关键字 |
| DC/DC变换器，驱动应用，三角脉宽调制，耦合电感。 |
介绍 |
| 随着工业应用对高压要求的不断提高，具有高升压增益的高效DC/DC变换器得到了广泛的应用。这种需求激增在设计一个高效的DC/DC变换器，减少组件，滤波器尺寸和成本，这将导致变换器易于公开销售。通常，升压DC/DC变换器在高占空比下以高升压增益工作。但不幸的是，电路中存在的无源元件成为实现高升压增益的障碍。因此，为了提高变换器的效率，存储在电容器和耦合电感[1]、[2]等无源元件中的能量必须被系统有效利用。基于此，本文从实用和经济的角度提出了一种无变压器高增益升压DC/DC变换器[3]-[6]。 |
| 永磁直流(PMDC)，[7]电机广泛应用于一系列应用，从电池供电的设备，如轮椅和电动工具，到输送机和开门器，焊接设备，x射线和断层扫描系统，以及泵送设备。这些电机有能力在低速时产生大扭矩。它的设计产生了一个更小，更轻，节能的电机。永磁电机的磁场具有高磁阻(低磁导率)，消除了显著的电枢相互作用。这种高磁阻屈服是一个恒定的场，允许在电机的整个速度-转矩范围内线性运行。如游乐驱动，泵驱动等应用需要高直流电压。 |
| 在三角形PWM中，输出电压是通过改变占空比来控制的。占空比反过来通过改变参考信号和载波信号来控制。在该方法中，常数参考信号Vref与三角形载波信号进行比较。峰值幅度受峰值载波信号的限制。在所有可再生能源中，[8]-[10]太阳能发电系统更受关注，因为它提供了极好的发电机会，同时减少了温室气体排放。太阳能发电的唯一方法将是光伏电池或电池板。温度、绝缘、阳光、灰尘、阴影等光谱特性。，are the main factors to be considered for the efficiency of the solar cells. |
| 光伏电池由硅构成，硅也被用于计算机“芯片”。太阳产生的辐射将通过光伏过程转化为直流电(DC)。这个点称为最大功率点(MPP)。MPPT[11]是跟踪光伏系统最大可用输出功率的有效方法。 |
| PMDC电机的性能曲线如图1所示。在运行过程中，在电枢电压恒定的情况下，随着转速的降低，可用转矩增大。通过改变施加在电枢上的电压来控制速度。PMDC电机采用机械换向方案来切换电流到电枢绕组。反馈装置感知电机速度，并将此信息发送到控制器，以改变其输出电压的上升或下降，以保持速度在或接近设定值。 |
建议电路描述 |
| A.电路配置 |
| 该变换器的电路结构如图2所示。该电路主要由主开关S、合模电容C1、合模二极管D1、耦合电感Np和Ns、两个电容C2和C3、两个二极管D2和D3、输出电容Co和输出二极管Do组成。该电路由光伏板供电，并驱动PMDC电机负载。等效电路模型还包括漏感Lk和磁化感LM。 |
| 存储在耦合电感中的泄漏能量被回收到电容器，因此降低了开关上的电压应力。该变换器的这一特点提高了变换器的性能，从而提高了变换器的效率。 |
| b .拟变换器的工作原理 |
| 当开关打开时，Vin向LM充电，并依次向耦合电感的次级侧充电。类似地，当开关关闭时，存储在LM中的能量通过耦合电感的次级侧放电。为了降低开关S上的电压，电容器C2 a和C3串联放电，而它们在关断和开断过程中分别并联充电。 |
| c .所提出转换器的连续电流模式操作 |
| 每个切换周期有五种工作模式。下面将详细讨论每种操作模式。 |
| 模式I:在该模式下，S = ON。如前所述，Vin对LM和耦合电感的次级侧充电。因此，次级侧电流是C2充电，并打开二极管D2, D3和电容器C3。输出电容Co提供负载。电流流如图3(a)所示。输入电压的表达式可以写成: |
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| 模式II:在这段时间内，S保持ON，源电流向LM充电，也通过耦合电感传播到次级侧。部分源电流经过电容器C1、C2和C3。所有三个电容器通过打开输出二极管Do将存储的能量串联放电到负载。电流流向如图3(b)所示。 |
| 模式III:当三个电容器完全放电到输出电压时，S被关闭。源电流流过耦合电感LM和开关s的寄生电容Cds，从而实现开关s的ZVS，输出电容Co提供负载。图3(c)表示该模式。 |
| 模式IV:在这种模式下，当寄生电容Cds完全充电时，源电流现在流过LM，耦合电感，D1, C2,C3,Do和负载。此外，能量储存在漏电感Lk通过夹紧电容器C1回收。上述解释的电路表示如图3(d)所示。 |
