導(dǎo)語：如何才能寫好一篇拓撲結(jié)構(gòu)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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1、控制簡單。任何一站點只和中央節(jié)點相連接，因而介質(zhì)訪問控制方法簡單，致使訪問協(xié)議也十分簡單。易于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理。

2、故障診斷和隔離容易。中央節(jié)點對連接線路可以逐一隔離進行故障檢測和定位，單個連接點的故障只影響一個設(shè)備，不會影響全網(wǎng)。

3、方便服務(wù)。中央節(jié)點可以方便地對各個站點提供服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)重新配置。

在星型拓撲結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點通過點到點的方式連接到一個中央節(jié)點（又稱中央轉(zhuǎn)接站，一般是集線器或交換機）上，由該中央節(jié)點向目的節(jié)點傳送信息。中央節(jié)點執(zhí)行集中式通信控制策略，因此中央節(jié)點相當(dāng)復(fù)雜，負擔(dān)比各節(jié)點重得多。在星型網(wǎng)中任何兩個節(jié)點要進行通信都必須經(jīng)過中央節(jié)點控制。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

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關(guān)鍵詞　網(wǎng)絡(luò)拓撲　應(yīng)用　計算機網(wǎng)絡(luò)計算機網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代通信技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。所謂計算機網(wǎng)絡(luò)，就是把分布在不同地理區(qū)域的計算機與專門的外部設(shè)備用通信線路互連起來，從而使眾多的計算機相互之間可以進行信息的傳遞，共享彼此的硬件、軟件、數(shù)據(jù)信息等資源。

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)就是指用傳輸媒體把計算機等各種設(shè)備互相連接起來的物理布局，是指互連過程中構(gòu)成的幾何形狀，它能表示出網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、工作站的網(wǎng)絡(luò)配置和互相之間的連接。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可按形狀分類，分別有：星型、環(huán)型、總線型、樹型、總線/星型和網(wǎng)狀型拓撲結(jié)構(gòu)。

1 星型拓撲結(jié)構(gòu)

如果把網(wǎng)絡(luò)中的計算機終端看成每一個結(jié)點的話，星型拓撲結(jié)構(gòu)的布局與其他拓撲結(jié)構(gòu)的不一樣，它由中央結(jié)點和周圍結(jié)點相連而組成。結(jié)構(gòu)是以中央結(jié)點為中心，周圍有各結(jié)點，這些結(jié)點與中央結(jié)點相連接，形成一個星形方式。中央結(jié)點與各結(jié)點通過點對點方式連接，中央結(jié)點執(zhí)行集中式通信控制策略，所以相對來講中央結(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中承擔(dān)了相當(dāng)繁重的任務(wù)，系統(tǒng)對中央結(jié)點的配置就會有相當(dāng)高的要求，通常情況為了保證網(wǎng)絡(luò)通訊的正常，會另外配置一臺一模一樣的計算機作為中央結(jié)點的備份。最常見的星型拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如果按星型拓撲結(jié)構(gòu)來進行組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中任何兩個結(jié)點計算機要進行通信都必須通過中央結(jié)點來進行控制。那么能成為中央結(jié)點的這臺計算機必須具有以下三個方面的主要功能：（1）對要進行通信的雙方進行通信可能性的判斷，并為雙方建立通信物理連接；（2）保證雙方通信過程中這一通路完全暢通；（3）在通信結(jié)束或通信不成功時，可以及時拆除通道。

星型拓撲結(jié)構(gòu)作為最早使用的一種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方式，目前也算是使用率最高且使用面最廣的一種組網(wǎng)方式。綜合地說，星型拓撲結(jié)構(gòu)具有以下特點：（1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單，集中控制易于維護，容易實現(xiàn)組網(wǎng)；（2）網(wǎng)絡(luò)延遲時間短，傳輸誤碼率低；（3）網(wǎng)絡(luò)共享能力較差，通信線路利用率不高，中央節(jié)點負擔(dān)過重；（4）可同時連雙絞線、同軸電纜及光纖等多種媒介。

2 環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)

一般情況下我們把環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)中的計算機稱為環(huán)路接口，環(huán)形網(wǎng)中各環(huán)路接口采取首尾相連的方式，形成閉合環(huán)形通信線路，數(shù)據(jù)會沿著一個方向在這個環(huán)路上進行傳輸。位于這個環(huán)路上任何結(jié)點所發(fā)送的請求如果被通過就可以向環(huán)路發(fā)送信息。深入分析這條環(huán)線的特點，由于位于這條環(huán)線上的結(jié)點計算機公用，所以只要其中一個結(jié)點發(fā)送的信息都會經(jīng)過環(huán)中所有的環(huán)路接口。發(fā)送的信息流中含有的目的地址與環(huán)上某環(huán)路接口地址相符時，此信息就被該目的結(jié)點的環(huán)路接口所接收，信息到此不會自動消失，而是會繼續(xù)傳至下面所有的環(huán)路接口，直至傳回到發(fā)送該信息的環(huán)路接口結(jié)點為止。目前使用的環(huán)形網(wǎng)中的數(shù)據(jù)可以進行單向和雙向傳輸。最常見的環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示：

環(huán)形網(wǎng)的特點是：（1）信息依靠兩個相鄰的環(huán)路接口沿固定方向傳送；（2）某個結(jié)點都有自舉控制的功能；（3）由于信息會經(jīng)過環(huán)路上的所有環(huán)路接口，當(dāng)環(huán)路過多時就會影響數(shù)據(jù)傳輸效率，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間變長；（4）一環(huán)扣一環(huán)的連接方式會讓其中一個環(huán)路接口的故障造成整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，增加維護難度；（5）由于環(huán)路是封閉的，所以擴充不方便。

環(huán)形網(wǎng)也是微機局域網(wǎng)常用拓撲結(jié)構(gòu)之一，適合信息處理系統(tǒng)和工廠自動化系統(tǒng)。1985年IBM公司推出的令牌環(huán)形網(wǎng)（IBM Token Ring）是其典范。在FDDI得以應(yīng)用推廣后，這種結(jié)構(gòu)也廣泛得到采用。

3 總線拓撲結(jié)構(gòu)

總線拓撲結(jié)構(gòu)是用一條電纜把所有節(jié)點計算機相互之間以線性方式連接起來的布局方式，這條重要的電纜也就是總線，位于總線上的各個結(jié)點計算機地位相等。最常見的總線形拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示：

在采用總線拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中，所有網(wǎng)上計算機都通過相應(yīng)的硬件接口直接連在這條總線上，任何一個結(jié)點發(fā)出的信息都會沿著這條總線同時向兩個方向進行傳播，位于這條總線中任何一個結(jié)點計算機都能夠接收信息，但只有目的結(jié)點才會從總線上把需要的信息拷貝下來。由于信息的傳播方式是同時向四周傳播，類似于廣播電臺的功能，所以我們又把總線式網(wǎng)絡(luò)稱為廣播式網(wǎng)絡(luò)。總線的負荷能力較強，但不能超出它的負荷范圍；另外還要注意總線不能無限制延長，而且在這條總線上的結(jié)點數(shù)量也是有限的。

總線拓撲結(jié)構(gòu)的特點主要有：（1）結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)入網(wǎng)靈活，便于擴充；（2）不需要中央結(jié)點，不會因為一個結(jié)點的故障而影響其他結(jié)點數(shù)據(jù)的傳輸，故可靠性高，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快；（3）所需設(shè)備少、電纜或其他連接媒體相對價格低，安裝也很方便；（4）由于發(fā)送信息的方式采用的是廣播式的工作方式，所以共享資源能力強。

為了解決干擾問題，我們在總線兩端連接端結(jié)器，主要為了與總線進行阻抗匹配，最大限度吸收傳送端部的能量，避免信號反射回總線時產(chǎn)生不必要的干擾。

4 樹形拓撲結(jié)構(gòu)

樹形結(jié)構(gòu)它是在總線網(wǎng)的基礎(chǔ)上把整個電纜連接成樹型，樹枝分層每個分支點都有一臺計算機（如圖4）。樹形網(wǎng)采用分層控制，沿著這棵樹的結(jié)構(gòu)可以很迅速地找到相應(yīng)的分支和結(jié)點路徑進行信息廣播。樹形拓撲結(jié)構(gòu)具有一些優(yōu)勢。具有布局靈活，可擴展性好的特點，而且其容錯能力較強，當(dāng)頁結(jié)點出現(xiàn)故障時，不會影響其他分支結(jié)，這一優(yōu)點為工作提供了不少便利。但還是明白的是：除了葉節(jié)點及其相連的線路外，其他部分的工作還是會受影響的。

