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时间:2020-03-26
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1、TECHNOLOGY&APPLICATION·技术与应用移相全桥电力电子变压器原理分析Analgseofphase-shiftcontrolfull-bridgepowerelectronicstransformerprinciple华南理工大学电力学院马化盛,张波(广州510640)电力部电力科学研究院郑健超(北京100085)摘要:分析了移相控制全桥电力电子变压器的工作原理,建立了系统状态空间模型并导出了其外特性方程,得到了等效变压器模型,给出了该模型的等效变比M(D,n),最后,仿真结果验证了理论分析的正确性。叙词:电
2、力电子变压器;移相控制;全桥变换器中图分类号:TM4文献标识码:B文章编号:1606-7517(2008)07-4-1151引言其中,ui为网侧输入工频电压,Li、Gi为输入滤波,S1、在电力配电系统中得到广泛应用的传统工频变压器S1'、S2、S2'、S3、S3'、S4和S4'均是由两组IGBT和二极管具有隔离、电压变换等功能,而采用电力电子器件构建的以背靠背方式组成的四象限功率开关单元,T为高频变压电力电子变压器摒弃了传统工频变压器笨重的低频磁路设器,Lo、Co为输出滤波,Ro为负载。计,有利于提高装置的功率密度和降低制造
3、成本,并可消[1]除绝缘油带来的环境污染。移相控制全桥电力电子变压器采用两组由四象限功率开关构建的全桥变换器对输人工频电压进行高频调制和解调,利用高频变压器实现原副边电气隔离;采用移相控制调整输出工频电压的幅值,实现了输出电压的连续调节,可对系统输出进行闭环控制,在替代传统变压器功能的同时又实现了其功能的扩展。本文对移相控制全桥电力电子变压器的运行原理进行图1移相全桥电力电子变压器主功率拓扑了较详细地分析,建立了系统状态空间模型并导出了其外N2在高频变压器T(变比n=)的初级,S1(S1')与S2(S2')N1特性方程,由此
4、得到了它的等效变压器模型,该模型的等交替导通,其切换方程S(ωst)由式(1)给出(其中,S(ωst)=0效变比为M(D,n)。用Saber对该系统进行的仿真结果验证对应为桥式电路的死区时间,在原理分析中暂不考虑)。了理论分析的正确性。S1(S1')导通,S2(S2')截止;2稳态运行原理分析S1(S1')、S2(S2')截止;(1)移相全桥电力电子变压器主功率拓扑如图1所示。S1(S1')截止,S2(S2')导通;2008.07·115技术与应用·TECHNOLOGY&APPLICATION将输入工频电压经过全桥调制后得到
5、高频信号u1(式*2),则在变压器次级得到的电压为nu1。*u1=uiS(ωst)(2)次级桥式电路的切换函数由S(ωst)移相得到,移相角为θ(0≤θ≤π),则S3(S3')导通;死区时间;(3)S4(S4')导通;图3输出电压u2的频谱分布经S(ωst-θ)解调后得到u2(式4)。3拓扑分析与系统建模***u2=nuiS(ωst)S(ωst-θ)(4)图2所示为移相控制电力电子变压器的控制原理图分析可知,图1中的主功率拓扑在一个开关周期内有(设变比n=1,开关频率)。四种工作模式,其等效电路分别如图4(a)~图4(d)所
6、示。图4(a)、4(c)和图4(b)、4(d)分别可等效为图5(a)、5(b)所示电路。其中r为系统等效内阻(包括变压器绕组等效电阻、功率开关通态电阻、开关损耗等效电阻、滤波电感寄生电阻等)。(a)S(ωst)=1,S(ωst-θ)=1图2移相控制原理图(b)S(ωst)=-1,S(ωst-θ)=1对电压u2的频谱分析(图3),可知其所含的主要谐波频率为开关频率fs的偶数倍。在输出端加上由Lo,Co构成的低通滤波器后,可将这些高频谐波滤除,从而可得正弦工频输出电压uo(式5),变压器功能因此得以实现。u=f(n,θ)*u(5
7、)(c)S(ωst)=-1,S(ωst-θ)=-1oi116·2008.07TECHNOLOGY&APPLICATION·技术与应用上安秒平衡,则由式(8)可得任一开关周期内状态变量的稳态值为(9)(d)S(ωst)=1,S(ωst-θ)=-1图4四种工作模态图6所示为等效电路稳态时开关切换过程中各电压、电流波形图。图5四种工作模式的等效电路图6等效电路电压、电流波形图稳态时,在任一个on-off切换周期(即半个开关周期由图5(a)得Ts/2)内,电容Co上电流i∞均值ILo=0(安秒平衡),电感Lo上电流iLo均值ILo等
8、于输出的负载电流稳态值IRo。(6)***在此期间,设电感电流iLC的振幅为2ΔiLo。当2ΔiLo=2iLo时,iLo在每个on-off切换周期恰好从零升至2ILo再降到由图5(b)得零,即(7)(10)根据式(9)、式(10)解得此时临界电感值为由于开关频率fs远大于输入、输出工频正弦
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