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开关电路符号分析技术及其工程应用研究

莫金海  
【摘要】: 现代电力电子技术以开关电路理论为基础,被广泛应用于国民经济中能源的变换、传递、利用和控制等过程,以提高能源的利用效率和控制效果。电力电子系统是一个涉及开关电路技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术和材料科学技术等多学科交叉的复杂系统工程,只有充分利用计算机仿真技术才能有效提高其分析和设计效率,降低试验成本。开关电路涵盖电力电子电路和非线性(Piecewise Linear/PWL)电路,属典型的强非线性电路理论范畴,因此,其分析和设计难度很大,主要存在分析时间过长和收敛效果差两大问题,目前尚没有理想的解决办法。本文提出一种新的开关电路符号辅助分析技术,旨在为解决开关电路分析的两大难题提供一个新的有效解决方案。全文研究主要包含如下内容: (1)首先对种类繁多的实际开关电路进行归纳总结,把一般开关电路或PWL电路的分析问题归结为理想开关电路的建模和分析问题,指出开关电路的分析最终归结为理想二极管工作状态的确定问题,为开关电路分析建立统一的、普适的数学模型和解决方法奠定基础。 (2)提出一种基于符号分析技术的开关电路分析方法,分析了开关电路解的特点,为仿真程序的设计提供可靠的依据。该方法把开关元件等效为时变电阻符号变量RQD(0或∞)并求出开关电路的s域符号通解F(RQD,s),根据F(RQD,s)和开关工作状态,取极限和Laplace逆变换可求出电路的时域解f(t)。F(RQD,s)可反复利用于开关状态变化时新工作状态的迭代过程;而开关工作状态确定后的f(t)有效至下一个工作状态,因此开关状态确定前后的各个过程都无需求解电路方程,从而节省了分析时间。另外,符号分析技术能较好地处理Dirac冲击问题,避免出现算法不收敛情况;符号解f(t)可帮助设计者较好洞察电路的工作机理,更有效地评估和改进电路设计。 (3)利用Matlab/Maple符号分析平台,设计了一个开关电路符号辅助分析程序并给出了程序设计过程的关键技术细节。通过对典型DC-AC电路在两个工作模式的仿真,展现了所提出的开关电路符号辅助分析技术的全貌和特点,为其应用到实际奠定必要的基础。 (4)对于占总分析时间90%的开关工作状态确定过程,提出一种改进遗传算法求解技术。该算法采用种群排挤技术、自适应变异技术和定点诱导变异技术等方面的改进,成功地克服了经典遗传算法所固有的“早熟性收敛”问题并使之以较快的速度收敛到正确开关状态解。从数值仿真结果看,改进遗传算法所需电路分析次数平均仅为穷举法的16%,计算效率大大高于穷举法。遗传算法不存在传统线性互补问题(Linear Complementary Problem/LCP)解法和穷举法的“维数灾难”现象,特别适合处理较大规模开关电路的分析。 (5)针对传统电子束焊机加速电源存在的效率低下等弊端,运用SABER仿真技术,设计了一个BUCK型高压开关稳压电源,同时部分验证了符号分析技术的可行性。通过分析过渡过程浪涌电流产生的机理,提出了一种有效的限流保护措施;根据系统的开、闭环特性,提出了适合系统控制要求的前馈控制方法。仿真和实验验证了系统设计的可行性,为提高我国电子束焊机的技术水平探索了新的途径。


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