5 總線/星型拓撲結(jié)構(gòu)

總線/星型拓撲結(jié)構(gòu)就是總線型和星型的一種組合方式，內(nèi)層的網(wǎng)絡(luò)采用總線型，用一條或多條總線把計算機等設(shè)備連接起來，每一組以總線方式相連的小網(wǎng)絡(luò)又呈星型分布。總線材料一般采用同軸電纜，星型傳輸媒體可使用價格比較便宜的雙絞線。采用這種總線/星型拓撲結(jié)構(gòu)，既解決了總線型拓撲結(jié)構(gòu)連接用戶數(shù)量上的限制，又解決了星型拓撲結(jié)構(gòu)在傳輸距離上的限制，很好地吸收了兩者的優(yōu)點，又彌補了雙方的缺點。

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關(guān)鍵詞：諧波；電能質(zhì)量；有源電力濾波器；拓撲結(jié)構(gòu)

0 引言

近年來，各種基于電力電子技術(shù)的非線性裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，使得諧波危害日益嚴(yán)重。為了保證電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行，必須對諧波污染進行治理，以改善電能質(zhì)量[1]。

就當(dāng)前的工業(yè)現(xiàn)實而言，抑制諧波的基本手段是裝設(shè)各類濾波補償裝置，如無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器的結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟性好，但易受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響而與系統(tǒng)發(fā)生諧振，且僅能補償固定頻率的諧波。而有源濾波器（Active Power Filter，APF）則可以解決這些問題，并且可以自動跟蹤補償變化的諧波，具有高度可控性，因而具有極高的發(fā)展前景[1]。

本文結(jié)合近些年國內(nèi)外有源濾波器的研究情況，重點對其拓撲結(jié)構(gòu)進行總結(jié)和分析。在此基礎(chǔ)上對其發(fā)展前景進行了展望。

1 APF的拓撲結(jié)構(gòu)和原理

根據(jù)接入電網(wǎng)方式分類的各種交流有源濾波器如圖1所示。

并聯(lián)型表現(xiàn)出電流源特性，向電網(wǎng)注入補償電流，抵消諧波源產(chǎn)生的電流諧波，使電源電流成為正弦波。主要用于補償電流型諧波源，如直流側(cè)為阻感負載的整流電路，也可以補償三相不對稱電流和供電點電壓波動[2]。其主要缺點是：交流電源的基波電壓直接（或經(jīng)變壓器）施加到逆變器上，補償電流基本由逆變器提供，因此對逆變器的容量要求較高。

Figure1 AC active filter classified by modes of switching in power network

串聯(lián)型有源濾波器作為受控電壓源輸出補償電壓，用來補償電壓型諧波源（如電容濾波型整流電路）或抑制電源電壓畸變，使供電點電壓變?yōu)槔硐胝夜ゎl電壓。其缺點主要有：

（1） 輸出電壓等于電網(wǎng)諧波電流乘以系數(shù)K。較大的K值會提高補償性能但卻要求更大的容量，且可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，因而K值一般只能取2-8。

（2） 為使有源濾波器的輸出頻帶較寬，要求開關(guān)器件工作在較高的開關(guān)頻率下，增大了開關(guān)損耗并產(chǎn)生較嚴(yán)重的電磁干擾。

（3） 耦合變壓器對各次諧波應(yīng)有較高的線性度，增大了變壓器設(shè)計的難度[3]。

為了兼顧經(jīng)濟成本和濾波效果，各種混合型有源濾波器應(yīng)運而生。其主要思路是：用無源濾波器濾除諧波源中的主要諧波，用有源濾波器提高總體補償效果。

并聯(lián)混合型有兩種形式：其一是用APF濾除低次諧波，將無源濾波器選為高通濾波器來補償較高次諧波，從而使APF主電路中的器件開關(guān)頻率降低。由于無源濾波器只補償了少部分諧波，所以其對降低APF容量的作用并不明顯。但由于對器件的開關(guān)頻率要求不高，所以實現(xiàn)大容量相對容易些；其二是用無源濾波器濾除大部分諧波，用APF改善整個系統(tǒng)的性能，因此APF的容量可以很小。但是電網(wǎng)與APF以及APF與無源濾波器之間存在諧波通道，特別是APF與無源濾波器之間的諧波通道，可能使APF注入的諧波又流入無源濾波器及電網(wǎng)中。因此在使用時，需對APF進行有效控制，以抑制可能發(fā)生的諧振。就并聯(lián)混合型APF的控制方式而言，可采用綜合了負載電流與電源電流的復(fù)合控制方式。文[4]提出了一種新穎的諧波注入式電路，通過在無源環(huán)節(jié)和有源環(huán)節(jié)之間增加基波諧振電路來進一步減小了有源濾波部分的容量，達到了工程應(yīng)用的目的。

在串聯(lián)混合型APF中，大部分諧波由無源濾波器濾除，APF則被看作一個對基波呈現(xiàn)低阻抗而對諧波呈現(xiàn)高阻抗的可變阻抗，起到了諧波隔離器的作用（電網(wǎng)諧波電壓不會加到負載和無源濾波器上；負載諧波電流也不會流入電網(wǎng)，而是被迫流入無源濾波器）。這種APF抑制了電網(wǎng)阻抗對無源濾波器的影響，防止了電網(wǎng)與無源濾波器之間可能發(fā)生的諧振。這種APF的缺點是：

（1） 在低次諧波及其他頻率處，要使APF的等效阻抗遠遠大于無源濾波器的等效阻抗十分困難，因此該方案不能隔絕電網(wǎng)中的閃變分量。

（2） 當(dāng)負載電流中存在無源濾波器不能濾除的諧波時，由于APF強制這部分諧波流入LC濾波器，將會在負載輸入端產(chǎn)生諧波電壓。

（3） 由于APF串聯(lián)在電路中，所以其絕緣困難且安裝維修不便。

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Unified Power Quality Controller，UPQC）的思路是：串聯(lián)APF將電源和負載相隔離，阻止電源諧波電壓串入負載端和負載諧波電流流入電網(wǎng)。并聯(lián)APF提供一個零阻抗的諧波支路，補償負載中的諧波電流。該方案在電網(wǎng)與公共連接點之間實現(xiàn)了電壓和電流的凈化。這種有源濾波器兼具串、并聯(lián)有源濾波器的功能，可解決配電系統(tǒng)發(fā)生的絕大多數(shù)電能質(zhì)量問題。但是，由于需要兩個APF，所以成本比較高。另外，當(dāng)有不平衡負荷向共同耦合節(jié)點處注入不平衡電流時，不能修正線路的不平衡電流。

2前景展望與總結(jié)

從近年來的研究和應(yīng)用可以看出 APF 具有以下的發(fā)展前景：

（1） 并聯(lián)型APF主要補償電流源型諧波源，串聯(lián)型APF主要補償電壓源型諧波源。各種混合型APF兼顧了經(jīng)濟成本和濾波效果，主要補償電流源型諧波源。

（2） 采用多電平或多重化主電路來實現(xiàn)大容量APF。近幾年，多電平逆變技術(shù)以及多電平級聯(lián)技術(shù)由于其在輸出波形質(zhì)量、開關(guān)損耗、器件應(yīng)力等方面的突出優(yōu)點，引起了廣泛的關(guān)注。

參考文獻

[1] 王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].機械工業(yè)出版社，1998.

[2] 王群，姚為正，劉進軍，等.電壓型諧波源與串聯(lián)型有源電力濾波器[J].電力系統(tǒng)自動化，2000，24（7）：30-35.

Wang Qun，Yao Weizheng，Liu Jinjun，et al.Voltage type harmonic source and series active power filter[J].Automation electric power systems，2000，24（7）：30-35.

[3] 王軒，朱東起，姜新建.三相四線制下串聯(lián)混合型濾波器的研究[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28（3）：45-48.

Wang Xuan，Zhu Dongqi，Jiang Xinjian.Study on series hybrid active power filter in a three-phase four-wire system[J].Automation electric power systems，2004，28（3）：45-48.

