高速電機由于轉速高、體積小、功率密度高，在渦輪發電機、渦輪增壓器、高速加工中心、飛輪儲能、電動工具、空氣壓縮機、分子泵等許多領域得到了廣泛的應用。永磁無刷直流電機由于效率高、氣隙大、轉子結構簡單，因此特別適合高速運行。高速永磁無刷直流電機是目前國內外研究的熱點，其主要問題在于：（1）轉子機械強度和轉子動力學；（2）轉子損耗和溫升。本文針對高速永磁無刷直流電機主要問題之一的轉子渦流損耗進行了深入分析。轉子渦流損耗是由定子電流的時間和空間諧波以及定子槽開口引起的氣隙磁導變化所產生的。首先通過優化定子結構、槽開口和氣隙長度的大小來降低電流空間諧波和氣隙磁導變化所產生的轉子渦流損耗；通過合理地增加繞組電感以及采用銅屏蔽環的方法來減小電流時間諧波引起的轉子渦流損耗。其次對轉子充磁方式和轉子動力學進行了分析。最后制作了高速永磁無刷直流電機樣機和控制系統，進行了空載和負載實驗研究。論文主要工作包括： 一、采用解析計算和有限元仿真的方法研究了不同的定子結構、槽開口大小、以及氣隙長度對高速永磁無刷直流電機轉子渦流損耗的影響。對于2極3槽集中繞組、2極6槽分布疊繞組和2極6槽集中繞組的三臺電機的定子結構進行了對比，利用傅里葉變換，得到了分布于定子槽開口處的等效電流片的空間諧波分量，然后采用計及轉子集膚深度和渦流磁場影響的解析模型計算了轉子渦流損耗，通過有限元仿真對解析計算結果加以驗證。結果表明：3槽集中繞組結構的電機中含有2次、4次等偶數次空間諧波分量，該諧波分量在轉子中產生大量的渦流損耗。采用有限元仿真的方法研究了槽開口和氣隙長度對轉子渦流損耗的影響，在空載和負載狀態下的研究結果均表明：隨著槽開口的增加或者氣隙長度的減小，轉子損耗隨之增加。因此從減小高速永磁無刷電機轉子渦流損耗的角度考慮，2極6槽的定子結構優于2極3槽結構。 二、高速永磁無刷直流電機額定運行時的電流波形中含有大量的時間諧波分量，其中5次和7次時間諧波分量合成的電樞磁場以6倍轉子角速度相對轉子旋轉，11次和13次時間諧波分量合成的電樞磁場以12倍轉子角速度相對轉子旋轉，這些諧波分量與轉子異步，在轉子保護環、永磁體和轉軸中產生大量的渦流損耗，是轉子渦流損耗的主要部分。首先研究了永磁體分塊對轉子渦流損耗的影響，分析表明：永磁體的分塊數和透入深度有關，對于本文設計的高速永磁無刷直流電機，當永磁體分塊數大于12時，永磁體分塊才能有效地減小永磁體中的渦流損耗；反之，永磁體分塊會使永磁體中的渦流損耗增加。為了提高轉子的機械強度，在永磁體表面通常包裹一層高強度的非磁性材料如鈦合金或者碳素纖維等。分析了不同電導率的包裹材料對轉子渦流損耗的影響。然后利用渦流磁場的屏蔽作用，在轉子保護環和永磁體之間增加一層電導率高的銅環。有限元分析表明：盡管銅環中會產生渦流損耗，但正是由于銅環良好的導電性，其產生的渦流磁場抵消了氣隙磁場的諧波分量，使永磁體、轉軸以及保護環中的損耗顯著下降，整體上降低了轉子渦流損耗。分析了不同的銅環厚度對轉子渦流損耗的影響，研究表明轉子各部分的渦流損耗隨著銅屏蔽環厚度的增加而減小，當銅環的厚度達到6次時間諧波的透入深度時，轉子損耗減小到最小。 三、對于給定的電機尺寸，設計了兩臺電感值不同的高速永磁無刷直流電機，通過研究表明：電感越大，電流變化越平緩，電流的諧波分量越低，轉子渦流損耗越小，因此通過合理地增加繞組電感能有效的降低轉子渦流損耗。 四、研究了高速永磁無刷直流電機的電磁設計和轉子動力學問題。對比分析了平行充磁和徑向充磁對高速永磁無刷直流電機性能的影響，結果表明：平行充磁優于徑向充磁。設計并制作了兩種不同結構的轉子：單端式軸承支撐結構和兩端式軸承支撐結構。