轻巧交流变换器的设计系部：机电工程系
目 录
一． 绪 论 1
（一） AC/AC变换器的发展状况 1
（二） 本文的研究意义和主要内容 1
二． 轻巧AC/AC变换器原理研究 1
（一） 轻巧交流变换器原理 1
（二） 三电平交流变换器原理 3
（三） 轻巧AC变换器控制策略简介 3
三． 轻巧AC变换器参数设计 5
（一） 开关频率的选择 7
（二） 输出滤波器的设计 7
四． 试验电路搭建、仿真与结果分析 7
（一） 实验电路搭建 7
（二） 参数设计、仿真结果与分析 8
总结 12
参 考 文 献 13
谢 辞 14
一． 绪 论
此章节主要论述了直接交流/交流功率变换技术的发展状况及其应用的前景，此外还介绍了全文的主要意义和中心思想。
（一） AC/AC变换器的发展状况
传统中所应用的交流电压变换主要采用电磁变压器的技术，而低频电磁变压器则主要广泛应用于工矿企业、科研院所等领域,可以实现AC/AC变压与电气隔离的功能，并且功率传递效率高。然而随着功率技术的发展，功率变换器逐渐广泛应用于交流/交流变换。交流-交流变换器主要是应用功率半导体器件，把某一频率与幅值的交流电能转换成与之相同或是另一频率和幅值的交流电能的一种变流装置[1]。按照有无中间直流环节，比较流行的交流-交流变换器可分为间接式AC-AC变换（AC-DC-AC）和直接式AC/AC 变换两大类，其中直接式AC/AC功率变换技术乃是当今电力电子技术所要研究的一个很重要的方面。
（二） 本文的研究意义和主要内容
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/> 1.本文研究的意义
其实，AC/AC调压变换器在生产中的很多领域都具有广泛的应用，如交流稳压、调压等场合。当交流电网质量较差的时候，交流稳压器可以对电网进行稳压和净化；而在工业生产和日用电气设备中，许多设备（如加热炉、电光源、小型交流电动机、电焊机）需要使用交流调压器，以满足设备电压匹配的要求。所以，研究拓扑较为简单的轻巧AC/AC变换器原理，并由于此设计出结构简单、控制简便、成本低廉的新型电子变压器，交流稳压器，调压器来取代传统的变压器，有着重要的意义。
2.本文主要研究的内容
本文主要以轻巧交流变换器为研究对象，以三电平直接AC变换器的轻巧交流变换器的变换原理为基础，用于实现问题解决和控制策略。
本文所研究的主要内容：
（1）本文以单相三电平直接AC变换器为研究对象，分析几种简单结构的轻巧交流变换器的变换原理和稳态工作模式以及电路关键参数设计等；
（2）此外还对电路实现的难点即功率管换流的问题进行深入分析，且对可能出现的解决方案进行了对比分析，最后得出了一种实际可行的解决方案（例如：采用小功率电容器取代辅助电源，对该方案的参数设计进行理论分析与仿真研究）；
（3）对应用小额电容器的三电平直接AC变换器在各种负载下的运行状况进行了全面仿真分析；
（4）进行全文总结和下一步工作计划。
二． 轻巧AC/AC变换器原理研究
本章主要对轻巧AC/AC变换器进行了讨论，对变换的原理、工作的模态、电路的参数设计等进行深入研究。
（一） 轻巧交流变换器原理
图2-1所示为轻巧变换器的主要构成，可简化为一交流斩波器。图中，开关和为双向开关，，和为小额高频滤波元件。将此斩波器插入到交流电源和电网输出端之间，然后以一不间断占空比D对其进行控制。最后，开关为一通常状况下关断的机电开关或晶闸管对，用以提供在非正常运行模式下的保护。
图2-1 轻巧变换器结构模块
如图2-2所示，可用轻巧交流变换器和一个并联的无功电容器来实现对交流电源的无功控制，即TACC-C。如图所示，电路中有两个开关管。在本电路中，利用开关管的高频率开关来实现电路频率F及电路的占空比D和(1-D)。由图可知，当电路占空比为D时，电路输出端的电容净阻抗为。在此电路中，电容的无功增量为从0到额定值的任意值。
为目前正在应用中的负载端大变化负载变压器提供控制功能是轻巧交流变换器的一大应用前景。在指令调节或负载周期性变化情况下，调整慢速机电阀门的变化以适应不断变化的负载。随着公共输电网的负载变化水平越来越高，其可靠性和可控制性也变得尤为重要。由于目前动态控制技术的缺乏，对更多的可靠网络系统的设置应用是一种极大地限制。
图2-3所示为将一轻巧交流变换器与一可变化负载端相连接以实现轻巧交流变换技术。