[4] 譚甜源，羅安，唐欣，等.大功率并聯(lián)混合型有源電力濾波器的研制[J].中國電機工程學(xué)報，2004，24（3）：41-45.

Tan Tian-yuan，Luo An ，Tang Xin ，et al.Development of high-capacity hybrid power filter[J]. Proceedings of the Csee，2004，24（3）：41-45.

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關(guān)鍵詞：光纖 有線電視 網(wǎng)絡(luò) 拓撲結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段CATV是以光纜為干線的光纖加同軸電纜混合網(wǎng)（HFC），即干線和部分支干線采用光纜，支線或分配器以下部分由同軸電纜傳輸。不少網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營者已在超干線、干線甚至支干線上采用光纖技術(shù)。光纖網(wǎng)建設(shè)中采用何種拓撲結(jié)構(gòu)是一個很重要的問題，既要考慮目前的需要，又要考慮以后的升級。常見的幾種拓撲結(jié)構(gòu)有：總線形、環(huán)路形、樹枝形、星形等四種，下面逐一分析。

1.總線形結(jié)構(gòu)

所謂總線網(wǎng)是以一種傳輸媒介作為公共總線（母線），各終端通過光耦合器與總線直接相連而構(gòu)成的網(wǎng)。總線網(wǎng)屬于串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，但網(wǎng)絡(luò)各結(jié)點是并在總線上，當(dāng)個別結(jié)點出現(xiàn)故障或毀壞時，不會影響其他結(jié)點的通信，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高；各結(jié)點共享傳輸線，成本較低，節(jié)省投資；設(shè)備簡單。它的另一個優(yōu)點是，該種結(jié)構(gòu)適合于計算機通信的“以太網(wǎng)”，有利于城市網(wǎng)絡(luò)的建立與發(fā)展。

在發(fā)射機功率范圍內(nèi)，光結(jié)點數(shù)不能太多，也就是總線網(wǎng)的網(wǎng)徑和容量較小。另外，在共享線上，容易發(fā)生信號碰撞，給系統(tǒng)的運行造成一定的困難，只有在保證不小于10Mbit/s數(shù)據(jù)速率的情況下，矛盾才有所緩解。還有，這種拓撲結(jié)構(gòu)對光接收機的動態(tài)范圍要求較高。由于上述劣勢，限制了總線形光纖網(wǎng)在城域網(wǎng)中的應(yīng)用，往往只能滿足區(qū)域網(wǎng)的需求。

2.環(huán)形結(jié)構(gòu)

環(huán)形結(jié)構(gòu)屬于串聯(lián)型結(jié)構(gòu)。各結(jié)點共同用一條鏈路，自成一封閉結(jié)構(gòu)，采用雙向光纖。其優(yōu)點是：①節(jié)目可雙向傳輸，傳送的信號分為主路信號和備路信號，提高了網(wǎng)絡(luò)的自由度、靈活性及可靠性。②系統(tǒng)的鏈路損耗小，增加了網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)徑和容量，一般來說網(wǎng)的周長可達200km，結(jié)點數(shù)目可達幾百個。

由于環(huán)形結(jié)構(gòu)具有結(jié)點串聯(lián)的特點，各結(jié)點發(fā)送的信號可在環(huán)上魚貫而行。充分利用了網(wǎng)的容量，因此適合于高速網(wǎng)。另外環(huán)形結(jié)構(gòu)網(wǎng)對結(jié)點接收機的動態(tài)范圍要求較小，因為該網(wǎng)中最大傳輸損耗與最小傳輸損耗之間差距不大。

在大型有線電視系統(tǒng)中采用光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)。由本地前端出發(fā)通過一級環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和多個中心前端相互傳輸信息，由中心前端通過二級環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和若干個主光結(jié)點相耳傳輸信息。主光結(jié)點可以輸出光信號和射頻信號，射頻信號通過三級放大器以后帶動電纜分配網(wǎng)絡(luò)；集中供電電源安裝在主光結(jié)點上，主光結(jié)點和以下的光結(jié)點之間既有光纜又有電纜連接，電源通過電纜向射頻放大器供電。

它的明顯不足之處是，環(huán)形網(wǎng)結(jié)點站的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對硬件和管理軟件要求較高； 從經(jīng)濟方面來看，環(huán)形網(wǎng)的代價較高，結(jié)點的設(shè)計與制造也比較困難。這在某種程度上限制了環(huán)形結(jié)構(gòu)在有線電視領(lǐng)域中的應(yīng)用和推廣。

3.樹形結(jié)構(gòu)

光纖樹形網(wǎng)類似于現(xiàn)有的同軸電纜樹形網(wǎng)，呈樹枝狀。樹形結(jié)構(gòu)包含有較多的光無源器件，除結(jié)點外，網(wǎng)絡(luò)中無任何有源器件，因而對帶寬、波長和傳輸方式無任何限制，是解決本地入網(wǎng)的最佳途徑。這是它明顯的優(yōu)點。

樹形網(wǎng)由于光無源器件多，一方面造成的鏈路損耗較大，在允許鏈路損耗范圍內(nèi)，為保證末端載噪比指標(biāo)，結(jié)點數(shù)目不能太多，即網(wǎng)徑和容量不會太大；另一方面，光無源器件較易產(chǎn)生光信號失真（包括反射和散射等），為保證系統(tǒng)的CTR、COS指標(biāo)，對光端機的接收性能要求較高。其缺點之二是，這種樹形結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是分支總，形結(jié)構(gòu)，不適合電話通信。因此，在CATV光纖網(wǎng)方案時較少采用樹形結(jié)構(gòu)。

4.星形結(jié)構(gòu)

所謂星形結(jié)構(gòu)，是每一個端局都設(shè)一根獨立的光纖與前端相連，光分配一次到位，光線除經(jīng)過光耦合器外，中間不再有任何分支， 所用光分路器少，光纖連接點也少，因此光路全程損耗小，也就決定了網(wǎng)絡(luò)的容量和網(wǎng)徑極大。

這種結(jié)構(gòu)屬于并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，將具有控制和轉(zhuǎn)換功能的星形耦合器作為中心結(jié)點，通過光纖連接數(shù)個結(jié)點，以此構(gòu)成以中心結(jié)點為中心的網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)各結(jié)點間相互獨立，保密性強，容易實現(xiàn)多端無源網(wǎng)絡(luò)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，這正是星形光纖網(wǎng)易被CATV組網(wǎng)時廣泛采用的一個重要原因。

此外，星形拓撲結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)適應(yīng)性較強，易于升級，特別是隨著集中式交換機技術(shù)性能的提高和改進，這種結(jié)構(gòu)更適合高速網(wǎng)，系統(tǒng)內(nèi)可進行多功能開發(fā)，能與B–ISDN相銜接，在網(wǎng)內(nèi)向用戶傳送多媒體信息。

它的不足之處是：耗用光纖數(shù)目較多，提高了成本。

在大型網(wǎng)絡(luò)中，為充分發(fā)揮光纖傳輸?shù)膬?yōu)勢，常利用長距離超級干線將光分路器置于遠端構(gòu)成所謂雙（或多）星形拓撲結(jié)構(gòu)。

光纜CATV網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)階段以單向廣播型信號為主，網(wǎng)上各用戶的，號內(nèi)容相同，且信號為模擬殘留邊帶調(diào)制技術(shù)體制。故網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以距離最短為原則。因此，單向廣播型模擬信號光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)理論上的最佳結(jié)構(gòu)應(yīng)為星樹形網(wǎng)絡(luò)。對于數(shù)字視頻信號光纜傳輸系統(tǒng)，由于其無中繼而使傳輸距離可達50km以上。作為城市有線電視超干線的數(shù)字視頻光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)，拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計則應(yīng)以網(wǎng)絡(luò)的安全性為主要設(shè)計目標(biāo)，同時兼顧雙向業(yè)務(wù)的交換容量及業(yè)務(wù)流量分配，不再是距離最短原則。而是從其安全性與多路由保護代價來看，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)優(yōu)于星樹形網(wǎng)絡(luò)。

