过程,得到输出电压、输入电压、输出电流、输入电流等电气量的关系。并针对级联多电平结构对提升电感电流波纹等效频率进行了分析。通过仿真和实验,验证了高压级联多电平Boost直流变换器,能够极大增加电感电流波纹等效频率,减小电感波纹幅值。通过改变占空比,级联模块数能够在保证输出电压不变情况下,灵活接入不同等级电压。
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直流-交流变换电路建模与仿真 篇10
1.1 MATLAB与SIMULINK仿真的目的与意义
在电力电子电路设计过程中, 首先需要设计出初步方案或者电路, 其次验证相关元件参数选择合理与否。如果通过实验来检验设计, 就需要把设计的电路组装出来进行试验, 并且还需要不断的调整参数来修正实验装置。这样会不仅耗时耗力, 还使得电力电子电路的设计周期长, 效率低。
但如果使用计算机来进行仿真试验, 就可以极大地节约开支, 节省时间, 提高设计效率。但是用其它计算机高级语言编程设计, 对电力变流电路来说, 由于大功率开关器件开关转换电流换相动态过程十分复杂, 建立数学模型十分复杂, 就算建立起来了也不好计算预处理。然而用MATLAB/SIMULINK可视化图形化仿真环境建模仿真可以直观、快捷、准确地得到仿真结果。
1.2 本课题的研究内容及研究意义
本课题主要研究的是基于MATLAB/SIMULINK来建立直流交流变换电路的仿真模型并对仿真模型进行仿真研究。下面对仿真的大体内容来进行介绍:
单相桥式全控整流及有源逆变电路、三相半波整流及有源逆变电路、三相桥式整流及有源逆变电路进行仿真设计与分析, 与理论结果进行对比。
研究的主要方向为直流-交流变换, 即对逆变进行建模与仿真, 根据负载性质的不同, 逆变主要分为有源逆变和无源逆变。
本课题的主要研究意义是利用Simulink中的模块库来建立单相/三相整流、三相桥式整流变换电路, 并对电路进行仿真, 然后再比较和分析仿真波形。证实该方法的高效快速、简洁直观和准确真实。由于在计算机中修改参数方便, 所以通过变更方针参数即可观察各种对应现象, 使我们能深刻理解其电路原理。
2 单相桥式全控整流及有源逆变电路的MATLAB建模与仿真
2.1 单相桥式全控整流及有源逆变电路的基础原理和仿真模型
2.1.1 单相桥式全控整流及有源逆变电路的基础原理
图2.1是单相桥式有源逆变的基础原理图, 三相电源经过三相不控整流, 会得到一个下正上负的直流电源, 给逆变桥路使用, 逆变桥路所逆变出的交流电压经过升压变压器再返回电网[1]。“三相不控整流”在DJK10的挂件上, 其“心式变压器”在这里做升压变压器来使用, “心式变压器”的中压端Am、Bm要接从晶闸管所逆变出的电压, 而返回电网的电压则要接“心式变压器”的高压端A、B, 为避免由于输出的逆变电压过高而烧坏“心式变压器”的情况出现, 将变压器按Y/Y形式接。图中电阻R、电抗Ld和触发电路与整流所用一致[2]。
2.1.2 单相桥式全控整流及有源逆变电路的仿真模型
(1) 首先建立一个仿真新文件, 命名为Dan Xiang。
(2) 提取器件与电路模块, 组成上述电路的主要元件:晶闸管、交直流电源、RLC负载、选路器、脉冲信号发生器等。
(3) 将器件建立如下图所示的系统模型
2.2 仿真模型使用模块的参数设置
电源电压都为100V (有效值) 、频率是50Hz, 晶闸管参数为其默认值;选择仿真终止时间为0.08s, 使用变步长算法ode23tb (stiff/TR.BDF2) 。负载可根据需要设置成纯电阻、纯电感、阻感等, 本例中为电阻负载R=2Ω, α=1200。