對兩種結構進行了轉子動力學分析，實驗研究表明：由于轉子設計不合理，單端式軸承支撐結構的轉子轉速達到40，000rpm以上時，保護環和定子齒部發生了摩擦，破壞了轉子動平衡，導致電機運行失敗，而兩端式軸承支撐結構的轉子成功運行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁無刷直流電機樣機和控制系統，進行了空載和負載實驗研究。對比研究了PWM電流調制和銅屏蔽環對轉子損耗的影響，研究表明：銅屏蔽環能有效的降低轉子渦流損耗，使轉子損耗減小到不加銅屏蔽環時的1/2；斬波控制會引入高頻電流諧波分量，使得轉子渦流損耗增加。通過計算繞組反電勢系數的方法，得到了不同控制方式下帶銅屏蔽環和不帶銅屏蔽環轉子永磁體溫度。采用簡化的暫態溫度場有限元模型分析了轉子溫升，有限元分析和實驗計算結果基本吻合，驗證了銅屏蔽環的有效性。
上傳時間： 2013-05-18
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電力系統頻率性能是電力系統主要評價指標之一，維持系統頻率穩定對用戶端和發電端設備具有重要意義。正常運行時電力系統的頻率應保持在.50±0.2Hz范圍內，電網頻率若超出該范圍將對用戶端和發電端設備產生不利影響，例如使異步電動機超過或低于額定轉速，從而對設備或產品造成不利影響。 先前，由于采用相對落后的A標準和聯絡線控制模式，為了遵守A標準而避免功率反調和控制無意交換電量避免被罰款，各控制區域對本區域內發電廠的一次調節性能不很關注，也沒有相應的評價標準和管理規定，甚至出于自身利益的考慮允許發電廠將其一次調節功能予以閉鎖。 CPS標準的實施，聯絡線控制模式采用先進的TBC模式，一次調節性能成為影響各控制區域評價指標好壞的因素之一。各控制區域對本區域內電廠一次調節能力開始關注，其調節性能的評價研究成為熱點。 前期工作提出了一種新的評價指標。該指標依據電網頻率和電廠功率這兩個隨機變量之間的相關系數來定量分析調節是否對頻率的恢復有利。這個新的考核指標有如下的特點：第一，這是一種基于概率的用長期的實時數據累計反映機組一次調頻能力的指標；第二，它能正確反映發電機組的一次調頻投切狀態及調節能力。 通過matlab仿真表明，前期工作所提出的新指標對發電機組的各項指標是有效的，然而前期工作所提出的新指標尚有數個問題需要解決。本文著重解決其中的均值時間長度問題和機組一次功率的獲取問題。其中關于機組一次功率的獲取由于機組在執行二次調節時是一二次聯合動作的，而且最終的動作執行者同為汽輪機的進氣閥門(火電機組的情況)，故一直是一個較難解決的問題。本文主要從機組二次調解的目標曲線出發，并做出適當調整，得到所需的一次功率。在指標的均值時間長度方面主要是針對功率和頻率采樣時間、頻率的傳輸延時和SCADA系統的壞數據這三方面的影響，綜合設定一個較為合理的時間長度。
上傳時間： 2013-07-03
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對供電系統進行適當的無功補償，可以穩定電網電壓，提高功率因數，提高設備利用率，減小網絡有功功率損耗，提高輸電能力，平衡三相功率，為系統提供電壓支撐，提高系統運行安全性。鋼鐵企業一直就是用電大戶，具有容量大、負荷沖擊大、起制動頻繁、快速性、工作連續性和自動化程度高等特點，存在功率因數低、電壓波動等問題。研究鋼鐵企業的無功補償，對企業提高供電可靠性，節能減排，降低損耗，提高用電設備效率，保證產品質量有著非常重要的意義。 本文選用目前工程上應用最為廣泛的動態補償裝置靜止無功功率補償器，即SVC對鋼鐵企業負荷進行無功補償。考察了軋鋼企業的負荷特點，對比了各種補償裝置的優缺點，在此基礎上提出了FC—TCR型SVC做為鋼鐵企業的無功補償裝置。 