5.光纖CATV網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢

（1）光纖到結(jié)點（FTF） 國內(nèi)外新建的光纖CATV網(wǎng)主要采用FTF模式。該模式中從前端或分前端到各個分配光結(jié)點之間采用星形拓撲結(jié)構(gòu)光纜，在各結(jié)點處進行光電轉(zhuǎn)換。而從各光結(jié)點處再以樹形方式敷設(shè)同軸電纜或用戶電纜到該區(qū)域內(nèi)各用戶家庭，在同軸電纜分配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不再使用干線放大器，一個光結(jié)點的服務(wù)區(qū)域的大小一般在2000～5000戶家庭，一條支線上放大器為3～5個。

（2）光纖到路邊（FTC） 光纖CATV網(wǎng)正逐步狗寬帶綜合業(yè)務(wù)用戶網(wǎng)過渡，即還要利用該網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)許多非廣播電視業(yè)務(wù)的雙向業(yè)務(wù)，如電話、計算機通信、影視點播及各類交互式視頻業(yè)務(wù)等。若一個光結(jié)點的用戶數(shù)太多，則雙向傳輸?shù)纳闲蓄l道就會存在兩個問題：一是若接在一條同軸電纜支線上的成百上千用戶的回傳信號，同時搶占同一放大器狹窄的上行頻道，將會造成通信阻塞；二是在樹形或星形網(wǎng)絡(luò)中，一多個反向放大器的輸出噪聲向一個通路匯集，加上上行頻道處于低頻頻段，易受外界干擾，導(dǎo)致上行通路的信噪比很小。為此，必須縮小模式中光結(jié)點的服務(wù)區(qū)域，讓光纖盡可能地滲透到用戶附近，置路邊（Curb）平臺，一個Curb管轄的范圍最好在500戶以下，且只含有一級或兩級放大器?？稍贔TF模式基礎(chǔ)上改造為FTC模式，即逐步增加光結(jié)點的光接收機與回傳光發(fā)射機，相當(dāng)于增加了光結(jié)點，使每個光結(jié)點所服務(wù)的用戶數(shù)相應(yīng)減少，且隨著發(fā)展逐步地把光接收機和回傳光發(fā)射機向用戶推進。

（3）光纖到最后一個放大器（FTLA） 目前國外正在研究FTLA，該模式為無源同軸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在光接收機后不再使用放大器，完全靠無源同軸電纜及部件把射頻信號直接分配給每一用戶，這樣網(wǎng)絡(luò)的可靠性得到進一步提高，而信息的回傳也將非常暢通?！?/p>

參考文獻

[1]潘承雙，當(dāng)前農(nóng)村有線電視存在的問題及對策[J]，中國有線電視，2006，（12）.

[2]羅軼，楊亞玲，試論我國有線電視網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)業(yè)化[J]，西部廣播電視，2007，（08）.

篇5

【關(guān)鍵詞】STATCOM;拓撲結(jié)構(gòu);電能質(zhì)量

1.引言

靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator， STATCOM）是柔流輸電系統(tǒng)（FACTS）的核心裝置和技術(shù)之一，可以解決配電網(wǎng)中無功、諧波、電壓波動與閃變、三相電壓不平衡等電能質(zhì)量問題。隨著電力負荷和輸電容量的不斷增加，STATCOM向高壓大容量發(fā)展，STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)展。本文從STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展進行了綜述。

2.STATCOM的拓撲結(jié)構(gòu)

圖1為STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)，核心器件為電壓源逆變器，由大功率電力電子開關(guān)器件組成，將直流電源變換為具有一定頻率和幅值的交流電壓;電容起電壓支撐的作用;耦合變壓器將大功率變流裝置與電力系統(tǒng)耦合在一起。

圖1 STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)

STATCOM主要有兩種基本結(jié)構(gòu)：變壓器多重化結(jié)構(gòu)和多電平結(jié)構(gòu)。多電平結(jié)構(gòu)的STATCOM包括：二極管鉗位型、飛跨電容型、級聯(lián)型和模塊化型。

2.1 變壓器多重化結(jié)構(gòu)的STATCOM[1]

其性能改善了波形質(zhì)量，更接近正弦波。原因在于多重化結(jié)構(gòu)，不同相位的方波電壓由若干個單相或三相逆變器產(chǎn)生，并用變壓器將其串聯(lián)在一起，疊加而成的波形，諧波畸變率減少。缺點是：變壓器和驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動態(tài)響應(yīng)慢、占地面積比較大，不經(jīng)濟。

圖2 變壓器多重化結(jié)構(gòu)的STATCOM

2.2 二極管鉗位型多電平變換器[2]

如圖3：VT為三極管，VD為蓄流二極管，D為鉗位二極管，C為均壓電容，將直流電壓分為三電平。缺點：功率開關(guān)較多，不經(jīng)濟。優(yōu)點：提高了裝置的輸出容量。

圖3 二極管鉗位型三電平STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)

2.3 飛跨電容多電平逆變器

圖4 電容鉗位三電平STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)

電容起對功率開關(guān)進行直接鉗位的作用，但是隨著電平數(shù)目的增加，鉗位器件的數(shù)量增加，主電路和控制系統(tǒng)的實現(xiàn)難度增加;直流側(cè)的電壓不對稱;不經(jīng)濟且封裝難度增大[3]。

2.4 級聯(lián)型多電平變換器[4]

圖5 級聯(lián)型STATCOM拓撲圖

每相采用多個單相 H 橋電路串聯(lián);換流器由N個H橋子模塊級聯(lián)而成，每個子模塊有相應(yīng)的直流電源且電壓相等，輸出電壓是各個子模塊輸出的電壓之和。優(yōu)點：器件使用較少，易于模塊化;軟件控制容易實現(xiàn)，方法簡單，克服了電池組相串聯(lián)充放電不均衡的缺點。

圖6 單相鏈?zhǔn)絊TATCOM拓撲圖

單相鏈?zhǔn)絊TATCOM為級聯(lián)型，與同容量靜止無功補償器相比，具有調(diào)節(jié)范圍廣、調(diào)節(jié)速度快、欠壓下無功調(diào)節(jié)能力強、諧波含量小、減少系統(tǒng)諧振發(fā)生的優(yōu)點[5]。

2.5 模塊化多電平變換器

模塊化多電平變流器的MMC-STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)如圖7：三相主電路有六個橋臂，各橋臂由N個子模塊和緩沖電感Lf組成。通過電感Ls連接到公共交流電網(wǎng)。子模塊是由兩個開關(guān)管VT1和VT2以及各自反并聯(lián)的二極管VD1，VD2，直流電容C組成的半橋電路[6]。

圖7 模塊化多電平變換器STATCOM的拓撲結(jié)構(gòu)

上、下橋臂同時運行的子模塊數(shù)為N保證了三相對稱運行。改進型MMC-STATCOM 拓撲無公共直流儲能環(huán)節(jié)部分（虛線部分），克服了傳統(tǒng)MMC-STATCOM上、下橋臂同時投入子模塊數(shù)為N的缺點，結(jié)構(gòu)簡單，造價低[7]。

2.6 混合級聯(lián)多電平換流器（Hybrid Cascaded Multilevel Converter，HCMC）[8]

HCMC-STATCOM由常規(guī)二電平電壓源換流器和H橋子模塊級聯(lián)而成的整形電路兩部分構(gòu)成。

圖8 HCMC-STATCOM的拓撲結(jié)構(gòu)

DS模塊由多個IGBT串聯(lián)而成如圖9。整形電路是有n個子模塊串聯(lián)而成，子模塊如圖10，每相二電平換流器是由兩個導(dǎo)通開關(guān)組成。HCMC-STATCOM是一個強耦合非線性的系統(tǒng)，可降低開關(guān)損耗，級聯(lián)模塊的電壓等級具有一致性，模塊化易于實現(xiàn)，波形具有良好的質(zhì)量。

圖9 DS模塊

圖10子模塊

2.7 帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器（STATCOM/BESS）[9]

文獻[9]提出了帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器，可以克服傳統(tǒng)電壓型逆變器STATCOM與系統(tǒng)進行無功交換，當(dāng)遇到阻性壓降導(dǎo)致末端電壓降低、阻尼系統(tǒng)有功振蕩、提高新能源的穿透功率極限等問題[10]。蓄電池儲能裝置與靜止同步補償器的連接方式：直接并聯(lián)在直流側(cè)[11]， 二端口和直接相連;直接DC/DC并聯(lián)在直流側(cè);經(jīng)隔離式DC/DC并聯(lián)在直流側(cè)[12]。

圖11 蓄電池與STATCOM 的連接方式

圖12 蓄電池組直接DC/DC并聯(lián)在直流側(cè)

圖13 蓄電池組經(jīng)隔離式DC/DC并聯(lián)在直流側(cè)

3.結(jié)語

靜止同步補償器作為電能質(zhì)（下轉(zhuǎn)第85頁）（上接第82頁）量的調(diào)控裝置，具有良好的動態(tài)調(diào)控性能。隨著電力系統(tǒng)對高電壓和大容量要求，靜止同步補償器的拓撲結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，隨之新的控制策略的應(yīng)用，對保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、良好的電能質(zhì)量起著十分重要的作用。

參考文獻

[1]吳文輝，劉會金.靜止同步補償器（STATCOM）技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2005，22（2）：89-94.

