自平衡電子電力變壓器

A-EPT采用了3階式(高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí))設(shè)計(jì)思路，由3組高壓側(cè)采用級(jí)聯(lián)多電平型變換器構(gòu)成的一相變?nèi)嗔藛卧獦?gòu)成，如概述圖所示 。

自平衡電子電力變壓器高壓級(jí)設(shè)計(jì)

由于單個(gè)功率器件的耐壓水平達(dá)不到配電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)的電壓等級(jí)，因此用于輸、配電系統(tǒng)的電力電了裝置需要采用多個(gè)功率器件或者模塊串聯(lián)技術(shù)。A-EPT高壓級(jí)每一相都是由N個(gè)完全相同的單相全橋VSC模塊級(jí)聯(lián)而成，如概述圖中(b)所示。為了保證高壓側(cè)系統(tǒng)的電流具有良好正弦波形和實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)靈活控制，單相全橋采用PWM整流運(yùn)行方式，各模塊之問采用載波移相技術(shù)。

由于采用了N個(gè)無論是容量還是耐壓等級(jí)都相同的單相全橋，所以只要采用適當(dāng)?shù)目刂?，就可以?shí)現(xiàn)N個(gè)單相全橋的直流側(cè)電壓相等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交流側(cè)高壓平均地分配在N個(gè)單相全橋變換器上，從而可以避免開關(guān)器件直接串聯(lián)，亦無需開關(guān)器件直接串聯(lián)時(shí)復(fù)雜的保護(hù)電路。

自平衡電子電力變壓器隔離級(jí)設(shè)計(jì)

隔離級(jí)需采用高頻變壓器，以實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)系統(tǒng)和低壓側(cè)系統(tǒng)問的電壓等級(jí)變換和電氣隔離。

變壓器體積大小是磁芯材料飽和磁通密度、最大容許溫升和繞組最大容許溫升的函數(shù)，而飽和磁通密度與頻率成反比。因此，在相同容量下，高頻變壓器比工頻變壓器體積小很多。

從高壓級(jí)單相全橋輸出的是直流，在進(jìn)入高頻變壓器之前需要把直流調(diào)制成高頻交流。A-EPT的隔離級(jí)的每一相是由N個(gè)單相全橋DC/高頻AC變換器模塊、1個(gè)N輸入3輸出高頻變壓器和3個(gè)單相全橋高頻AC/DC變換器組成。高頻變壓器輸出端的個(gè)數(shù)也可以是3的倍數(shù)。當(dāng)功率由高壓級(jí)向低壓級(jí)流動(dòng)時(shí)，高壓級(jí)DC/高頻AC變換器將直流調(diào)制成高頻方波，由高頻變壓器磁耦合到低壓級(jí)，再由低壓級(jí)高頻AC/DC變換器重新還原成直流。反之，低壓級(jí)高頻AC/DC變換器進(jìn)行直流調(diào)制，高壓級(jí)DC/高頻AC變換器還原成直流。如果只考慮功率單向流動(dòng)，負(fù)責(zé)將高頻交流還原成直流的變換器可以采用二極管整流代替。

自平衡電子電力變壓器低壓級(jí)設(shè)計(jì)

低壓級(jí)主要實(shí)現(xiàn)將隔離級(jí)來的直流變成工頻交流(或者所需的其他頻率的交流)。它由單相全橋逆變器和LC濾波器構(gòu)成。

在低壓側(cè)，面臨的主要問題是功率器件的通流能力，為了滿足大電流的需要，采用多個(gè)單相逆變橋并聯(lián)。如概述圖(b)所示，A-EPT的一個(gè)了單元結(jié)構(gòu)，它的低壓級(jí)由3組獨(dú)立的單相全橋變換器模塊組成，可以形成a, b, c三相低壓輸出。在構(gòu)成三相A-EPT時(shí)，將每個(gè)單元形成的a, b, c三相輸出，分別對(duì)應(yīng)地并聯(lián)在一起，組成三相A-EPT的低壓級(jí)。這種交錯(cuò)并聯(lián)的最大優(yōu)點(diǎn)是從結(jié)構(gòu)上解決了A-EPT高、低壓側(cè)系統(tǒng)不平衡的相互影響。低壓級(jí)的連接示意圖如圖2所示。

從上述的分析可以看出，A-EPT實(shí)現(xiàn)白平衡的原理是:當(dāng)實(shí)現(xiàn)從高壓側(cè)向低壓側(cè)傳遞能量時(shí)，原方系統(tǒng)的每一相電能，經(jīng)過高壓級(jí)調(diào)制成高頻信號(hào)后，傳遞給隔離級(jí)，并耦合到低壓級(jí)，分配到a,b, c三相，變換成所需的交流信號(hào)后輸出;反之，當(dāng)實(shí)現(xiàn)從低壓側(cè)向高壓側(cè)傳遞能量時(shí)，原方系統(tǒng)的