本文根據特定的現場參數，提出了FC—TCR型SVC裝置的設計框架，建立了潮流計算和SVC裝置的數學模型，給出了含有SVC補償裝置的電力系統潮流計算的計算方法，計算了SVC裝置的FC和TCR各支路參數，對一次設備進行選型，最后提出了一套完整的SVC系統設計方案。仿真結果表明，采用本方案的SVC系統有效提高了供電系統的功率因數，抑制了電壓波動，表明方案設計中的支路配置，參數設置和設備選型是合理的。 從基于瞬時無功功率理論的補償裝置觸發角度的算法出發，研究了SVC裝置動態補償的實現方法。本文還提出了動態補償SVC監控系統和晶閘管觸發系統的硬件實現。 為了驗證SVC系統設計的合理性，搭建了SVC的模擬試驗平臺，對一次系統，監控系統，光電觸發系統進行了聯合調試，調試結果達到了設計預期目標。
上傳時間： 2013-06-23
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光伏陣列是光伏系統的重要組成部分，它決定了光伏系統的發電量，同時也是光伏系統成本的主要部分。因此合理配置光伏陣列，提高光伏陣列的利用效率一直是光伏系統設計的研究重點，也是降低光伏系統發電成本的重要措施。本文采用了可變電子負載現場測試方法，設計并研制出基于Philips公司的LPC2214的光伏陣列測試儀樣機。本文主要工作及創新在于： 1.在基于LPC2214測試控制部分的硬件電路設計中，為電壓和電流的采樣各設置了四路不同量程的采樣通道。采樣時系統自動選擇最合適的量程，提高電壓和電流大范圍測量時的精度； 2.通過對系統進行一次預采樣來確定光伏陣列的開路電壓和短路電流。預采樣的方法只需要使可變電子負載完成一次由阻值為零到阻值為無窮大的操作； 3.對測試得到的數據首先將電壓值進行從小到大的升序重組，其對應的電流值采用lagrange中值法對進行數字濾波處理，從而消除由于偶然出現的脈沖性干擾所引起的采樣值偏差； 4.對輔助電源、測試控制電路和液晶顯示進行了一體化的設計，使光伏陣列特性的測量和顯示可以在本測試儀上一次完成； 5.本測試儀樣機可以利用光伏陣列的數學模型以及測量的實時數據對光伏陣列的特性曲線進行預估和分析。 通過對光伏陣列進行實際測量，得到的實驗結果表明：該樣機測試系統運行穩定、攜帶方便、測量精度較高、一次完整的測試只需14ms左右，測試速度快，并且測量得到的伏安特性可以在液晶上直接以曲線的形式顯示，使測得的陣列特性更為直觀，能滿足工程應用的需要。
上傳時間： 2013-04-24
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在能源枯竭與環境污染問題日益嚴重的今天，風力發電已經成為綠色可再生能源的一個重要途徑。雙饋電機變速恒頻(VSCF)發電是通過對轉子繞阻的控制來實現的，而轉子回路流動的功率是由發電機運行范圍所決定的轉差功率，因而可以將發電機的同步轉速設定在整個運行范圍的中間。如果系統運行的轉差率范圍為±30％，則最大轉差功率僅為發電機額定功率的30％，因此交流勵磁變換器的容量可大大減小，從而降低成本。該變換器如果加上良好的控制策略，則系統運行將具有優越的穩態和暫態運行性能，非常適用于風能這種隨機性強的能源形式。本文對變速恒頻雙饋機風力發電系統的若干關鍵技術，如空載柔性并網、帶載柔性并網、解列控制、最大功率點跟蹤、電網電壓不平衡運行、低電壓故障穿越等問題進行了深入研究，論文的主要工作如下： 根據交流勵磁變速恒頻風力發電的運行特點，將電網電壓定向的矢量控制方法應用在雙饋發電機的并網發電控制上。研究了一種基于電網電壓定向的雙饋機變速恒頻風力發電柔性并網控制策略，在變速條件下實現無電流沖擊并網和輸出有功、無功功率的解耦控制，建立了交流勵磁發電機柔性并網及穩態運行的控制模型，對柔性并網及其逆過程的解列分別進行了仿真和實驗研究。 