電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC_AC變換器原理研究(1)

1、第 16卷第 6期 電 工技術(shù)學(xué)報(bào) 2001年 12月 電壓源高頻交流環(huán)節(jié) AC/ AC變換器原理研究 Research on Principles of the Voltage Mode AC/ ACConverters with High Frequency AC Link陳道煉 李 磊 (南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 210016)Chen Daolian Li Lei摘要 略 , ( L FAC/點(diǎn)。變換器 高頻交流環(huán)節(jié) 周波變換器 電壓源 移相控制中圖分類號(hào) : TM465Abstract A circuit topology family of t he voltage mode A

2、C/ AC converters wit h high f requency ac link are first proposed. The kind of circuit topologies are constit uted of input cycloconverter , high are investigated. The output characteristic curve is given. The voltage mode AC/ AC converters wit h bidirectional power flow , high f requency elect rica

3、l isolation , good line current waveform , st rong load lation.phase cont rol高頻交流環(huán)節(jié) AC/ AC變換器 ,對(duì)電力電子學(xué)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)新型電子變壓器、正弦交流穩(wěn)壓器均具有重要意義。 1 引言 電力電子研究人員對(duì) 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(duì) AC/ AC變換技術(shù)的研究?jī)H限于交流負(fù)載與交流電網(wǎng)無(wú)電氣隔離的可控硅相控變頻器、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 2 電壓源高頻交流環(huán)節(jié) AC/ AC變換器電路 拓?fù)?/p>

4、族與控制原理 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 1a所示。該電路結(jié)網(wǎng)有高頻電氣隔離的基于 Forward變換器的電壓源國(guó)家自然科學(xué)基金 (59977010)、江蘇省自然科學(xué)基金 (B K99121)資助項(xiàng)目。陳道煉 男 , 1964年生 ,博士后 ,副教授和碩士研究生導(dǎo)師 ,主要從事高頻功率變換技術(shù)和航空逆變電源的研究 ,已發(fā)表論文 30多篇。 李 磊 男 , 1975年生 ,博士研究生 ,研究方向?yàn)楣β孰娮幼儞Q技術(shù)。26 電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2001年 12月構(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

5、的正弦交流電壓。輸入、輸出周波變換器均由四 象限功率開(kāi)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)渥骞舶朔N ,如圖 1b圖 1i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?voltage mode AC/ AC converters wit h high frequency AC link第 16卷第 6期 陳道煉等 電壓源高頻交流環(huán)節(jié) AC/ AC變換器原理研究27電壓源高頻交流環(huán)節(jié) AC/ AC變換器采用移相 控制策略 ,如圖 2所示。四象限功率開(kāi)關(guān) S1 ( S1) 與 S2 ( S2)、S3 ( S3 )與

6、S4 ( S4 )的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為 互補(bǔ)的高頻方波信號(hào) ,但 S3 ( S3 )與 S1 ( S1 )、 S4 ( S與 S2 ( S 4) 之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)均有相位差 )2 (0180°)。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 4a所示等效電路的狀態(tài)方程為d iLf N 2L f riL f + ui -o (2a)d t N 1d uo uoCf iL f - (2b)d t R L圖 4b所示等效電路的狀態(tài)方程為d iL f 2L f - uo d t N 1o Cf iL f - (3b)d t R L(2)乘以 D加上式 (3)乘以 (1 -

7、 D) ,令 =0 ,d iL f d td uo= 0 ,可得狀態(tài)變量在任何一個(gè)開(kāi)關(guān)周期 d t內(nèi)的穩(wěn)態(tài)值為圖 2 電壓源高頻交流環(huán)節(jié) AC/ AC變換器移相控制原理AC/ AC converter wit h high frequency AC linkU i ( 2 D - 1) N 2 1IL f = (4a)N 1 R L + r U o = N 1 1 + r/ R LU i ( 2 D - 1) N 2 1圖 2中 , T s = 1/ Fs為開(kāi)關(guān)周期 , Fs為開(kāi)關(guān)頻 率 , uAB為濾波器的前端電壓。S3 ( S3 )與 S1 ( S1、 S 2 ( S之間在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期 )

8、 S 4 ( S 與 ) )4 2 的共同導(dǎo)通時(shí)間 D T s/ 2可表示為D T s/ 2 = T s (180° / (2- ) × 180 ° (1) )由式 (4b)可知 ,理想情形且 CCM模式時(shí)變換器的外特性為i 2U o = (5)N 13 電壓源高頻交流環(huán)節(jié) AC/ AC變換器穩(wěn)態(tài)濾波電感電流臨界連續(xù)和 DCM模式時(shí)一個(gè)開(kāi) 關(guān)周期內(nèi)的原理波形 ,如圖 5所示。由圖 5a可知 , t 2 - t 1 = D T s/ 2。t = t 1 t 2時(shí) , 有d iL f d t原理與外特性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 ,