[2]張志，謝運祥，樂江源.二極管鉗位型單相三電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制方法[J].中國電機工程學(xué)報，2010，30（27）：62-68.

[3]耿俊成.鏈?zhǔn)届o止同步補償器主數(shù)學(xué)模型和控制策略研究[D].北京：清華大學(xué).2003.

[4]陳阿蓮，何湘寧，趙榮祥.一種改進的級聯(lián)型多電平變換器拓撲[J].中國電機工程學(xué)報，2003，23（11）：9-12.

[5]王軒，林嘉揚，滕樂天等.d-q-0 坐標(biāo)系下鏈STATCOM 電流控制策略[J].中國電機工程學(xué)報，2012，32（15）：48-54.

[6]張振華，江道灼.基于模塊化多電平變流器的STATCOM研究[J].電力自動化設(shè)備，2012，32（2）：62-66.

[7]戴珂，徐晨，丁玉峰等.改進型MMC-STATCOM的建模及分層控制[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，8（12）：44-59.

[8]林志勇.基于混合級聯(lián)多電平換流器的STATCOM研究[D].杭州：浙江大學(xué).2014.

[9]李寧寧，紀(jì)延超，王建賾等.帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器（STATCOM/BESS）的概況綜述[J].電工電能新技術(shù)，2014，33（4）：48-53.

[10]費萬民，張艷莉，呂征宇.大容量靜止無功發(fā)生器與電池儲能的集成[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29 （10）：41-44.

篇6

【關(guān)鍵詞】 三維細化 刪除模板 拓撲結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)不變性 三維非接觸測量

一、引言

圖像細化廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)圖像分析，模式識別等。三維圖像細化是圖像處理和視覺分析的主要研究方向，細化提取的骨架是后續(xù)圖像分析和特征提取的重要基礎(chǔ)。從三維細化的結(jié)果中可提取基本尺寸和基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)面等特征，包括物體的軸線基準(zhǔn)、軸線長度，形狀結(jié)構(gòu)及聯(lián)接關(guān)系。通過這一系列參數(shù)和特征準(zhǔn)確表述和確定目標(biāo)的當(dāng)前狀態(tài)，從而實現(xiàn)對三維目標(biāo)的全方位的非接觸測量。

三維細化算法主要包括提取中心線和提取中心面兩類，本文重點研究中心線的提取。在一個三維二值圖像中黑點和白點分別代表目標(biāo)點和背景點，細化就是將逐層將黑點移除（黑點改為白點）直到僅剩一個像素寬的骨架。連通性及拓撲結(jié)構(gòu)的保持是三維細化過程中考慮的主要問題，概括為三個方面：（1）輸入圖像中的任何物體不能被拆分或完全消除；（2）任何空腔不能與背景或另一個空腔合并；（3）不能消除或新增任何的空腔和孔洞。連通性的保持是拓撲性質(zhì)的保持的基礎(chǔ)，例如形如“o” 的物體細化后不能形如 “c”，細化后提取的骨架應(yīng)位于物體的中軸，并且看起來相似于原物體；同時細化算法在物體平移、比例變化及旋轉(zhuǎn)前后提取的骨架應(yīng)基本保持一致。

提取中心線的三維細化算法多是基于模板的并行細化算法。并行細化算法有子迭代并行細化算法，區(qū)域并行細化算法[10，11]和完全并行細化算法三類。完整的基于模板的完全并行三維細化算法由Ma和Sonka提出，這一算法不能很好的保護三維物體的拓撲結(jié)構(gòu)，后續(xù)研究者發(fā)現(xiàn)這一問題，Wang和Basu通過擴充刪除模板解決了某些情況下細化結(jié)果出現(xiàn)斷裂的情況，但仍存在一些問題，且由于刪除模板擴充后有方向性，不能保證三維物體旋轉(zhuǎn)后的細化結(jié)果保持不變。

針對上述問題，提出一種新的細化算法，從基礎(chǔ)模板在各個方向上旋轉(zhuǎn)得到具有各向同性的刪除模板，保證了模板的對稱性，使物體旋轉(zhuǎn)之后細化結(jié)果和旋轉(zhuǎn)前細化結(jié)果保持一致；給出了真?zhèn)蝿h除點的定義，并證明了提出的算法滿足連續(xù)性保持的條件，解決了點同時刪除造成不連續(xù)的問題。

二、三維細化旋轉(zhuǎn)不變性理論分析

Wang和Basu針對Ma和Sonka的算法中不能保持連通性的情況對D類模板添加更多更細致的限制，擴充了最終的刪除模板。Ma算法中D類刪除模板是12個，Wang對模板中的一些點增加了限制，把D類模板擴充為36個。Ma算法中d7如圖2所示，Wang擴充后的d7如圖3所示。

圖3 Wang算法中刪除模板d7-1，d7-2，d7-3算法主要步驟：

1）檢測邊界點（26鄰域內(nèi)至少有一個是背景點）。

2）并行刪除滿足任一刪除模板的非尾點。

3）返回1）直到o任何點可以被刪除。

完全并行細化算法，從各個方向同時逐層刪除三維物體中的點，這保證了最終結(jié)果位于原物體的中軸上，且相似于原物體。但并行細化算法的細化結(jié)果有出現(xiàn)斷裂的可能，每一層的點在進行刪除模板的匹配及其他刪除條件的判斷時，若點與點之間相互為滿足刪除條件的必要點，同時刪除所有滿足條件的點得到的細化結(jié)果就可能出現(xiàn)斷裂，不能保持原物體的拓撲結(jié)構(gòu)。

其他情況下仍仍然會出現(xiàn)斷裂，使最終細化結(jié)果無法保持原物體拓撲結(jié)構(gòu)。同時因為只改變了某些方向上的模板，最終的刪除模板不再是完全對稱，使得細化算法不具旋轉(zhuǎn)不變性。

三、基于保拓撲結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)不變性的細化算法

針對上述分析提出一種新的基于保拓撲結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)不變的三維細化算法。首先給出旋轉(zhuǎn)不變性的定義，其次設(shè)計了各向同性的刪除模板，最后根據(jù)需要定義了真?zhèn)蝿h除點，并論述了提出的算法滿足連續(xù)性保持的條件。通過假設(shè)驗證法，檢測候選刪除點刪除前后26鄰域內(nèi)目標(biāo)體和背景組的數(shù)目變化，確認刪除點的真?zhèn)危３至嗽械耐負浣Y(jié)構(gòu)，進而確保物體旋轉(zhuǎn)后細化結(jié)果的連續(xù)性不變。

關(guān)于旋轉(zhuǎn)不變性做如下定義：

定義1（旋轉(zhuǎn)不變性）：當(dāng)物體相對之前位置旋轉(zhuǎn)后，通過細化提取的骨架與旋轉(zhuǎn)前提取的骨架形態(tài)及結(jié)構(gòu)保持一致，簡稱該細化算法具有旋轉(zhuǎn)不變性。

為使旋轉(zhuǎn)后結(jié)果與旋轉(zhuǎn)前結(jié)果保持一致，本文構(gòu)造了具有各向同性的刪除模板。如圖4所示，新算法中具有各向同性的D類刪除模板是12個，且模板中限制點比Ma算法中少。改進刪除模板是基于圖2中四類基本模板，通過繞三個中軸旋轉(zhuǎn)獲得，在結(jié)構(gòu)上是完全對稱的，從而保證在各個方向模板是同性的，使新算法具有旋轉(zhuǎn)不變性。