提出了一種以向電網輸送凈電能最多為目標的最大功率點跟蹤控制策略，在不檢測風速情況下，能夠自動尋找并跟隨最大功率點，且不依賴風力機最佳功率特性曲線，提高了發電系統的凈輸出能力，具有良好的動、靜態性能。仿真和實驗結果證明了本控制策略的正確性和有效性。 對網側變換器分別進行了幅相控制和直接電流控制策略的研究。結果表明：幅相控制策略簡單實用，可以得到正弦波電流，且波形諧波小，實現了單位功率因數運行，但響應速度相對較慢；而直接電流控制策略具有網側電流閉環控制，使網側電流動、靜態性能得到提高，實現對系統參數的不敏感，增強了電流控制系統的魯棒性，但算法相對復雜。 在電網不平衡條件下，如果以傳統的電網電壓平衡控制策略設計PWM整流器，會使系統出現不正常的運行狀態。為了提高三相PWM整流器的運行性能，本文對電網電壓不平衡情況下三相PWM整流器運行控制策略進行了改進，研究了消除負序電流和抑制輸入功率二次諧波的控制策略，實現了線電流正弦、負序輸入電流為零及總無功功率輸入為最小的目標。 為了提高VSCF風力發電系統的運行能力，本文對電網故障時雙饋風力發電系統低電壓穿越控制(LVRT)進行了研究，在不改變系統硬件結構的情況下，通過改變勵磁控制策略來實現LVRT；在電網故障時使電機和變換器安全穿越故障，保持不脫網運行，提高系統的穩定性和安全性。
上傳時間： 2013-07-09
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統一潮流控制器(UPFC)作為一種典型的FACTS裝置，綜合了FACTS元件的多種靈活控制手段，能同時或選擇地控制線路的基本參數(電壓、阻抗、相角)，也可交替地控制線路上的有功和無功潮流，還可獨立地提供可控的并聯無功補償。因此UPFC被認為是最有創造性，功能最強大的FACTS元件。 首先，本文詳細分析了統一潮流控制器的基本結構和工作原理。采用開關函數法建立了電壓源型變流器的數學模型，并推導了統一潮流控制器在abc三相坐標系和dq旋轉坐標系下的數學模型，該模型考慮到直流環節電容儲能的動態變化過程，從而使其更適合于系統的動態特性分析。本文討論的UPFC控制采用基于兩相旋轉坐標系下的非線性解耦控制方案，在UPFC的精確模型下具有可快速跟蹤給定值的優點，且在dq坐標系下可以實現有功和無功功率的獨立控制；在電容電壓PI調節中加入電流反饋，使其更接近真實值。 其次，本論文在分析UPFC數學模型的基礎上建立了UPFC在MATLAB平臺上的仿真模型；然后利用MATLAB建立了三相環形電力系統，將UPFC模型應用到該系統中，著重研究了UPFC對電網電能質量的影響。首先研究了UPFC對故障系統中電網功率的影響以及UPFC對提高故障系統功率穩定性的作用；同時，對UPFC能夠抑制無故障系統中系統接入電網時的功率沖擊進行了研究。最后，通過仿真波形研究了UPFC對電網故障中電壓跌落的補償作用以及UPFC對正常系統電壓的影響，結果發現，UPFC可以保持故障中的系統電壓為正弦波。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著電力電子技術的發展，交流電源系統的電能質量問題受到越來越多的關注。傳統的整流環節廣泛采用二極管不控整流和晶閘管相控整流電路，向電網注入了大量的諧波及無功，造成了嚴重的污染。提高電網側功率因數以及降低輸入電流諧波成為一個研究熱點。功率因數校正技術是減小用電設備對電網造成的諧波污染，提高功率因數的一項有力措施。本文所做的主要工作包括以下幾部分： 1.分析了單位功率因數三相橋式整流的工作原理，這種整流拓撲從工作原理上可以分成兩部分：功率因數補償網絡和常規整流網絡。在此基礎上，為整流電路建立了精確的數學模型。 2.這種單位功率因數三相橋式整流的輸入電感是在額定負載下計算出的，當負載發生變化時，其功率因數會降低。