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本质安全型buck开关变换器剩余能量分析研究

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本质安全型Buck开关变换器剩余能量分析研究

作者：黄伟青北方工业大学

学位级别：硕士

矿用开关变换器要达到本质安全性能要求,电路中可能产生的电弧放电能量必须符合标准规定。针对电路发生故障并且保护起作用后所产生的剩余能量问题,论文对本质安全型buck开关变换器剩余能量问题进行理论分析和仿真验证。首先对本质安全... 详细信息

矿用开关变换器要达到本质安全性能要求,电路中可能产生的电弧放电能量必须符合标准规定。针对电路发生故障并且保护起作用后所产生的剩余能量问题,论文对本质安全型buck开关变换器剩余能量问题进行理论分析和仿真验证。首先对本质安全型buck开关变换器进行电路分析,得到剩余能量最大值的计算公式;分析剩余能量最大值与电路参数之间的关系后,指出剩余能量最大值与剩余能量平均值之间的比例关系仅与电路时间常数有关,在临界条件下,这是电路的固有特性。剩余能量最大值的计算与分析为本质安全型电路通过能量约束这一条件来调整电路参数提供了一定的理论支撑。然后,通过计算并分析buck开关变换器中剩余能量最大值问题在电路连接电缆后发生的变化情况,并分析连接电缆发生开路电弧情况下剩余能量与电缆长度之间关系。基于DART保护电路特性,建立了放电电流线性衰减不完全电弧放电数学模型,分析能量组成的比例变化,为限制电弧放电能量提供理论依据。最后通过Pspice仿真观察DART保护电路在buck电路中起保护作用时,是否在规定时间内实现电路保护,且电路中剩余能量控制在安全范围以内。仿真分析进一步证明了DART保护方式的有效性。

关键词：本质安全 buck开关变换器剩余能量 DART保护

采用LC滤波的大功率本安buck开关变换器

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现代电子技术 2012年第12期35卷 137-138,142页

作者：李艳张菁榆林学院陕西榆林719000

随着矿井智能化的不断推进及安全级别的不断提高,本质安全型电气电子设备正被广泛推广使用,而其中的核心控制芯片所需的电压越来越低,所以对低压大功率本安电源的需求也就越来越大。为了提高本安buck变换器的输出功率,采用了一种在基本... 详细信息

随着矿井智能化的不断推进及安全级别的不断提高,本质安全型电气电子设备正被广泛推广使用,而其中的核心控制芯片所需的电压越来越低,所以对低压大功率本安电源的需求也就越来越大。为了提高本安buck变换器的输出功率,采用了一种在基本本安buck变换器的输出端附加LC滤波电路的方法,分析了采用LC滤波的大功率本安buck变换器(LC-buck变换器)的组成及工作原理,通过实验对比得出了本安LC-buck变换器在同等条件下可以有效提高输出功率的结论。

关键词：矿井智能化本安电源 LC滤波器 buck开关变换器

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buck型开关变换器最优PID控制器设计

电机与控制学报 2008年第6期12卷 639-643页

作者：马红波冯全源西南交通大学信息科学与技术学院四川成都610031

针对开关电源的复杂性和时变性,传统PID控制器整定方法无法很好满足其控制性能要求的问题,提出一种面向性能指标的最优PID控制器参数整定方法。基于DP算法,计算保证闭环系统稳定的PID控制器参数范围;利用具有全局寻优能力的遗传算法,按... 详细信息

针对开关电源的复杂性和时变性,传统PID控制器整定方法无法很好满足其控制性能要求的问题,提出一种面向性能指标的最优PID控制器参数整定方法。基于DP算法,计算保证闭环系统稳定的PID控制器参数范围;利用具有全局寻优能力的遗传算法,按照ITAE性能指标在该范围内进行参数寻优。以buck变换器为利的仿真研究表明,该方法在指定的性能指标上取得了满意的控制效果,在负载发生摄动时,较传统PID控制器,具有较好的鲁棒性,且计算相对简单、实用性强,可推广到非线性PID控制器的参数整定和相关工程实践中。

关键词：遗传算法 buck开关变换器 PID控制器 DP算法

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buck型DC-DC变换器的滑模控制研究

Buck型DC-DC变换器的滑模控制研究

作者：孙文静北京交通大学

学位级别：硕士

DC-DC开关变换器是一种时变非线性开关电路,其建模、控制器设计和性能分析一直是功率电子学领域的热点问题。在众多非线性控制策略中,滑模控制的DC-DC开关变换器具有快速的瞬态特性和良好的鲁棒性,其控制器算法的研究具有重要的理论意... 详细信息