该轻巧交流变换技术输出可控的电压振幅和相位，以同时满足对输电网络中节点电压和输出电流的控制。同时我们可看到，该轻巧交流变换技术并未对整个变压器增加额外的电应力，而只使用一个小额的转换器在理想的范围内实现对输出的控制。图2-4中的双向开关S3提供了故障保护模式。
图2-2 轻巧AC变换器基组 图2-3 轻巧AC升压基组
图2-4 轻巧AC变换器技术
（二） 三电平交流变换器原理
虽然通过之前的分析，简单结构的轻巧AC变换器的实现可能性已经出现，然而此时仍然有一个很大的问题——怎样将此技术拓展到较高的功率下？现有的硅材质的门开关装置，例如IGBT管，其高频低耗时的额定电压电流为1700V/1200A，即使在低频下最多也仅能达到3.3KV而已。其为人所熟知的系统设备连接能力主要存在于低频状态下。虽然目前人们已经开发出很多DC/AC逆变器，但将它们扩展为直接AC装置在过去其可能性是微乎其微的。
（三） 轻巧AC变换器控制策略简介
在交流开关策略领域，人们已经开张了广泛的工作。目前已研究的控制方法按确定开关序列的参数分类，例如电压控制或电流控制等。以电流控制来说，开关顺序由电流方向确定以保证环流安全。
1.交流斩波器
本文中所讨论的轻巧交流变换器结构类似于航空中使用的电源逆变器，然而，由于直接AC变压器转换能量需要能量的双向流动性，故其开关是交流开关管。
图2-5 三电平AC变换器实现
为简化测序和控制策略，三电平直接AC变换器被划分为两个‘块’，其每个‘块’都是一个交流斩波器，如图2-5所示。用两个IGBT管连接成一个两关组合式的双向开关。在其实现双向功率流时，不同方向的电流会流过不同的功率管，因此必须要根据电流的实际方向实时控制不同功率管的通断。在对变换器的开关狂态进行切换时，每个开关时段都只能有一个斩波器的开关状态发生改变，否则会导致斩波器的电流中断的可能。单个交流斩波器的结构如图2-6所示。
(4-3)
图4-1 三电平AC变换器电路图
（二） 参数设计、仿真结果与分析
1．输入电压220V参数设计与仿真
开关频率为f=30KHz，周期为33.3毫秒。开关占空比D为0.5。波形由模态2和模态3的输出组合而成。
一． 绪 论 1
（一） AC/AC变换器的发展状况 1
（二） 本文的研究意义和主要内容 1
二． 轻巧AC/AC变换器原理研究 1
（一） 轻巧交流变换器原理 1
（二） 三电平交流变换器原理 3
（三） 轻巧AC变换器控制策略简介 3
三． 轻巧AC变换器参数设计 5
（一） 开关频率的选择 7
（二） 输出滤波器的设计 7
四． 试验电路搭建、仿真与结果分析 7
（一） 实验电路搭建 7
（二） 参数设计、仿真结果与分析 8
总结 12
参 考 文 献 13
谢 辞 14
一． 绪 论
此章节主要论述了直接交流/交流功率变换技术的发展状况及其应用的前景，此外还介绍了全文的主要意义和中心思想。
（一） AC/AC变换器的发展状况
传统中所应用的交流电压变换主要采用电磁变压器的技术，而低频电磁变压器则主要广泛应用于工矿企业、科研院所等领域,可以实现AC/AC变压与电气隔离的功能，并且功率传递效率高。然而随着功率技术的发展，功率变换器逐渐广泛应用于交流/交流变换。交流-交流变换器主要是应用功率半导体器件，把某一频率与幅值的交流电能转换成与之相同或是另一频率和幅值的交流电能的一种变流装置[1]。按照有无中间直流环节，比较流行的交流-交流变换器可分为间接式AC-AC变换（AC-DC-AC）和直接式AC/AC 变换两大类，其中直接式AC/AC功率变换技术乃是当今电力电子技术所要研究的一个很重要的方面。
（二） 本文的研究意义和主要内容
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
/> 1.本文研究的意义
其实，AC/AC调压变换器在生产中的很多领域都具有广泛的应用，如交流稳压、调压等场合。当交流电网质量较差的时候，交流稳压器可以对电网进行稳压和净化；而在工业生产和日用电气设备中，许多设备（如加热炉、电光源、小型交流电动机、电焊机）需要使用交流调压器，以满足设备电压匹配的要求。所以，研究拓扑较为简单的轻巧AC/AC变换器原理，并由于此设计出结构简单、控制简便、成本低廉的新型电子变压器，交流稳压器，调压器来取代传统的变压器，有着重要的意义。
2.本文主要研究的内容
