隔离多输入变流器研究毕业论文.doc
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1、 本科毕业设计(论文)隔离多输入变流器研究 燕 山 大 学2011年 6月 本科毕业设计(论文)隔离多输入变流器研究学院(系):电气工程学院 专 业:07级应用电子 学生 姓名: 学 号:070103030092 指导 教师: 答辩 日期:2011年6月24日 燕山大学毕业设计(论文)任务书学院: 系级教学单位: 学号070103030092学生姓名卢耶底专 业班 级应电1班题目题目名称隔离多输入变流器研究题目性质1.理工类:工程设计 ( );工程技术实验研究型( );理论研究型( );计算机软件型( );综合型( )2.管理类( );3.外语类( );4.艺术类( )题目类型1.毕业设计(
2、) 2.论文( )题目来源科研课题( ) 生产实际( )自选题目( ) 主要内容对现有的隔离型多输入变流器进行了解,确定其控制方式,完成控制系统的设计,进行仿真研究。主要内容:1 综述隔离型多输入变流器的控制方法2 设计适合于隔离型多输入变流器控制的控制系统3 设计或者寻求建立用于仿真的变换器数学模型4 使用合适的软件完成仿真基本要求1按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计说明书一份(不少于2.4万字),A0图纸一张。2说明书及插图一律打印,要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合国家现行标准。3按教研室指定的地点进行设计,严格按进度计划完成毕业设计任务。参考资料1IEEE TR
3、IEEE TRANS ON POWER ELECTRONICS 各年度杂志论文2电力电子技术杂志3电机工程学报4自己收集的参考文献周 次第14周第58周第912周第1316周第1718周应完成的内容资料检索,课题设计任务分解,主要工作过程分析,仿真软件学习控制方案理论分析与表达式推导,基本仿真研究控制方案仿真系统性能优化,总结,撰写论文撰写论文,答辩指导教师:王宝诚职称:教授 2010年12月30日系级教学单位审批: 年 月 日摘要人类生活和电力息息相关、密不可分。目前电力的主要来源仍旧是靠火力发电与核能发电。火力发电由自然界有限的化石能源燃烧产生热能,热能再转化为机械能,再由机械能经过发电机
4、转化为电能。对于核能发电,25年前的切尔诺贝利核电站事故和今年的日本福岛核电站发生的事故,使得核电在安全性方面又令人担忧。在这个背景下,利用可再生能源发电在世界各国越来越受到重视。太阳能和风能是真正纯净、无污染而且易于取得的能源,用之不竭、取之不尽,而且太阳能和风能能在日夜、季节互补。传统的新能源分布式供电系统中每种能源形式均需要一个DC-DC变换器,将各能源变成直流输出,并联在公共直流母线上给直流负载供电。此装置结构复杂,成本亦较高。为了简化电路结构,可以用一个多输入直流变换器(Multiple-Input Converter,MIC)代替多个单输入直流变换器。MIC允许多种能源输入,输入源
5、的性质、幅值和特性可以相同也可以有较大差别。多个输入可以分别或者同时向负载供电,提高系统的灵活性和稳定性,实现能源优先利用并且降低系统成本。本文旨在提出一种新的双输入Zeta型电路拓扑结构的变换器,两个输入源同时或只有一个时均能正常工作,向负载输出电能。之后在实现多输入的基础上改进电路拓扑结构,加入变压器进行电气隔离,提高电路工作的可靠性。关键词多输入;DC-DC变换器;Zeta型变换器;隔离变压器AbstractElectricity is so related to humans daily life. Currently the main source of generating ele
6、ctricity power is still by thermal and nuclear. Thermal generation is by the combustion of limited fossil fuels into heat power, then transforming heat power into mechanical power, at last transforming mechanical power into electricity via generation. For the nuclear power, considering the Chernobyl
7、 nuclear accident 25 years ago in former Soviet Union and Fukushima nuclear power plant accidents this year in Japan, most people have concern in security in nuclear power generation. In this context, the use of renewable energy getting more and more attention in the world.Solar and wind power is re
8、al pure, clean and easy to get, and they are inexhaustible. They can also complement each other in the day and night, and seasons. The traditional distributed power supply system in new energy forms each form of new energy need a DC-DC converter, converting power source into DC out-put, parallel to
9、the common DC bus supplying for the load. This device structure is complex and cost higher. To simplify the circuit structure, we can use a multiple-input DC-DC converter (MIC) instead of multiple single-input DC-DC converters. MIC allows for a variety of energy input, the nature, the amplitude and