2.3 模型仿真及仿真结果
实验结果分析
当α=1200>900时, Ud负载电压Ud其波形正面积小于负面积, 平均值是负值;输出电流Id的方向无变化, 所以负载有α=600<900时的消耗功率转变为α=1200>900时的回馈功率, 这就是整流到逆变的转换过程。
从图2.3可观察出, 仿真结果与理论分析结果基本相符。
⑴电路带阻抗负载时, 电流慢慢变大, 在几个周期之后电流到达稳态, 电路的实际工作情况与理论分析基本相符[3]。
⑵电路带电阻负载时, 电源电压经过零点时, 晶闸管即行关断;而带阻感负载时, 一对桥臂导通从而使另一对桥臂的两个晶闸管关断, 因为此处晶闸管承受的是反向电压, 一周期换相两次。
⑶电路带电阻负载时, 负载电阻的电压和电流的波形都分别呈现线性关系;带阻感负载时, 负载电流经过电感的平波作用其变化十分小。
⑷在实际设计中, 可通过改变仿真模型中R、L参数值来进行分析[4]。
3 三相半波整流及有源逆变电路的MATLAB仿真
3.1 三相半波整流及有源逆变电路 (阻感性负载) 的基础原理和仿真模型
3.1.1 三相半波整流及有源逆变电路的基础原理
三相半波可控整流电路同电阻R、晶闸管、电感L接好, 使用DJK0l上的励磁电源作为其直流电源, 其中升压变压器使用DJK中的心式变压器, 变压器按Y/Y接法接, 逆变输出电压接在心式变压器的中压端Am、Bm、Cm, 而返回电网的电压则要接高压端A、B、C。DJK02上带有直流电流表、直流电压表, 无需单独添加[5]。
3.1.2 三相半波整流及有源逆变电路的仿真模型
根据以上原理图利用SIMULINK中电力电子模块库建立相应的仿真模型如下图所示。
3.2 仿真模型使用模块的参数设置
(1) 三相电源:正弦对称交流电, 频率为50Hz, 幅值为50V, Ua, Ub, Uc初相位分别为00, -1200, 1200。
(2) 阻感性负载R=1Ω、L=0.01H选择仿真终止时间为0.08s, 采用变步长算ode23tb (stiff/TR.BDF2)
3.3 模型仿真及仿真结果
实验结果分析:
由图可见, 当α=1500时, 变流装置工作处在逆变状态, 负载电压Ud是负值;而—E—›—Ud—, 所以负载电流Id=E-Ud/R的方向不变, 它的值取决于表达式分子分母的大小。正因为负载电流Id的方向不变, 而负载电压Ud的方向发生了改变, 才导致能量传递方向发生逆转。逆变角b及逆变电压的计算
三相半波电路在整流和逆变范围内, 只要电流连续, 则每个晶闸管的导通角都是2p/3, 所以不论控制角a为什么值, 直流侧输出电压的平均值和a的关系都为:Ud=1.17U2cosα=-1.17U2cosβ[6]
为了分析和计算的方便, 当电路进入逆变状态时, 通常用逆变角b来表示。规定b角计算的起始点为控制角a=p处, 计算方法为:自a=p (b=0) 的起始点向左方计算, 因此控制角和逆变角的关系为:a+b=p, 或b=p-a。
4 三相桥式整流及有源逆变电路的MATLAB仿真
4.1 三相桥式整流及有源逆变电路的基础原理和仿真模型
4.1.1 三相桥式整流及有源逆变电路的基础原理
实验线路如图4.1所示。主电路是由三相全控整流电路和三相不控整流电路组成, 在此三相不控整流电路作逆变直流电源。KCO4、KC4l、KC42等集成芯片组成DJKO2-1中的集成触发电路, 可输出经高频调制后的双窄脉冲链的触发。集成触发电路的原理可以参考相关内容, 三相桥式整流和逆变电路的工作原理可以参见相关教材[7]。使用D42三相可调电阻作为电阻R, 将两个900Ω按并联形式接好;在选用DJK02面板上700m H作为电感Ld, 直流电流表、直流电压表在DJK02上。在三相桥式有源逆变电路中, 电感、电阻与整流的一致, 而DJK10挂有心式变压器及三相不控整流, 其中升压变压器可用心式变压器来充当, 变压器按Y/Y接法来接[8]。心式变压器的中压端Am、Bm、Cm接逆变输出的电压, 而返回电网的电压要接高压端A、B、C。