| 模式V:在此间隔时间内，电源电压断开。Lk的再生能量流过LM。流过的电流也流过耦合电感器。这使电容器C2和C3平行充电。二次电流也流过二极管D2和D3。Co提供负荷。在此模式结束时，开关S打开，循环继续。该模式的电路图表示如图3(e)所示。 |
电机和电源的建模 |
| A.永磁直流电动机的建模以下是PMDC电机的方程。 |
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| 因子k取决于电机的设计特征(绕组匝数、永磁体强度、气隙距离、转子直径、转子长度)。PMDC电机直接提供旋转运动，并与车轮或鼓和电缆结合，可以提供过渡运动。电枢电路及转子自由体图如下图4.1所示 |
| 电机转矩T与电枢电流ia的关系为常数因子Kt。反电动势E与转速以常数因子Ke相关，如下式所示: |
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| 利用上述方程对PMDC电机进行建模，如图4.2所示。 |
| B.光伏阵列系统建模 |
| 光伏板模块物理移动指向太阳，而MPPT不是机械跟踪系统。电池直接连接到模块，它正在为一个放电的电池充电。因此，模块将在电池电压下运行。本文从半导体理论出发，用数学方法描述了理想PV的I - V特性的基本方程 |
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| 图5.2给出了式(12)的I - V曲线的来源。实用数组由多个模块组成。观察光伏阵列终端的特性需要在基本方程中加入额外的参数。 |
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| 在那里, |
| V = n年代kT/q为ncell串联阵列的热电压。 |
| R年代& RP是阵列的等效串并联电阻。并联的电池会增加电流，串联的电池会产生更大的输出电压。电池的Np并联组成阵列，PV和饱和电流可表示为: |
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三角脉宽调制 |
| 直流调制信号的幅度被限制在三角形载波信号的最小和最大幅度之间。现在，高频三角载波波形与直流调制信号进行比较，比较器输出用于控制开关。下图6解释了三角形PWM的产生。 |
仿真结果讨论 |
| 以PMDC电机负载为例说明了该变换器的性能。通过Matlab仿真对其性能进行了研究。PMDC电机负载下的变换器simulink模型分别如图6.1和图6.2所示。 |
| 所得到的电枢电压、电枢电流和转矩分别如图6.5、6.6和6.8所示。采用三角脉宽调制技术产生的栅极脉冲如图6.4所示。一台0.5 HP, 1640 rpm的PMDC电机由12 V太阳能电池板驱动。该系统获得的电枢电压为100V，电流为5 A。 |
结论 |
| 本文通过有效利用无源元件中储存的能量，提高了DC/DC变换器的性能。这个转换器是由可再生能源，即太阳能供电。该系统可有效地应用于高速驱动应用。在这种情况下，所提出的系统被用来驱动PMDC电机负载。转换器接收来自太阳能电池板的12V输入电压，然后产生100V/ 5A驱动PMDC电机负载为0.5额定值。此外，采用三角脉宽调制策略的软开关技术降低了开关损耗和应力，从而进一步提高了效率。此外，由于储存在被动元件中的能量被有效利用，增加效率百分比后，总体损失大大减少。该系统具有成本效益，可广泛应用于驱动领域。 |
数字一览 |
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| 图1 |
图2 |
图3 |
图4.1 |
图4.2 |
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| 图5.1 |
图5.2 |
图5.3 |
图6.1 |
图6.2 |
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| 图6.3 |
图6.4 |
图6.5 |
图6.6 |
图6.7 |
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| 图6.8 |
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参考文献 |
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