為準(zhǔn)確表達該算法，做如下定義：

定義2（真?zhèn)蝿h 除點）：在每次迭代中，通過與刪除模板的匹配，簡單點、非尾點的判斷選出候選點，假設(shè)所有候選點被刪除，再逐個檢驗候選點被同時刪除后26鄰域內(nèi)目標(biāo)體的數(shù)目和背景組的數(shù)目有沒有改變，若改變稱為偽刪除點，若未發(fā)生變化稱為真刪除點。

每次迭代中對符合刪除模板且滿足其他刪除條件的目標(biāo)點做標(biāo)記，假設(shè)標(biāo)記點已全部被刪除（值為0），逐個對標(biāo)記點位置進行檢測，檢測標(biāo)記點位置26鄰域中目標(biāo)點（黑點）的連通性，和18鄰域中背景點的連通性，若連通性發(fā)生改變則把標(biāo)記點重置為1，若未改變確定刪除。因為在一次迭代中任何點的刪除不應(yīng)該改變其26鄰域中目標(biāo)點的連通性和18鄰域中背景點的連通性。這就有效防止同時刪除一系列點造成細化結(jié)果出現(xiàn)斷裂破壞拓撲結(jié)構(gòu)的可能。

連通性證明：本文算法按照簡單點的定義選候刪除點，為保證被刪除的點是簡單點，在刪除前做如下判斷：判斷當(dāng)前點26鄰域內(nèi)的目標(biāo)點是否連通；判斷當(dāng)前點18鄰域內(nèi)的背景點是否連通且至少有一個點與當(dāng)前點是6鄰接，所以被刪除的點都是簡單點，滿足條件①。通過刪除點的真?zhèn)悟炞C表明對每一個刪除點來說，在其他點被刪除后，26鄰域內(nèi)仍然只有一個目標(biāo)體，18鄰域內(nèi)只有一個背景組，即還是簡單點，所以每次迭代中同時刪除的所有點的集合是一個簡單點集合。那么屬于一個單位正方形上的兩個，三個或四個不同點被同時刪除時，它們也是簡單點集合，表明本文算法滿足條件②、③、④。假設(shè)存在一個包含在單位立方體內(nèi)的目標(biāo)體被完全刪除，那么單位立方體內(nèi)八個點只能是可被刪除的點或者背景點，可被刪除的點必須滿足某一刪除模板，根據(jù)根據(jù)本文算法設(shè)計的刪除模板特點，八個點中總有一個面上的四個點必須同時是背景點，因此包含在一個單位立方體內(nèi)能被完全刪除的目標(biāo)體不存在，即滿足條件⑤。因此本文算法滿足三維細化算法保持連通性的條件。

基于保拓撲結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)不變性的三維細化算法主要步驟：

1）檢測邊界點（26鄰域內(nèi)至少有一個是背景點）；

2）檢測滿足任一刪除模板同時屬于非尾點和簡單點的點，并標(biāo)記為候刪除點；

3）根據(jù)定義2判斷2）中標(biāo)記的候刪除點的真?zhèn)?，若為真，則確認刪除，否則不刪除；

4）返回1）直到無任何點可以被刪除。

四、 物體的尺寸提取與非接觸測量

對細化后的骨架進行像素數(shù)的統(tǒng)計可以得到三維模型的幾何尺寸信息，這些測量信息可以精準(zhǔn)地描述三維模型的當(dāng)前狀態(tài)。比如表面即為邊界點的集合，通過判斷是否具備空間26連通可以快速提取邊界點，表面積可以表示為邊界點像素的總和，這種表示方法不僅簡單，而且被證明是物體表面積的無偏和一致的最好估計。

根據(jù)三維圖像數(shù)據(jù)和尺寸基準(zhǔn)線，可提出和計算目標(biāo)的厚度、高度、徑向、軸向、位置等幾何尺寸，計算各組成部分的長度、高度、寬度或直徑、半徑等形狀參數(shù)，計算表面各部分的幾何距離，有關(guān)結(jié)構(gòu)與重要基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)線的距離以及平行度、平面度、圓度、同軸度等形位誤差。用這一系列參數(shù)和特征準(zhǔn)確表達和確定目標(biāo)的實際當(dāng)前狀態(tài)，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的全方位的非接觸測量。

五、實驗結(jié)果與分析

該部分設(shè)置了四個實驗。在前兩個實驗中把新算法分別和Ma的算法，Wang的算法做對比，表明新算法在保持連通性方面的優(yōu)勢；在第三個試驗中把新算法與Wang的算法的細化結(jié)果做對比，表明新算法具有旋轉(zhuǎn)不變性；第四個實驗是新算法細化各類模型得到的精實墓羌堋

新算法與Ma算法的細化結(jié)果對比如圖5所示，在圖5.（a）中是一個連續(xù)的簡單模型，圖5.（b）中是Ma算法的細化結(jié)果，左右連在一起的兩個方形在細化后被分開，破壞了原有的連通性，圖5.（c）中是新算法的細化結(jié)果。左右兩個方形細化后任連在一起，保持了原有的拓撲結(jié)構(gòu)。在圖6.（a）中是一個連續(xù)的簡單模型，圖6.（b）中是Ma算法的細化結(jié)果，上下連在一起的兩個方形在細化后被分開，破壞了原有的連通性，圖6.（c）中是新算法的細化結(jié)果。上下兩個方形細化后任連在一起，保持了原有的拓撲結(jié)構(gòu)

六、結(jié)論

完全并行基于模板的細化算法，會出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致細化結(jié)果拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并且不具有旋轉(zhuǎn)不變性，本文通過設(shè)計各向同性模板，判斷后刪除點的真?zhèn)谓鉀Q了這一問題，并通過實驗進行了驗證；在三維細化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了非接觸測量，提取三維特征信息，這將進一步滿足對三維模型特征分析的需求。

參 考 文 獻

[1]廖開陽，張學(xué)冬，章明珠.一種新的指紋圖像快速細化算法[J].計算機工程與應(yīng)用，2008，44（5）：93-95.

[2]鄧剛，童學(xué)鋒.FPTA快速細化算法在脫機手寫體漢子識別中的應(yīng)用.計算機工程與應(yīng)用，2002，01：135-136

篇7

關(guān)鍵詞：板結(jié)構(gòu)； 拓撲優(yōu)化； 無網(wǎng)格法； 自然鄰接點插值； 帶懲罰的各向同性固體微結(jié)構(gòu)模型

中圖分類號：TB115.2 文獻標(biāo)志碼：A

Topology optimization of plate structure based on

meshless local Petrov-Galerkin method

LI Shunli, LONG Shuyao, LI Guangyao, DING Canhui

(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract： To apply the advantage of meshless method into the structural topology optimization, the topology optimization of plate structure is performed by using the Meshless Local Petrov-Galerkin(MLPG) method. The optimization correction program of the design variables is built by the topology optimization model based on Solid Isotropic Microstructures with Penalization(SIMP) and the optimality criteria method. The natural neighbour interpolation shape function is used to discretize both displacement field and relative density field. Several typical topology optimization examples are used to verify the validity and effectiveness of the numerical method.

Key words： plate structure; topology optimization; meshless method; natural neighbour interpolation; solid isotropic microstructure with penalization model

0 引 言

一種典型的拓撲優(yōu)化問題目標(biāo)為用給定的有限材料，在指定的空間內(nèi)找到能支撐給定載荷的剛性最強的結(jié)構(gòu)布局.自從BENDSE等［1］提出均勻化法以來，許多拓撲優(yōu)化方法被相繼提出，其中具有代表性的有帶懲罰的各向同性固體微結(jié)構(gòu)(Solid Isotropic Microstructure with Penalization, SIMP)模型［2-4］、進化法［5］和水平集法［6］等.

目前，拓撲優(yōu)化中主要的分析方法是有限元法.但有限元法也有其缺點，在處理如大變形和移動邊界問題時需不斷重新劃分和重構(gòu)網(wǎng)格以解決網(wǎng)格畸變和網(wǎng)格移動等問題.在拓撲優(yōu)化中，精確的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析至關(guān)重要.近年來，為克服對網(wǎng)格的依賴性，許多學(xué)者致力于無網(wǎng)格方法的研究.目前，無網(wǎng)格方法已有數(shù)十種之多，其中具有代表性的有光滑粒子動力學(xué)法［7］、無單元伽遼金法［8］、無網(wǎng)格局部Petrov-Galerkin（Meshless Local Petrov-Galerkin，MLPG）法［9］和自然元法［10-11］等.近年來，蔡永昌等［12］和WANG等［13］將基于自然鄰接點插值的MLPG法成功應(yīng)用于求解彈性力學(xué)的平面問題.