当设计要求直流电压脉动比较小, 或者要求整流负载容量较大时, 就需要采用三相整流电路。其交流侧由三相电源供电[9]。三相可控整流电路中, 最基本的为三相半波可控整流电路, 许多应用最广泛的整流电路都可以基于三相半波进行分析, 如双反星形可控整流电路以及三相桥式全控整流电路等。
4.1.2 三相桥式整流及有源逆变电路的仿真模型
三相桥式整流电路及有源逆变的仿真使用了MATLAB模型库中的三相桥及触发集成模块, 建模仿真过程叙述如下:
a.建立仿真模型 (如图4.2所示)
⑴首先建立一个仿真的新文件命名为San Xiang Qiao Shi。
⑵提取器件与电路模块, 组成上述电路的主要元件有交流电源、晶闸管、RLC负载等。
⑶建立三相桥式整流电路仿真模型
4.2 仿真模型使用模块的参数设置
设定此电路阻感性负载 (R的值为2Ω、L=0.01H)
设置模型参数如下:
1) 电源参数设置:三相电源的电压峰值设为 , 可表示为“50*sqrt (2) ”, 频率为50Hz, 相位分别为:0、-120°、-240°。
2) 6脉冲发生器采用双脉冲触发方式, 设置其频率为50Hz, 脉冲宽度设置为1°, 。
3) 触发角设置:给定alph设置为150°。
4) 仿真并观察其结果。设置仿真时间为0.08s, 数值算法采用ode23tb (stiff/TR.BDF2)
4.3 模型仿真及仿真结果 (如图4.3所示)
当α=1500时, 变流装置工作处在逆变状态, 负载电压Ud为负值波动;负载电流Id方向不变, 而负载电压Ud方向的变化, 致使能量传递的方向发生改变。
图4.2三相桥式整流及逆变电路仿真模型
5 结论
通过上面介绍的仿真过程分析, 可以得到下列结论:一般逆变电路是利用晶闸管和振荡电路将直流电压变换成交流电压并且进行放大。逆变电路在未来新兴的能源技术如风力、光伏发电中起到非常关键的作用, 因此逆变电路的发展前景也是十分广阔的。还反映出利用该方法还能对特别复杂的电路、电力电子变流系统进行建模及仿真。系统的建模十分便捷, 只需要设计人员在图像化的界面中进行简单操作就可以很快地得到系统的仿真结果。通过分析仿真结果即可对设计电路进行结构或功能上的改进或者快速的调节实验参数使系统能达到预期性能, 这样使得系统的分析和设计过程更为快速高效。
摘要：直流-交流 (DC-AC) 变换电路, 也被称为逆变器, 可以把直流电能转换为交流电能。逆变器已广泛应用于交通、工业、航空航天、能源等领域, 如频率控制装置, 电解电镀电源, 感应加热电源, 不间断电源, 焊接电源等。而且现在我国新兴并正在大力发展的光伏发电技术就需要运用大量逆变电路才能将太阳能转化而来的直流电能转换成日常生活可用的交流电能。本毕业论文主要对电路结构进行逆变器的分析说明。而使用MATLAB可以很好的完成对设计电路的建模与仿真MATLAB是一款基于矩阵的交互式程序计算语言的科学计算软件。本文主要基于MATLAB/SIMULINK仿真软件, 对单相桥式全控整流及有源逆变电路、三相半波整流及有源逆变电路、三相桥式整流及有源逆变电路进行了建模与仿真, 并且对所得出的仿真结果进行研究和计算。
关键词：MATLAB/SIMULINK,逆变电路,建模仿真
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