自平衡電子電力變壓器簡介

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，因此被廣泛地用來實現(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，傳統(tǒng)變壓器固有的缺點，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，并實現(xiàn)了一種200V/3kVA的樣機，對這種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還是電壓等級上，都與配電系統(tǒng)的實際情況不相適應(yīng) 。

可以實現(xiàn)整功率因數(shù)(即電壓和電流同相位，功率因數(shù)為1)整流的多模塊級聯(lián)的單相電力電了配電變壓器，通過低壓模塊的級聯(lián)，達(dá)到配電系統(tǒng)的兒千伏至兒十千伏的電壓水平。但該變壓器只能實現(xiàn)功率單向流動，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)計和控制方案設(shè)計，而沒有 具體的實現(xiàn)方案進(jìn)行仿真或?qū)嶒烌炞C，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。

A-EPT采用了3階式(高壓級、隔離級和低壓級)設(shè)計思路，由3組高壓側(cè)采用級聯(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設(shè)計

由于單個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，因此用于輸、配電系統(tǒng)的電力電了裝置需要采用多個功率器件或者模塊串聯(lián)技術(shù)。A-EPT高壓級每一相都是由N個完全相同的單相全橋VSC模塊級聯(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現(xiàn)功率因數(shù)靈活控制，單相全橋采用PWM整流運行方式，各模塊之問采用載波移相技術(shù)。

由于采用了N個無論是容量還是耐壓等級都相同的單相全橋，所以只要采用適當(dāng)?shù)目刂?，就可以實現(xiàn)N個單相全橋的直流側(cè)電壓相等，進(jìn)而實現(xiàn)交流側(cè)高壓平均地分配在N個單相全橋變換器上，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)時復(fù)雜的保護(hù)電路。

自平衡電子電力變壓器隔離級設(shè)計

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

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的隔離級的每一相是由N個單相全橋DC/高頻AC變換器模塊、1個N輸入3輸出高頻變壓器和3個單相全橋高頻AC/DC變換器組成。高頻變壓器輸出端的個數(shù)也可以是3的倍數(shù)。當(dāng)功率由高壓級向低壓級流動時，高壓級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，再由低壓級高頻AC/DC變換器重新還原成直流。反之，低壓級高頻AC/DC變換器進(jìn)行直流調(diào)制，高壓級DC/高頻AC變換器還原成直流。如果只考慮功率單向流動，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設(shè)計

低壓級主要實現(xiàn)將隔離級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，采用多個單相逆變橋并聯(lián)。如概述圖(b)所示，A-EPT的一個了單元結(jié)構(gòu)，它的低壓級由3組獨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，將每個單元形成的a, b, c三相輸出，分別對應(yīng)地并聯(lián)在一起，組成三相A-EPT的低壓級。這種交錯并聯(lián)的最大優(yōu)點是從結(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。低壓級的連接示意圖如圖2所示。

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

自平衡電子電力變壓器高壓級控制

高壓級的控制目標(biāo)主要有2個:一是實現(xiàn)直流電壓恒定，二是實現(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個單相全橋級聯(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，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個單相全橋級聯(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)點由載波和調(diào)制波的交點決定。

S1和S3的開關(guān)信號互補，S2和S4的開關(guān)信號互補。S1和S3的開關(guān)信號分別由相位差為180°的正弦波和同一個三角載波比較的交點得到，如圖3中(b)所示。因此，每個模塊的交流側(cè)輸出是PWM信號的疊加.

當(dāng)N個單相全橋模塊級聯(lián)時，如果保持所有模塊采用相同的調(diào)制信號，但各白的載波信號依次錯開一定的角度;，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高壓級的直流電壓控制方案。它由2個獨立的控制器Pu1和Pu2構(gòu)成。其基本思路是將實際直流電壓與參考值比較后的偏差作為反饋信號，經(jīng)過調(diào)節(jié)器后形成有功電流參考值。為了盡可能避免因為模塊特性或電路參數(shù)不完全一致導(dǎo)致級聯(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，用以修正各個模塊調(diào)制波的相角。因為直流電容電壓的高低，與交流側(cè)提供的有功功率相關(guān)，通過修正各個調(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控制

隔離級要實現(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。整個控制方案如圖5所示。

自平衡電子電力變壓器低壓級控制

低壓級控制目標(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值反饋的定交流電壓控制，如圖6所示。2100433B

中文名稱

自平衡裝置

英文名稱

self-balancing device

定　　義

在正常運轉(zhuǎn)過程中，對不平衡的變化能自動進(jìn)行補償?shù)难b置。

應(yīng)用學(xué)科

機械工程（一級學(xué)科），試驗機（二級學(xué)科），平衡機（三級學(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，電橋的輸出也不會為零，而是一個固定的信號，這個固定的不平衡信號大約為幾毫伏至幾十毫伏，有時甚至比傳感器信號要大得多。在水分檢測過程中，這個固定信號會使放大器較早地達(dá)到飽和，從而影響電容傳感器信號的放大。為了進(jìn)一步放大傳感器信號，必須抑制掉這一不平衡信號。

平衡模塊設(shè)計是水分檢測系統(tǒng)提高檢測微小信號能力的關(guān)鍵。平衡的調(diào) 節(jié)方式可以是手動調(diào)節(jié)，也可以是自動調(diào)節(jié)。另外，借助自動平衡模塊還可以實現(xiàn)測量范圍的移動，即在敏感電容值附近實現(xiàn)相對測量，從而極大地提高檢測精度。因此，自動平衡模塊的設(shè)計是實現(xiàn)在 線高精度檢測的關(guān)鍵 。自動平衡電路原理如圖1所示。

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

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

自平衡電動滑板在設(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，滑板會減速或停下。要轉(zhuǎn)彎時，用戶可以像沖浪一樣側(cè)彎就可以了。而且根據(jù)設(shè)計生產(chǎn)公司建議，自平衡電動滑板不僅可以當(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動可以做的動作等。

它運用陀螺儀，加速計，專有算法和一個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)它是輛獨輪車出行代步。