為將無網(wǎng)格數(shù)值方法的優(yōu)勢集成到結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的應(yīng)用中，本文基于自然鄰接點插值的MLPG法，實現(xiàn)一種新的Reissner-Mindlin板的拓撲優(yōu)化.在大多數(shù)文獻中，板的優(yōu)化問題被描述為對加固部件的優(yōu)化，主要采用均勻化法，但拓撲優(yōu)化的是加固部件而不是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu).本文基于Reissner-Mindlin板的MLPG模型，采用基于SIMP法的拓撲優(yōu)化模型和優(yōu)化準(zhǔn)則法建立設(shè)計變量的優(yōu)化修正方案.位移場和相對密度場均采用自然鄰接點插值形函數(shù)進行離散插值.棋盤格布局是拓撲優(yōu)化中經(jīng)常遇到的數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象之一，SIMP法需結(jié)合周長約束、梯度約束或者采用過濾技術(shù)以確保解的存在.［14］因采用連續(xù)的密度場（自然鄰接點插值除在節(jié)點上是C0連續(xù)外，其他域內(nèi)都是光滑的C∞），故無須任何外加的過濾技術(shù)就可有效消除材料分布的棋盤格形式.

1 自然鄰接點插值

自然鄰接點插值基于著名的Voronoi結(jié)構(gòu)和Delaunay三角形網(wǎng)格.考慮R2空間上的一系列離散的節(jié)點N={n1,n2,…,nM}，NУVoronoi圖（1階Voronoi圖）將平面細分為一系列與節(jié)點ni相對應(yīng)的區(qū)域Ti，在Ti內(nèi)的任何點到節(jié)點ni（最近的鄰接點）的距離均小于該點至任何其他的節(jié)點nj(nj∈N(j≠i))的距離，即ИTi=x∈R2:d(x,xi)

Fig.1 Voronoi diagram and Delaunay triangula-tion diagram式中：d(x,xi)為x到xi之間的距離.Voronoi單元Ti是由節(jié)點ni與其自然鄰接點連線的垂直平分線為界的多個開放的半空間交集.Delaunay三角形剖分圖由連接擁有同一邊界的Voronoi單元的節(jié)點構(gòu)成.圖1為一組節(jié)點的Voronoi圖和Delaunay三角形剖分圖.在此基礎(chǔ)上，進一步建立點x的2階Voronoi結(jié)構(gòu)，見圖2.

3 基于MLPG的拓撲優(yōu)化

在結(jié)構(gòu)拓撲設(shè)計中，最感興趣的是決定所給各向同性材料在空間的最優(yōu)分布，即決定哪些空間點為材料點，哪些點保留為空（非材料點）［15］.解這類離散值設(shè)計問題（0-1問題）的最常用方法是用連續(xù)變量替換原來的整數(shù)變量，并引入某種形式的懲罰引導(dǎo)逼進0-1問題的解.本文采用SIMP法［2］：

4 數(shù)值實例

本文給出幾種典型板的拓撲優(yōu)化，驗證基于自然鄰接點插值MLPG法的Reissner-Mindlin板的拓撲優(yōu)化方法的正確性和有效性.在下列算例中，彈性材料常數(shù)為：楊氏模量E=2×1011 Pa，泊松比 =0.3，移動步長m=0.2，調(diào)諧參數(shù) =0.5.

圖 3 四邊固支Reissner-Mindlin方形板的最小柔量拓撲嘔

Fig.3 Topology optimization for minimum compliance of Reissner-Mindlin square plate with four clamped edges算例1 討論中心受集中力F=1.0×106 N，厚h=0.1 m，邊長a=1.5 m的四邊固支Reissner-Mindlin方形板的拓撲優(yōu)化.問題域由31×31規(guī)則分布的節(jié)點離散，密度懲罰因子P=3.0.用本文方法得該板最小柔量拓撲優(yōu)化見圖3，其材料體積約束f=0.3.經(jīng)過優(yōu)化，按結(jié)構(gòu)柔量最小原則對有限的材料進行重新布局，在彎矩最大的板中心區(qū)域及彎矩較大的四固支邊的中部得到明顯加固.

圖 4 固支板的載荷

Fig.4 Loads on clamped plate算例2 分析與算例1相同的固支板拓撲優(yōu)化.該板同時受4個向下的集中力作用，見圖4.問題域由31×31規(guī)則分布的節(jié)點離散，密度懲罰因子P=3.0.拓撲優(yōu)化見圖5，圖5(a)和5(b)的材料體積約束f分別為0.3和0.4，可知圖5（a）與圖3的結(jié)構(gòu)大體相似，主要差異在圓圈處.

（a）f=0.3（b）f=0.4圖 5 同時作用4個向下集中力的四邊固支Reissner-

Mindlin方形板的最小柔量拓撲優(yōu)化

Fig.5 Topology optimization for minimum compliance of Reissner-Mindlin square plate with four clamped edges loaded with four concentrated downward force

圖 6 設(shè)計域和載荷

Fig.6 Design problem

and loads算例3 考慮在自由端受2個集中力載荷的懸臂方形板的拓撲優(yōu)化，其設(shè)計域和載荷見圖6.設(shè)計域仍然由31×31規(guī)則分布的節(jié)點離散，密度懲罰因子P=3.0.自由端受2個向下集中力作用的懸臂板最小柔量拓撲優(yōu)化見圖7，其材料體積約束f為0.5.

圖 7 自由端受2個向下集中力作用的懸臂板

最小柔量拓撲優(yōu)化

Fig.7 Topology optimization for minimum compliance ofcantilever plate with the free ends loaded with two concentrated downward forces5 結(jié) 論

提出一種基于自然鄰接點插值的MLPG法的Reissner-Mindlin板的拓撲優(yōu)化.自然鄰接點插值形函數(shù)具有Kronecker Delta函數(shù)性質(zhì)，易于施加本質(zhì)邊界條件.在優(yōu)化過程中，結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析、靈敏度分析和相對密度場均在無網(wǎng)格模式下采用自然鄰接點插值形函數(shù)近似，不存在網(wǎng)格扭曲，也不需要進行網(wǎng)格重構(gòu).本文成功求解幾個板的拓撲優(yōu)化問題，數(shù)值算例表明本文方法能有效處理拓撲優(yōu)化問題.由于采用連續(xù)的密度場，無須額外施加任何的過濾技術(shù)，可有效消除材料分布的棋盤格模式.

參考文獻：

［1］ BENDSE M P, KIKUCHI N. Generating optimal topology in structural design using a homogenization method［J］. Comput Methods Appl Mech & Eng, 1988, 71(2): 197-224.

［2］ BENDSE M P. Optimal shape design as a material distribution problem［J］. Struct & Multidisciplinary Optimization, 1989, 1(4): 193-202.

［3］ BENDSE M P, SIGMUND O. Material interpolation schemes in topology optimization［J］. Archive Appl Mech, 1999, 69(9-10): 635-654.

［4］ ZHOU M, ROZVANY G I N. The COC algorithm part II: topological, geometrical and generalized shape optimization［J］. Comput Methods Appl Mech & Eng, 1991, 89(1-3): 309-336.

［5］ XIE Y M, STEVEN G P. A simple evolutionary procedure for structural optimization［J］. Computers & Structures, 1993, 49(5): 885-896.

［6］ WANG M Y, WANG Xiaoming, GUO Dongming. A level set method for structural topology optimization［J］. Comput Methods Appl Mech & Eng, 2003, 192(1-2): 227-246.

［7］ GINGOLD R A, MONAGHAN J J. Smoothed particle hydrodynamics: theory and applications to non-spherical stars［J］. R Astron Soc Mon Not, 1977, 181(1): 375-389.

［8］ BELYTSCHKO T, LU Y Y, GU L. Element-free Galerkin methods［J］. Int J Numer Methods Eng, 1994, 37(2): 229-256.

［9］ ATLURI S N, ZHU T. A new meshless local Petrov-Galerkin(MLPG) approach in computational mechanics［J］. Comput Mech, 1998, 22(2): 117-127.