10、the characteristics of energy inputs can be the same and also can be quite different. Multiple inputs can separately or simultaneously serve the load. This improve the system flexibility and stability, take advantage of energy use, and cost less.This paper presents a new type of two-input Zeta conve
11、rter circuit topology, the two inputs at the same time or only one input can also out put power to the load. Then, giving an improvement based on this multiple-input converter topology by adding electrical isolation transformer to improve the reliability of the circuit.KeywordsMultiple-input; DC-DC
12、converter; Zeta converter; isolation transformer目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 传统多输入变换器系统21.3 新型多输入变换器21.3.1 脉冲电源的分类31.3.2 脉冲电源的连接原则41.3.3 MIC的隔离方式51.3.4 隔离型MIC拓扑71.4 本章小结8第2章 双输入Zeta型DC-DC变换器92.1 单输入Zeta变换器92.2 双输入Zeta变换器拓扑结构与工作状态102.3 双输入Zeta型DC-DC变换器的基本数量关系132.4 双输入Zeta型DC-DC变换器参数计算142.5 双输入
13、Zeta型DC-DC变换器仿真152.6 本章小结21第3章 隔离双输入Zeta型DC-DC变换器223.1 隔离双输入Zeta型DC-DC变换器拓扑结构223.2 隔离双输入Zeta型DC-DC变换器电路工作原理233.3 隔离变压器的设计263.4 隔离双输入Zeta型DC-DC变换器仿真293.5 本章小结34结论36参考文献37致谢39附录1 开题报告40附录2 文献综述48附录3 中期检查报告53附录4 中文译文57附录5 外文原文64第1章 绪论1.1 课题背景人类与电力的需求息息相关密不可分,一旦停止供电,在社会与民生方面产生的影响颇为严重,对工厂生产、政府工作则带来更大的冲击。
14、目前电力的主要来源还是靠火力发电与核能发电,火力发电由化石燃料燃烧将热能转化为机械能,再由机械能转化为电能;而核能则由核裂变产生的能量转化为机械能再发电。然而,人们对核能发电的安全有所担忧(在二十五年前乌克兰切尔诺贝利核电站事故以及近期日本福岛核电站事故),全球化石燃料有限且日益减少,更是带来环境污染和温室效应。因此,利用可再生能源来发电已经被广为重视,尤其是利用太阳能和风能发电,更受到各国青睐并已经开始在很多地区修建太阳能发电厂与风能发电厂。目前以太阳能与风能供电的应用产品在世界各国日益增多,尤其是日本、德国、荷兰、意大利、奥地利等国,虽然其他国家日照量及年平均日照时长数均不如我国,但仍计划
15、将太阳能普及在一般家庭的应用上。在2010年,我国已经成为全球风电装备最大的消费者和生产者1,在经济快速增长和电力需求增加的大背景下,风电的迅猛发展,在中国应对能源结构多样化、环境保护和节能减排等挑战中扮演着不可替代的角色。在我国可再生能源中长期发展规划2更是提出到2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10%,到2020年达到15%的发展目标。为了能有效利用阳光光电与风力发电,将两种发电系统整合,提高供电电量,达到季节与日夜互补的功效,提升再生能源供电的可靠度及电源效率,是一个很重要的课题。传统的新能源分布式供电系统中每种能源形式均需要一个DC-DC变换器,将各能源变成直流输出,并联在
16、公共的直流母线上,供给直流负载,结构较复杂,且成本较高。为了简化电路结构,可以用一个多输入直流变换器(Multiple-Input Converter,MIC)代替多个单输入直流变换器。MIC允许多种能源输入,输入源的性质、幅值和特性可以相同,也可以差别很大,多输入源可以分别或同时向负载供电, 因此提高了系统的稳定性和灵活性,实现能源的优先利用,并且降低系统成本。1.2 传统多输入变换器系统如前面叙述的,传统新能源分布式供电系统中每种能源都需要一个DC-DC变换器,将各个输入源变成直流输出,最后并联在公共的直流母线上,再供给直流负载,结构复杂,成本高3。图1-1 传统MIC系统图如图1-1所示
17、即为传统分布式供电系统的系统图,每个输入源均需要一个DC-DC变换器,输出并联为负载供电。1.3 新型多输入变换器新型多输入变换器具有同时或分时供电、体积小、效率高、便于集中控制的优点,其系统图如下:图1-2 新型MIC系统图新型多输入变换器可分为同时供电和分时供电两类,增加多个输入电压源与原来的输入电压源并联可以得到基本的多输入Buck变换器,该方法还可应用于Buck-boost变换器、Forward变换器和Flyback变换器。多输入Forward变换器和多输入Flyback变换器属于隔离型多输入变换器。在这些变换器中,各输入电压源及其串联开关连接于各自独立变压器的一次绕组,同时共用一个变
18、压器二次绕组,但此类MIC在任何时刻只有一种输入源向负载提供能量,属于分时供电MIC。为了实现同时供电,一些新的MIC拓扑相继被提出,例如Buck和Buck-boost型MIC,它们共用一个由电感、电容构成的输出滤波电路,减少了无源元件数量,多绕组隔离型MIC包括半桥和全桥MIC等,此类变换器实现了输出电路电气隔离。MIC的电源均为脉冲电源单元,包括脉冲电压源单元(Pulsating Voltage Source Cell, PVSC)和脉冲电流源单元(Pulsating Current Source Cell, PCSC),将其应用于非隔离型变换器中可以得到一些非隔离型MIC电路拓扑,将这些
19、脉冲电源单元合理连接,并与合适的输出滤波电路级联,得到了一些非隔离型和隔离型MIC,实现了多输入源既能同时又能分时地向负载传递能量。对于隔离型MIC,每增加一个输入源需要增加一个一次绕组,随着输入源数量增加,一次绕组也相应增多,变压器的制作将变得较为困难, 而且各绕组之间难以做到良好的耦合,导致漏感增大,损耗增加。1.3.1 脉冲电源的分类由输入源和开关网络可以得到PSC,它分为PVSC和PCSC,PVSC包括Buck型、Cuck型和Zeta型三种,如图1-3a)、b)、c)所示;PCSC包括Boost型、Buck-boost型和Sepic型三种,如图1-3d)、e)、f)所示。4 a)Buc
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