DC-DC开关变换器是一种时变非线性开关电路,其建模、控制器设计和性能分析一直是功率电子学领域的热点问题。在众多非线性控制策略中,滑模控制的DC-DC开关变换器具有快速的瞬态特性和良好的鲁棒性,其控制器算法的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文以DC-DC开关变换器中buck电路为研究对象,设计有效的滑模控制策略。本文的主要研究工作包括：首先,根据buck电路建立其数学模型;其次,研究buck开关变换器采用传统滑模方法的控制器设计和参数选择,并分析其控制作用下的系统性能;再次,针对传统滑模控制存在的问题,研究面向性能的改进型滑模控制算法,主要包括终端滑模控制算法和自适应滑模控制算法;最后基于构建的FPGA实验平台对buck开关变换器的传统滑模控制算法进行验证。本文的主要内容如下：(1)介绍DC-DC变换器中buck电路的工作原理,对buck电路在开关导通和断开两种不同状态进行分析,利用基尔霍夫电压、电流定律对系统的状态进行数学描述。采用多种方式对buck电路进行数学建模。(2)在介绍滑模控制算法的基础上,将滑模变结构控制引入到DC-DC开关变换器控制器设计中。针对buck电路数学模型,利用变结构控制理论,设计合理的滑模面以及滑模控制器参数,并分析滑模面的收敛性。(3)针对传统滑模控制收敛时间长,负载电阻与标称值存在偏差的问题,设计了终端滑模控制和自适应滑模控制。传统滑模控制可以通过选取合适的参数值使其动态响应加快,但无论如何选取,其状态跟踪误差都将无限时间收敛。终端滑模控制通过改进滑模面的设计形式,使得状态跟踪误差收敛时间有限;此外由于buck开关变换器的负载电阻实际值与标称值存在偏差,造成实际滑模面的选取并非最优,自适应滑模控制通过计算电阻电流和输出电压,实时地获取最优滑模面。(4)搭建实验平台,验证了所提滑模控制算法的优越性。采用NI9683板卡、NI sbRIO-9606板卡和buck电路评估板搭建实验平台,通过LabView语言实现控制算法,以验证滑模控制算法的有效性。同时编写PID控制算法作为比较,验证滑模变结构控制的优越性。通过仿真和实验平台的结果进一步证实了本文研究的滑模变结构控制在控制buck开关变换器所表现出来的优势。两种面向性能的滑模算法也都具有较好的控制效果,有助于开关电源的性能优化和设计效率的提高。

关键词： buck开关变换器滑模变结构控制终端滑模控制自适应滑模控制

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基于buck电路的滑模算法研究

基于BUCK电路的滑模算法研究

作者：王典北方工业大学

学位级别：硕士

随着电力电子技术的飞速发展,电源的效率、体积和重量越来越受到人们的关注。相对一般电源而言,开关电源具有(SMPS)效率高、响应速度快、对参数退化鲁棒等优点。另一方面,数字控制器随着集成电路的发展,体积越来越小且可在现场可编程门... 详细信息

随着电力电子技术的飞速发展,电源的效率、体积和重量越来越受到人们的关注。相对一般电源而言,开关电源具有(SMPS)效率高、响应速度快、对参数退化鲁棒等优点。另一方面,数字控制器随着集成电路的发展,体积越来越小且可在现场可编程门阵列(FPGA)上实现。基于以上原因,数字控制模式的开关电源在过去十年中受到了广泛关注。本文以buck电路为研究对象,设计有效的PID控制算法和滑模变结构控制算法。本文的主要研究工作包括:首先,根据buck电路建立其数学模型;其次,分别研究buck开关变换器采用PID控制算法的控制器设计与参数选择和滑模变结构控制算法的控制器设计与参数选择,然后分析系统性能;再次,基于buck电路拓扑结构,设计电流观测器;然后,在PID控制和滑模变结构控制的基础上,设计高精度混合数字脉宽调制器;另外,利用AltiumDesigner软件绘制AD电路板和buck电路板;最后,搭建FPGA实验平台,基于实验平台对buck开关变换器的PID控制算法和滑模变结构控制算法硬件实现,分析并对比实验结果。本文主要内容如下:(1)介绍本课题研究背景及意义,提出课题研究方案,从课题研究方法和课题研究步骤两方面说明了研究此课题的可行性。(2)介绍buck电路的基本工作原理,分析buck电路开关导通和断开两种不同状态,利用基尔霍夫电压、电流定律对系统的状态进行状态空间建模和小信号建模。(3)在介绍PID控制算法的基础上,将PID控制算法应用到buck电路控制器设计中。针对其数学模型,利用PID控制理论,计算相应的控制器参数,设计合理的控制器。(4)在介绍滑模变结构控制算法的基础上,将滑模变结构控制算法应用到buck电路控制器设计中。针对其数学模型,利用滑模变结构控制理论,计算相应的控制器参数,设计合理的控制器。(5)设计并实现一种高精度混合延迟链型数字脉宽调制器(DPWM),利用快速计数比较器和延时单元,在FPGA开发板工作频率为128 MHz,buck电路开关管的工作频率为1 MHz的条件下,实现了 11位的DPWM,此时最小延时单元时间为0.488ns。(6)介绍AD电路板和buck电路板的设计原理。采用FPGA开发板XilinxXUPVirtex II Pro、AD电路板和buck电路板搭建实验平台,通过VHDL语言实现控制算法,验证PID控制算法和滑模变结构控制算法的有效性,同时将两种控制算法的结果对比分析,证明滑模变结构控制算法的优越性。仿真和硬件实验结果都证明:相对PID控制算法而言,滑模变结构控制算法在控制buck开关变换器时有一定的优越性,此优势有助于优化开关电源的性能,提高开关电源的效率。