自平衡電子電力變壓器高壓級(jí)控制

高壓級(jí)的控制目標(biāo)主要有2個(gè):一是實(shí)現(xiàn)直流電壓恒定，二是實(shí)現(xiàn)交流側(cè)電流正弦和功率因數(shù)靈活可調(diào)。

1)開關(guān)方式。

多電平控制技術(shù)有很多，在級(jí)聯(lián)多電平中最常用的是載波移相正弦PW M技術(shù)。在這種控制技術(shù)下，由N個(gè)單相全橋級(jí)聯(lián)成的變換器，其交流側(cè)電壓的電平數(shù)可以達(dá)到2N十1個(gè)，因此在較低的開關(guān)頻率下，就可以使諧波含量大大降低，同時(shí)使開關(guān)損耗也大幅度減小。不失一般性，下面的分析將以3個(gè)單相全橋級(jí)聯(lián)為例進(jìn)行。

單相全橋模塊如圖3 中(a)所示，開關(guān)Si~Sa的開關(guān)點(diǎn)由載波和調(diào)制波的交點(diǎn)決定。

S1和S3的開關(guān)信號(hào)互補(bǔ)，S2和S4的開關(guān)信號(hào)互補(bǔ)。S1和S3的開關(guān)信號(hào)分別由相位差為180°的正弦波和同一個(gè)三角載波比較的交點(diǎn)得到，如圖3中(b)所示。因此，每個(gè)模塊的交流側(cè)輸出是PWM信號(hào)的疊加.

當(dāng)N個(gè)單相全橋模塊級(jí)聯(lián)時(shí)，如果保持所有模塊采用相同的調(diào)制信號(hào)，但各白的載波信號(hào)依次錯(cuò)開一定的角度;，就可以使交流側(cè)疊加波形成多階

自平衡電子電力變壓器直流電壓控制

從系統(tǒng)側(cè)而言，高壓級(jí)可以采用式(2)的微分方程來進(jìn)行描述:

圖4給出了A-EPT高壓級(jí)的直流電壓控制方案。它由2個(gè)獨(dú)立的控制器Pu1和Pu2構(gòu)成。其基本思路是將實(shí)際直流電壓與參考值比較后的偏差作為反饋信號(hào)，經(jīng)過調(diào)節(jié)器后形成有功電流參考值。為了盡可能避免因?yàn)槟K特性或電路參數(shù)不完全一致導(dǎo)致級(jí)聯(lián)模塊問的直流電壓不平衡，在直流電壓控制環(huán)中，將單個(gè)模塊的直流電壓與平均直流電壓之問的偏差經(jīng)調(diào)節(jié)器，用以修正各個(gè)模塊調(diào)制波的相角。因?yàn)橹绷麟娙蓦妷旱母叩?，與交流側(cè)提供的有功功率相關(guān)，通過修正各個(gè)調(diào)制波的相角，就可以調(diào)整交流側(cè)提供的有功功率，從而達(dá)到調(diào)整直流電壓的目的。這里所設(shè)計(jì)的載波移相與傳統(tǒng)意義上的有不同，稱為改進(jìn)載波移相技術(shù)。

自平衡電子電力變壓器交流電流控制

從式(2)可以看出，d, q軸之問存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，給控制器的設(shè)計(jì)帶來很大的困難。為此，在電流控制環(huán)中引入狀態(tài)反饋解禍，如圖4所示。為了實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)為1, q軸電流參考值被置為0.

自平衡電子電力變壓器隔離級(jí)控制

隔離級(jí)要實(shí)現(xiàn)將直流轉(zhuǎn)換成交流并耦合到副方后還原成直流，這里采用開環(huán)PWM控制就可以滿足要求。對(duì)于高頻變壓器高壓側(cè)的單相全橋變換器，采用占空比為50%的PWM波進(jìn)行逆變，而對(duì)于高頻變壓器低壓側(cè)的單相全橋整流器，同步進(jìn)行整流即可。整個(gè)控制方案如圖5所示。

自平衡電子電力變壓器低壓級(jí)控制

低壓級(jí)控制目標(biāo)是保證提供給低壓側(cè)系統(tǒng)的電壓恒定。如果考慮低壓側(cè)為無源系統(tǒng)，則可以采用基于瞬時(shí)值反饋的定交流電壓控制，如圖6所示。2100433B

自從變壓器被發(fā)明以來，它已經(jīng)成為輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備之一。它具有成本低、效率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地用來實(shí)現(xiàn)電壓變換和隔離。然而，近十幾年來，隨著大量非線性負(fù)荷和敏感用戶的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)變壓器固有的缺點(diǎn)，如直流偏磁、飽和、波形畸變等，變得越來越突出。因此，許多學(xué)者開始進(jìn)行基于電力電子技術(shù)的新型電力變壓器的研究。

于 AC/AC高頻鏈接的電了變壓器的思想，并實(shí)現(xiàn)了一種200V/3kVA的樣機(jī)，對(duì)這種AC/AC直接高頻鏈接的電了變壓器的控制算法進(jìn)行了優(yōu)化，提高了效率，但它們無論是從功率等級(jí)還是電壓等級(jí)上，都與配電系統(tǒng)的實(shí)際情況不相適應(yīng) 。