針對這種情況，提出了一種新的控制方法。常規整流網絡向電網注入的諧波可以由功率因數補償網絡進行補償，所以輸入功率因數相應提高。負載消耗的有功由電網提供，補償網絡既不消耗有功也不提供任何有功。根據功率平衡理論，可以確定參考補償電流。雙向開關的導通和關斷由滯環電流控制確定。在這一方法的控制下，雙向開關工作在高頻下，因此輸入電感值相應降低。仿真和實驗結果都表明：新的控制方法下，負載變化時，輸入電流仍接近于正弦，功率因數接近1。 3.根據IEEE-519標準對諧波電流畸變率的要求，為單位功率因數三相橋式整流提出了另一種控制方法。該方法綜合考慮單次諧波電流畸變率、總諧波畸變率、功率因數、有功消耗等性能指標，并進行優化，推導出最優電流補償增益和相移。將三相負載電流通過具有最優電流補償增益和相移的電流補償濾波器，得到補償后期望的電網電流，驅動雙向開關導通和關斷。仿真和實驗都收到了滿意的效果，使這一整流橋可以工作在較寬的負載范圍內。 4.單位功率因數三相橋式整流中直流側電容電壓隨負載的波動而波動，為提高其動、靜態性能，將簡單自適應控制應用到了直流側電容電壓的控制中，并提出利用改進的二次型性能指標修改自適應參數的方法，可以在實現對參考模型跟蹤的同時又不使控制增量過大，與常規的PI型簡單自適應控制相比在適應律的計算中引入了控制量的增量和狀態誤差在k及k+1時刻的采樣值。利用該方法為直流側電壓設計了控制器，并進行了仿真與實驗研究，結果表明與PI型適應律相比，新的控制器能提高系統的動態響應性能，負載變化時系統的魯棒性更強。
上傳時間： 2013-06-15
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由于高頻PWM整流器可以提供正弦化低諧波的輸入電流，可控功率因數，及雙向能量流動，因此得到越來越廣泛的應用。網側單電感濾波會帶來一些問題，首先要想得到較好的濾波效果，必須增大電感值，這樣系統的動態性能會變差，而且成本增加。另外，整流器的功率比較大時，交流側的濾波的損耗也會增大。為了解決上述問題，本文研究了基于LCL濾波的高頻PWM整流器。在交流側應用LCL 濾波器可以減少電流中的高次諧波含量,并在同樣的諧波要求下,相對純電感型濾波器可以降低電感值的大小，提高系統的動態響應。 文章首先對高頻PWM整流器的工作原理做了詳細的介紹，并對基于L和LCL兩種不同的濾波器，分別在ABC靜止坐標系，αβ靜止坐標系和dq旋轉坐標系中建立了數學模型。文章中將L濾波的電壓型三相PWM整流器的控制方法應用于LCL濾波情況。基于dq軸模型，提出了雙閉環的控制策略，電流內環采用前饋解耦控制。為了提高電流的跟隨性能，按照典型Ⅰ型系統設計電流調節器。為了提高電壓環的抗干擾性，按照典型Ⅱ型系統設計電壓調節器。 文章還詳細討論了LCL濾波器帶來的諧振問題，以及參數設計方法，列出了實際系統LCL濾波器參數的設計步驟。文章在MATLAB/SIMULINK環境下建立了PWM整流器仿真模型對系統進行了仿真，按照文章提出的理論設計的仿真系統具有良好的動態和穩態性能。 文章最后基于TMS320LF2407A設計了整流器裝置的控制系統硬件和軟件，并得到了初步實驗結果，能滿足控制要求，從而驗證了控制方案的正確性。
上傳時間： 2013-07-01