本文主要以轻巧交流变换器为研究对象，以三电平直接AC变换器的轻巧交流变换器的变换原理为基础，用于实现问题解决和控制策略。
本文所研究的主要内容：
（1）本文以单相三电平直接AC变换器为研究对象，分析几种简单结构的轻巧交流变换器的变换原理和稳态工作模式以及电路关键参数设计等；
（2）此外还对电路实现的难点即功率管换流的问题进行深入分析，且对可能出现的解决方案进行了对比分析，最后得出了一种实际可行的解决方案（例如：采用小功率电容器取代辅助电源，对该方案的参数设计进行理论分析与仿真研究）；
（3）对应用小额电容器的三电平直接AC变换器在各种负载下的运行状况进行了全面仿真分析；
（4）进行全文总结和下一步工作计划。
二． 轻巧AC/AC变换器原理研究
本章主要对轻巧AC/AC变换器进行了讨论，对变换的原理、工作的模态、电路的参数设计等进行深入研究。
（一） 轻巧交流变换器原理
图2-1所示为轻巧变换器的主要构成，可简化为一交流斩波器。图中，开关和为双向开关，，和为小额高频滤波元件。将此斩波器插入到交流电源和电网输出端之间，然后以一不间断占空比D对其进行控制。最后，开关为一通常状况下关断的机电开关或晶闸管对，用以提供在非正常运行模式下的保护。
图2-1 轻巧变换器结构模块
如图2-2所示，可用轻巧交流变换器和一个并联的无功电容器来实现对交流电源的无功控制，即TACC-C。如图所示，电路中有两个开关管。在本电路中，利用开关管的高频率开关来实现电路频率F及电路的占空比D和(1-D)。由图可知，当电路占空比为D时，电路输出端的电容净阻抗为。在此电路中，电容的无功增量为从0到额定值的任意值。
为目前正在应用中的负载端大变化负载变压器提供控制功能是轻巧交流变换器的一大应用前景。在指令调节或负载周期性变化情况下，调整慢速机电阀门的变化以适应不断变化的负载。随着公共输电网的负载变化水平越来越高，其可靠性和可控制性也变得尤为重要。由于目前动态控制技术的缺乏，对更多的可靠网络系统的设置应用是一种极大地限制。
图2-3所示为将一轻巧交流变换器与一可变化负载端相连接以实现轻巧交流变换技术。
该轻巧交流变换技术输出可控的电压振幅和相位，以同时满足对输电网络中节点电压和输出电流的控制。同时我们可看到，该轻巧交流变换技术并未对整个变压器增加额外的电应力，而只使用一个小额的转换器在理想的范围内实现对输出的控制。图2-4中的双向开关S3提供了故障保护模式。
图2-2 轻巧AC变换器基组 图2-3 轻巧AC升压基组
图2-4 轻巧AC变换器技术
（二） 三电平交流变换器原理
虽然通过之前的分析，简单结构的轻巧AC变换器的实现可能性已经出现，然而此时仍然有一个很大的问题——怎样将此技术拓展到较高的功率下？现有的硅材质的门开关装置，例如IGBT管，其高频低耗时的额定电压电流为1700V/1200A，即使在低频下最多也仅能达到3.3KV而已。其为人所熟知的系统设备连接能力主要存在于低频状态下。虽然目前人们已经开发出很多DC/AC逆变器，但将它们扩展为直接AC装置在过去其可能性是微乎其微的。
（三） 轻巧AC变换器控制策略简介
在交流开关策略领域，人们已经开张了广泛的工作。目前已研究的控制方法按确定开关序列的参数分类，例如电压控制或电流控制等。以电流控制来说，开关顺序由电流方向确定以保证环流安全。
1.交流斩波器
本文中所讨论的轻巧交流变换器结构类似于航空中使用的电源逆变器，然而，由于直接AC变压器转换能量需要能量的双向流动性，故其开关是交流开关管。
图2-5 三电平AC变换器实现
为简化测序和控制策略，三电平直接AC变换器被划分为两个‘块’，其每个‘块’都是一个交流斩波器，如图2-5所示。用两个IGBT管连接成一个两关组合式的双向开关。在其实现双向功率流时，不同方向的电流会流过不同的功率管，因此必须要根据电流的实际方向实时控制不同功率管的通断。在对变换器的开关狂态进行切换时，每个开关时段都只能有一个斩波器的开关状态发生改变，否则会导致斩波器的电流中断的可能。单个交流斩波器的结构如图2-6所示。
(4-3)
图4-1 三电平AC变换器电路图
（二） 参数设计、仿真结果与分析
1．输入电压220V参数设计与仿真
开关频率为f=30KHz，周期为33.3毫秒。开关占空比D为0.5。波形由模态2和模态3的输出组合而成。
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