关键词：现场可编程门阵列 buck开关变换器滑模变结构控制算法数字脉宽调制器

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基于三相变流器的动态模型及空间矢量调制

基于三相变流器的动态模型及空间矢量调制

作者：宋显锦太原科技大学

学位级别：硕士

电力电子学与电机传动在最近40年间经过快速的技术演进已形成一个庞大复杂的交叉学科。随着新器件,新技术的不断发展,电力电子技术在工业、商业、军事、宇航和多种环境领域的应用得到推广。尤其在电力系统,新能源发电,电动汽车中的应用... 详细信息

电力电子学与电机传动在最近40年间经过快速的技术演进已形成一个庞大复杂的交叉学科。随着新器件,新技术的不断发展,电力电子技术在工业、商业、军事、宇航和多种环境领域的应用得到推广。尤其在电力系统,新能源发电,电动汽车中的应用,电力电子技术都是最关键的核心技术。三相电压型PWM整流器可以实现网侧电流正弦化、单位功率因数运行,能有效抑制电网谐波电流以及能量双向流动,这些特性使得三相电压型PWM整流器取得了广泛的应用。尤其用于中大功率场合。三相逆变器在变频调速中有广泛应用,尤其在直接转矩控制中有重要地位。直接转矩控制策略采用电磁转矩闭环结构将逆变器与电机结合为一个整体来考虑,有必要研究三相逆变器的动态模型,及建立在其基础上的空间矢量的调制技术。电力电子装置的整体性能及高可靠性需要一个良好的系统设计,这需要电力电子装置满足一定的静态指标和动态指标,对指标定性或定量的分析需要建立系统的模型。DC-DC开关变换器中的buck、Boost变换器是构建电力电子器件的基本拓扑结构,对其结构、性能的研究具有重要意义。文章首先应用状态空间平均法对buck变换器建模,推导出各工作状态的状态方程,进而得出相应的传递函数,并对变换器仿真分析。在此基础上对电压型的三相变流器建立模型,分别在静止和旋转坐标系中对三相整流器逆变器建立开关周期平均模型,最后得出等效电路,并对变流器仿真分析。脉宽调制(PWM)技术是一种使用最为广泛的,用于电力电子变换器交流输出的控制策略,它通过改变高频工作的变换器的开关占空比(或者脉冲间隔),以取得所期望的低频的平均输出电压或者电流。调制技术处在几乎任何一种现代电力电子变换器的核心位置。文章在电压型三相变流器的基础上详细推导了空间矢量的计算方法和组织方式,并和SPWM调制方式进行比较、仿真。文章最后对研究工作做了总结,并对今后研究方向做了说明。

关键词：状态空间平均法 buck开关变换器三相变流器空间电压矢量调制仿真

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矿用LED驱动电源的设计研究

电子世界 2016年第11期 48-49,51页

作者：韩红军杨桂磊枣庄矿业(集团)有限责任公司陕西长武亭南煤业有限责任公司

目前LED驱动电源大多用于安全场所,功率较高,在煤矿井下容易引起爆炸。本质安全电路性能优良且发展越来越成熟,在煤矿上也得到了推广。本文将二次本安电源buck开关变换器与LED驱动电源系统结合,主要针对矿用本质安全型LED驱动电源从两... 详细信息

目前LED驱动电源大多用于安全场所,功率较高,在煤矿井下容易引起爆炸。本质安全电路性能优良且发展越来越成熟,在煤矿上也得到了推广。本文将二次本安电源buck开关变换器与LED驱动电源系统结合,主要针对矿用本质安全型LED驱动电源从两方面进行设计,一是二次本安电源结构中电压/电流的设计,实现LED的恒流控制;二是在满足硬件电路设计要求前提下,优化设计buck开关变换器内部电感电容参数,使得电路的本安性能得到保证。通过实例的参数设计、MATLAB和Saber仿真,验证设计方法的正确性,证明了电路的实用性。

关键词：本安型 LED驱动电源 buck开关变换器参数优化