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1、I 摘摘 要要 本文致力于可并联运行的斩控式单相交流斩波变换器的研究。交交变换技术作为电力电子技术一个重要的领域一直得到人们的关注，但大都将目光投向 AC- DC- AC两级变换上面。AC/AC 直接变换具有单级变换、功率密度高、拓扑紧凑简单、并联容易等优势，并且具有较强扩展性，故而在工业加热、调光电源、异步电机启动、调速等领域具有重要应用。 斩控式 AC/AC 电压变换是一种基于自关断半导体开关器件及脉宽调制控制方式的新型交流调压技术。本文对全数字化的斩控式 AC/AC 变换做了系统研究，工作内容主要有： 对交流斩波电路的拓扑及其 PWM 方式做了详细的推导，着重对不同拓扑的死区效应进行了分
2、析， 并且推导了不同负载情况对电压控制的影响。 重点推导了单相 Buck型变换器和 Buck- Boost 变换器的拓扑模型， 并将单相系统的拓扑开关模式推导到三相的情况，然后分别对单相、三相的情况进行了 Matlab 仿真。 建立了单相 Buck 型拓扑的开关周期平均意义下的大信号模型和小信号模型，指导控制器的设计。建立了适合电路工作的基于占空比前馈的电压瞬时值环、电压平均值环控制策略。 在理论分析和仿真验证的基础上，建立了一台基于 TMS320F2808 数字信号处理器的实验样机，完成样机调试，并完成各项性能指标的测试工作。 关键词：交流斩波，关键词：交流斩波，PWM，小信号模型，复合控制
3、，并联，小信号模型，复合控制，并联 II Abstract The dissertation is focused on the research of single phase AC chopper with module parallel control. As an important part of Power Electronics, AC/AC voltage conversion is always the hotspot. But we pay most attention on two stages conversion with AC/DC/AC structure. AC
4、 chopper is single staged with high power density and compact topology, easy to perform parallel operation and with great modularization characteristic. AC chopper are widely used in applications such as industrial heating, light dimming, soft start of induction motors and speed controller. The chop
5、ping mode AC/AC conversion is a new AC voltage control technology which is based on the self- commutated switches and PWM control method. Digitalized chopping mode AC/AC conversion was analyzed systematically. The main research works are listed at follows: The topologies of AC chopper and its PWM sc
6、heme are researched. The analysis of dead band effect of different topologies is especially emphasized. We research the influence of different load condition. The topologies and PWM scheme of single phase buck type and buck- boost type AC chopper are researched. We also apply the PWM scheme to three
7、 phase AC chopper system. The matlab simulation is performed to verify the outcome of analysis. We also establish the parallel model of AC chopper, and propose the problem- solving method. The Large- Signal Model and Small- Signal Model of single phase buck type topologies by meaning of Switching Cy
8、cle Mean Value are established, witch will direct the design of controller. We design a control policy based on transient voltage loop and average voltage loop with duty feed- forward. A model machine is designed and debugged based on theoretical analysis and simulation verification. Every performan
9、ce criteria was measured. Keywords: AC chopper, PWM, small signal model, compound control, parallel 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位
10、论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 1 1 绪言绪言 1.1 AC/AC 变换器概述变换器概述 AC/AC 变换器， 顾名思义， 就是将一种形式的交流电压变换到另一种形式的交流电压的装置。根据变换前后交流电压的频率是否变化、具体的控制方法、变换级数等
11、等，AC/AC 变换器可用图 1- 1 方式分类。 图 1- 1 AC/AC 变换器分类 Fig. 1- 1 Category of AC/AC converter 1.1.1 相控交流调压变换器相控交流调压变换器 相控交流调压变换器是一种直接 AC/AC 变换器， 一般采用晶闸管1作为变换开关元件。 相控式调压变换器在交流电压瞬时值过零且反向时关断晶闸管；晶闸管开关器件的开通则可采用移相控制，改变控制角调控变换器输出电压的大小。如图 1- 2 为相控式变换器的电路图和阻性负载下的波形图。 很显然，这种方式的变换器电压、电流谐波很大，这对电网是有危害的。并且在阻感性负载情况下，还存在一个负载阻
12、抗角 ，如果开通角 tri pwm(1) = 1; if Vol_phs = 1 pwm(2) = 0;pwm(3) = 1; elseif Vol_phs = 0 pwm(2) = 1;pwm(3) = 0; end elseif abs(uSet) uA PWM2A = 1; else if (tri triU图 3- 2 PWM 过程 Fig. 3- 2 PWM procedure 首先引入开关周期品均算子的概念： 1( )( )SSt TTtSx txdT+=(3.1) 式(3.1)中 ( )x 表示的是某一变换器中的物理量，比如电感电压、电流，电容电压、电流等。开关周期平均算子表示相
13、应物理量的一个开关周期平均值。实际上，可以用图 3- 2 来解释开关周期平均算子。由于斩波器输出频率远远低于开关频率，在一个周期内可以使用断续变量的平均值待替其瞬时值。 变换器的每个开关周期根据工作在图 3- 3 表示的两个阶段。 rLCLiCu iSuNurLCLiCu iNu(a) 阶段 1 (b) 阶段 2 图 3- 3 Buck 型变换器两种工作阶段 Fig. 3- 3 Two working stages of AC chopper, buck type 在阶段 1，列写电感两端电压方程为 ( )( )( )( )*L LSCLdi tutLusutirdt= (3.2) 通过电容的
14、电流为 ( )( )( )C CLodutitCi tidt= (3.3) 在阶段 2，电感两端电压方程为 31 ( )( )*( )L LCLdi tuLutr i tdt= (3.4) 通过电容电流为 ( )( )( )( )C CLodutitCi ti tdt= (3.5) 图 3- 4 为电感两端电压和电感电流波形。 图中(a)标注的是电感两端电压开关周期平均值，(b)图斜线是电流随时间变换的数值，但标注的是电流的变化斜率，也就是相对时间的变化率。 ( )( ) SSSCTTutut( ) SCTutSdTSTt( )Lu t( )( ) SSSCTTututL( ) SCTutLS
15、TSdT t( )Li t(a) (b) 图 3- 4 电感两端电压和电感电流 Fig. 3- 4 Voltage and current of inductor 忽略微小的等效电感串联电阻r ，根据图 3- 4 计算电感两端电压在一个周期之内的平均值为 1( )( )( )1( )( )( )SSSSSSSt dTt TLLLTtt dTSt dTTSCCtt dTSu TududTuududT+=+=(3.6) 由于开关周期远小于工频周期，每个开关周期中的输入电压( )Sut 变化很小，所以可以认为在,St tdT+区间电源电压开关周期平均值为( ) SSTut，则 ()( )( )( )( )SSSt dTSCSCSTTtuudututdT+=(3.7) 类似的，在,SStdT tT+区间，有 ()()( )( )1SSSt TCCSTt dTudutd T+= (3.8) 将式(3.7)和式(3.8)代入(3.6)得： ( )( )( )( ) SSSLSCTTTutd tutut= (3.9) 由于电感方程经过开关平均算子作用后形式不变42， 基尔霍夫定律在开关周期平32 均意义下仍然成立，有 ( ) ( )SSLT LTd i t Lutdt= (3.10) 上式的物理意义是：电感开关周期平均值决定电感电流开关周期平均值的变化率，而电感电压的开关周期平均值决定电感电