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隨著用戶對供電質量要求的進一步提高，模塊化UPS 并聯系統獲得了越來越廣泛的應用。本文以模塊化UPS為研究對象，根據電路結構，將其分為直流部分模塊化和交流部分模塊化分別進行討論。整流環節對Boost-PFC 電路進行并聯控制，實現直流部分的模塊化；逆變環節在瞬時電壓PID 控制的基礎上，引入了瞬時均流的并聯控制策略，實現交流部分的模塊化。 介紹了有源功率因數校正技術的基本原理和控制思路，分析了單管雙Boost-PFC電路的工作過程，并將其簡化等效成常規的Boost 電路進行分析和控制。根據控制系統的結構，分別對電流控制環和電壓控制環進行了分析，得出了電感電流主要受電流指令的影響，而輸入輸出電壓差的影響則相對比較小；輸出電壓主要受參考給定指令電壓、緩啟給定指令電壓以及輸出電流等因素的影響。根據電流環和電壓環的解析表達式，給出了并聯控制的方法及原理。 對單相電路、三相電路以及多模塊并聯電路分別進行了仿真驗證，對多模塊的并聯系統進行了實驗驗證。建立了單相逆變器的數學模型，并加入PID 控制器，得到了輸出電壓的解析表達式，得出逆變器輸出電壓與參考給定電壓和輸出電流有關。利用極點配置的方法得到了模擬域PID 控制器參數的計算公式，并采用后向差分法，將其轉換到數字域，得到了數字PID 控制器參數與模擬域參數的換算關系。通過實驗測試和曲線擬合的辦法，得到了實際逆變器的電路參數。通過對所設計的數字PID 控制器進行仿真和實驗，驗證了理論分析和計算。建立了PID 電壓閉環的多逆變器并聯系統數學模型，分析得出并聯系統的輸出電壓主要由系統中各模塊的平均給定電壓決定，同時也受較高次的輸出諧波電流影響，受輸出基波電流影響相對較小；環流主要受模塊的給定電壓與系統平均給定電壓的偏差影響。針對環流產生的原因，提出了一種瞬時均流控制策略來減小系統環流對給定電壓偏差的增益，從而達到瞬時均流的目的。 對兩逆變模塊并聯的系統在各種工況下進行了仿真和實驗，驗證了理論分析的正確性和這種瞬時均流控制策略的可行性。
上傳時間： 2013-04-24
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超聲波電源廣泛應用于超聲波加工、診斷、清洗等領域，其負載超聲波換能器是一種將超音頻的電能轉變為機械振動的器件。由于超聲換能器是一種容性負載，因此換能器與發生器之間需要進行阻抗匹配才能工作在最佳狀態。串聯匹配能夠有效濾除開關型電源輸出方波存在的高次諧波成分，因此應用較為廣泛。但是環境溫度或元件老化等原因會導致換能器的諧振頻率發生漂移，使諧振系統失諧。傳統的解決辦法就是頻率跟蹤，但是頻率跟蹤只能保證系統整體電壓電流同頻同相，由于工作頻率改變了而匹配電感不變，此時換能器內部動態支路工作在非諧振狀態，導致換能器功率損耗和發熱，致使輸出能量大幅度下降甚至停振，在實際應用中受到限制。所以，在跟蹤諧振點調節逆變器開關頻率的同時應改變匹配電感才能使諧振系統工作在最高效能狀態。針對按固定諧振點匹配超聲波換能器電感參數存在的缺點，本文應用耦合振蕩法對換能器的匹配電感和耦合頻率之間的關系建立數學模型，證實了匹配電感隨諧振頻率變化的規律。給出利用這一模型與耦合工作頻率之間的關系動態選擇換能器匹配電感的方法。經過分析比較，選擇了基于磁通控制原理的可控電抗器作為匹配電感，通過改變電抗控制度調節電抗值。并給出了實現這一方案的電路原理和控制方法。最后本文以DSP TMS320F2812為核心設計出實現這一原理的超聲波逆變電源。實驗結果表明基于磁通控制的可控電抗器可以實現電抗值隨電抗控制度線性無級可調，由于該電抗器輸出正弦波，理論上沒有諧波污染。具體采用復合控制策略，穩態時，換能器工作在DPLL鎖定頻率上；動態時，逐步修改匹配電抗大小，搜索輸出電流的最大值，再結合DPLL鎖定該頻率。配合PS-PWM可實現功率連續可調。該超聲波換能系統能夠有效的跟隨最大電流輸出頻率，即使頻率發生漂移系統仍能保持工作在最佳狀態，具有實際應用價值。
上傳時間： 2013-04-24
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