可以實(shí)現(xiàn)整功率因數(shù)(即電壓和電流同相位，功率因數(shù)為1)整流的多模塊級(jí)聯(lián)的單相電力電了配電變壓器，通過低壓模塊的級(jí)聯(lián)，達(dá)到配電系統(tǒng)的兒千伏至兒十千伏的電壓水平。但該變壓器只能實(shí)現(xiàn)功率單向流動(dòng)，并且無功控制不靈活。以單相和三相電壓源變換器(VSC)為基礎(chǔ)，構(gòu)造了一種新的三階式電了電力變壓器，但只是從原理上進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方案設(shè)計(jì)，而沒有 具體的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行仿真或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證，并且，該電了電力變壓器的中間隔離變壓器制造和DC-DC模塊的控制都非常復(fù)雜。

中文名稱

自平衡裝置

英文名稱

self-balancing device

定　　義

在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，對(duì)不平衡的變化能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难b置。

應(yīng)用學(xué)科

機(jī)械工程（一級(jí)學(xué)科），試驗(yàn)機(jī)（二級(jí)學(xué)科），平衡機(jī)（三級(jí)學(xué)科）

自平衡電橋電橋的關(guān)鍵部分是平衡模塊。由于電橋本身并存在不 平衡，即使在傳感器輸入為零的情況下，電橋的輸出也不會(huì)為零，而是一個(gè)固定的信號(hào)，這個(gè)固定的不平衡信號(hào)大約為幾毫伏至幾十毫伏，有時(shí)甚至比傳感器信號(hào)要大得多。在水分檢測(cè)過程中，這個(gè)固定信號(hào)會(huì)使放大器較早地達(dá)到飽和，從而影響電容傳感器信號(hào)的放大。為了進(jìn)一步放大傳感器信號(hào)，必須抑制掉這一不平衡信號(hào)。

平衡模塊設(shè)計(jì)是水分檢測(cè)系統(tǒng)提高檢測(cè)微小信號(hào)能力的關(guān)鍵。平衡的調(diào) 節(jié)方式可以是手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可以是自動(dòng)調(diào)節(jié)。另外，借助自動(dòng)平衡模塊還可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍的移動(dòng)，即在敏感電容值附近實(shí)現(xiàn)相對(duì)測(cè)量，從而極大地提高檢測(cè)精度。因此，自動(dòng)平衡模塊的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)在 線高精度檢測(cè)的關(guān)鍵 。自動(dòng)平衡電路原理如圖1所示。

電橋檔位選擇后（或者設(shè)定相對(duì)檢測(cè)電容后），空載傳感器的信號(hào)進(jìn)入自動(dòng)平衡模塊，并被分解為水平相位信號(hào)和垂直相位信號(hào)。水平相位信號(hào)和垂直相位信號(hào)分別通過零比較器控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向。當(dāng)比較器輸出為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)；當(dāng)比較器輸出為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器增計(jì)數(shù)。水平相位信號(hào)有正負(fù)之分，如果水平相位信號(hào)為正，當(dāng)平衡按鍵按下時(shí)，計(jì)數(shù)器開始減計(jì)數(shù)，使得數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出逐漸減小，這樣水平相位信號(hào)也就逐漸減小，直到減小為零。

如果水平相位信號(hào)為負(fù)，當(dāng)平衡按鍵按下時(shí)，計(jì)數(shù)器開始增計(jì)數(shù)，使得數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出逐漸增大，這樣水平相位信號(hào)也就逐 漸增大，直到增大到零。垂直相位信號(hào)的調(diào)整也同理。調(diào)整的最終結(jié)果是使得水平相位信號(hào)和垂直相位信號(hào)逐漸向零點(diǎn)靠近，從而完成自動(dòng)平衡過程，使空載傳感器的輸出為零。

自平衡電動(dòng)滑板在設(shè)備內(nèi)部配置了可保持平衡的先進(jìn)技術(shù)，玩滑板的人可以將滑板稍微向前傾斜就可以使滑板加速前進(jìn)，稍微向后傾斜時(shí)，滑板會(huì)減速或停下。要轉(zhuǎn)彎時(shí)，用戶可以像沖浪一樣側(cè)彎就可以了。而且根據(jù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)公司建議，自平衡電動(dòng)滑板不僅可以當(dāng)做滑板使用，而且用戶還可以將它當(dāng)做滑雪板或沖浪板一樣使用，盡管沒有雪或水，它仍然可以做滑雪或沖浪運(yùn)動(dòng)可以做的動(dòng)作等。

它運(yùn)用陀螺儀，加速計(jì)，專有算法和一個(gè)橡膠輪胎來給使用者帶來一種就像使用滑雪板在陸地上滑行的感覺。你可以把它當(dāng)作滑板耍玩，也能當(dāng)它是輛獨(dú)輪車出行代步。