9、如圖 3a所示。該變換器穩(wěn) 態(tài)工作且 CCM模式時(shí) ,在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期 T s內(nèi)可 分為四個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài) ,其等效電路如圖 3b圖 3e所 示。3b、3d 和圖 3c、3e可分別用圖 4a、4b所 212 圖控制原理示等效電路表示 ,其中 r為包括變壓器繞組等效 電阻、功率開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率 Fs遠(yuǎn)大于輸出 L C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(gè)開(kāi)關(guān)周期 T s內(nèi)輸入電壓 ui和輸出電壓 uoui N 2/ N 1 - uo = L f =L f t 2 iL f t 1L f t 2L f f (6)t 2 - t 1

10、 D T s/ 2電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流為 I G = Io min =iL f ( t 2) ,由式 (5)、(6)得i 2 sI G = D) (7)2 N 1 L f1 2由式 (7)可知 ,當(dāng) D = 1/ 2時(shí) , I G達(dá)到最大值 ,即i 2 sI G max = (8)8 N 1 L f由式 (7)、(8)可知 ,理想情形且濾波電感電流臨28 電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2001年 12月圖 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(shí)開(kāi)關(guān)狀態(tài)電路x D (1 - D) (9)IG d t=L f t 2 - t 1 = LD T fs/ 24d iL fd t

11、 IL f 3L f 2 Io = I G maxt 3 - t 2Gma 5b可知 由圖-Lf =(11)iN/N 1 + 2(12)(13)Uo(14)t 3 - t 2ui N 2/ N 1 - uo = L f =(10)ui N 2/ N 1 + uo = - L f = 由式 (8)、(10)、(12)、(13)得2 i 2 1 o第 16卷第 6期 陳道煉等 電壓源高頻交流環(huán)節(jié) AC/ AC變換器原理研究29因此 ,理想情形且 DCM模式時(shí)變換器的外特性為U o U i2o G max 2=4 D 2 + Io/ I G max N 1(15)電感電流連續(xù)時(shí)外特性曲線 ,實(shí)線為理

12、想情形時(shí)曲 線 ,由式 ( 5)決定 ,虛線為實(shí)際情形時(shí)曲線 ,由 式 (4b)決定 ,可見(jiàn)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(shí)外特性曲 線 ,由式 (15)決定 ,可見(jiàn)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)。圖 4 AC/ AC變換器 CCM模式時(shí)兩種等效電路AC/ AC converter wit h high frequencyAC link in CCM mode圖 6 電壓源高頻交流環(huán)節(jié) AC/ AC變換器標(biāo)幺外特性mode AC/ AC converter wit h high frequency AC link4 仿真實(shí)例仿真實(shí)

13、例 :全橋全波式電路拓?fù)?,移相控制策略 ,輸入電壓 U i = 220V±22V ,輸入電壓頻率圖 5 濾波電感電流臨界 CCM和 DCM模式時(shí)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的波形in critically CCM and DCM duringone switching period50 Hz ,輸出電壓 U o = 220V ( 50 Hz) ,額定容量 S入濾波電感 L i = 10H ,輸入濾波電容 Ci = 50F ,20F。不同輸入電壓、不同負(fù)載時(shí) , 3kVA 220V± 22V (50 Hz) / 220V ( 50 Hz)電壓源高頻交流環(huán) 節(jié) AC/ AC變換器的仿真波形

14、 ,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 ,強(qiáng)的負(fù) 載適應(yīng)能力和優(yōu)良的穩(wěn)壓性能。實(shí)際情形時(shí) ,變換器的內(nèi)阻 r不為零 ,因此 變換器的外特性可由式 (4b)表示。取 N 1/ N 2 = 1 ,由式 (5)、 (9)、 (15)、 ( 4b) 可得變換器的標(biāo)幺外特性 U o/ U i = f ( Io/ Io max) , 如圖 6所示。曲線 A為濾波電感電流臨界連續(xù)時(shí) 外特性曲線 ,由式 (9)決定 ;曲線 A右邊為濾波5 結(jié)論(1)電壓源高頻交流環(huán)節(jié) AC/ AC變換器 ,具 有兩級(jí)功率變換 (L FAC/ HFAC/ L FAC)、雙向功30 電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2001年 12月圖 7 3kVA電壓源高頻交流環(huán)節(jié) AC/ AC變換器仿真波形 率流、高頻電氣隔離、網(wǎng)側(cè)波形可得到改善、負(fù)載 AC/ AC變換器新概念的正確性和先進(jìn)性。適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) (2)電壓