［10］ BRAUN J, SAMBRIDGE M. A numerical method for solving partial differential equations on highly irregular evolving grids［J］. Nature, 1995, 376(6542): 655-660.

［11］ SUKUMAR N, MORAN B, BELYTSCHKO T. The natural element method in solid mechanics［J］. Int J Numer Methods Eng, 1998, 43(5): 839-887.

［12］ 蔡永昌, 朱和華, 王建華. 基于Voronoi結(jié)構(gòu)的無網(wǎng)格局部Petrov-Galerkin方法［J］. 力學(xué)學(xué)報, 2003, 35(2): 187-193.

CAI Yongchang, ZHU Hehua, WANG Jianhua. The meshless local Petrov-Galerkin method based on the Voronoi cells［J］. Chin J Theor & Appl Mech, 2003, 35(2): 187-193.

［13］ WANG Kai, ZHOU Shenjie, SHAN Guojun. The natural neighbour Petrov-Galerkin method for elasto-statics［J］. Int J Numer Methods Eng, 2005, 63(8): 1126-1145.

［14］ SIGMUND O, PETERSSOM J. Numerical instabilities in topology optimization: a survey on procedures dealing with checkerboards, mesh-dependencies and local minima［J］. Struct Optimization, 1998, 16(1): 68-75.

篇8

關(guān)鍵詞：遺傳算法 計算幾何 拓撲結(jié)構(gòu) 貪心算法 圖論法

中圖分類號：G6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）04（a）-0116-02

1 問題分析

根據(jù)某市設(shè)置交巡警平臺的相關(guān)情況，為各交巡警平臺分配管轄范圍，使其在所管轄的范圍內(nèi)出現(xiàn)突發(fā)事件時，盡量能在3分鐘內(nèi)有交巡警到達事發(fā)地。對于重大突發(fā)事件，需要調(diào)度全區(qū)20個交巡警服務(wù)平臺的警力資源，對進出該區(qū)的13條交通要道實現(xiàn)快速全封鎖。我們按照設(shè)置交巡警服務(wù)平臺的原則和任務(wù)，設(shè)計了該區(qū)交巡警服務(wù)平臺警力合理的調(diào)度方案。

2 交巡警服務(wù)平臺覆蓋模型[1]

現(xiàn)有交巡警警車的車速為60 km/h，要求交巡警在3分鐘內(nèi)到達事發(fā)地，經(jīng)過計算交巡警的車速為1 km/h。

我們利用MATLAB軟件編程：以交巡警服務(wù)平臺為中心3 km為半徑的圓，所得的圓為交巡警服務(wù)平臺的覆蓋范圍。

設(shè)為道路節(jié)點集合為區(qū)域網(wǎng)絡(luò)圖中與每個節(jié)點相關(guān)聯(lián)的到路邊的集合，邊的兩個端點為和（假設(shè)）則，有

兩個端點的距離為

，

針對上述模型1和2，采用Lingo、Lindo等軟件按分支定界法求得精確解但過程是十分困難的，原因如下：

（1）分支定界法屬于非多項式算法，當(dāng)整數(shù)變量較多時求解困難。

（2）交巡警在3分鐘內(nèi)到達事發(fā)地點的比例不低于90%和3分鐘以后到達重大事件部位的約束條件，很難用常規(guī)的線性與非線性表達式來精確表達。所以，該問題屬于復(fù)雜非線性整數(shù)規(guī)劃問題，難以精確求解，故考慮近似算法。我們選取貪婪算法進行近似求解。

5.2 評價交巡警平臺設(shè)置是否合理的指標(biāo)主要有以下幾點

（1）交巡警服務(wù)平臺收走路徑包含的標(biāo)記點數(shù)量占區(qū)域標(biāo)記點總數(shù)的百分比。

（2）一直處在交巡警服務(wù)平臺的控制區(qū)域之外的標(biāo)記點數(shù)量占區(qū)域標(biāo)記點總量的百分比。

我們分別用交巡警服務(wù)平臺覆蓋率和交巡警服務(wù)平臺的缺失率來表示以上兩個指標(biāo)，交巡警服務(wù)平臺覆蓋率越高，巡警服務(wù)平臺的缺失率越低，巡警服務(wù)平臺設(shè)置就越顯著。我們認為交巡警服務(wù)平臺覆蓋率達到90%以上，交巡警服務(wù)平臺的缺失率低于10%時，巡警服務(wù)平臺設(shè)置效果顯著。

分別求解P=20～22時滿足D1條件的交巡警服務(wù)平臺設(shè)置方案，并給出相應(yīng)的交巡警服務(wù)平臺設(shè)置效果顯著指標(biāo)。

根據(jù)評價原則：交巡警平臺覆蓋率達到90%以上，同時交巡警平臺的缺失率低于10%時，巡警平臺設(shè)置效果顯著。

結(jié)論：在A區(qū)增設(shè)2個交巡警平臺；B區(qū)不用增設(shè)平臺；C區(qū)增設(shè)2個平臺；D區(qū)增設(shè)8個平臺；E區(qū)增設(shè)5個平臺；F區(qū)增設(shè)4個平臺。

6 調(diào)度方案模型優(yōu)缺點分析

該方案對道路數(shù)據(jù)的離散化處理，給模型建立和求解帶來很大便利，對于D1要求中90%的比例，本文采用統(tǒng)計標(biāo)記點的方式計算，精確性較高，本模型方法不依賴具體的街道走向以及城市的地理形狀，具有普適性?？梢酝茝V到其他地區(qū)的交巡警服務(wù)平臺的合理設(shè)置，稍加改進可用于其他有類似特點的設(shè)置問題如：巡邏問題，移動廣告等，如果考慮到車流量以及道路方向本模型更具有實際意義。

參考文獻

[1] 張志涌.MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2] 姜啟源，謝金星，葉俊.數(shù)學(xué)模型[M].3版.北京：高等教育出版社，1997.

[3] 朱茵，江越.城市道路應(yīng)急警力配置模型研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報2010，2011：170-176.

篇9

關(guān)鍵詞： 中央空調(diào)； 模塊機； 結(jié)構(gòu)設(shè)計； 有限元分析； 拓撲優(yōu)化； HyperWorks

中圖分類號： TH122； TB115.2文獻標(biāo)志碼： B

Central air conditioner module machine frame structure design

based on topology optimization

WANG Yong1， ZHU Zhengwei1， ZHAO Shaobo2

（1. Mechanical College of Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;

2. China Yangzi Group Chuzhou Yangzi Air Conditioner Co., Ltd., Chuzhou 239000, Anhui, China）

Abstract： To improve the performance and quality of a central air conditioner module machine, the optimal design is performed on the module machine frame structure. Based on topology optimization method, the finite element model is established by HyperWorks, and the load and boundary conditions are applied; the node displacement is taken as constraint condition, the minimum volume is taken as the objective function, and the module machine frame is analyzed and optimized on its structure. The results indicate that the better structure model can be obtained by topology optimization method, improve the mechanical properties of the structure, and reduce the product mass and manufacturing costs.

Key words： central air conditioner; module machine; structure design; finite element analysis; topology optimization; HyperWorks

0引言

拓撲優(yōu)化技術(shù)是指在給定載荷和約束條件下，在某個設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的一種技術(shù).自1988年BENDSE等［1］提出結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計的均勻化方法以來，拓撲優(yōu)化方法的理論和應(yīng)用研究得到顯著發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于汽車、飛機和微電機系統(tǒng)等工程領(lǐng)域以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化、小型化及結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計等.劉豐睿等［2］應(yīng)用ANSYS對磁懸浮控制力矩陀螺框架結(jié)構(gòu)進行分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型具有更合理的剛度布局和質(zhì)量；周春平等［3］應(yīng)用ANSYS的APDL實現(xiàn)對鐵路機車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的拓撲優(yōu)化設(shè)計，大大減輕零件的質(zhì)量；王欣等［4］用HyperWorks的OptiStruct對起重機臂架截面進行優(yōu)化，減輕臂架的質(zhì)量、提高臂架的力學(xué)性能；趙紅偉等［5］應(yīng)用HyperWorks軟件對某型電動汽車動力電池倉進行優(yōu)化設(shè)計，大幅減輕零件的質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本.可以預(yù)見，拓撲優(yōu)化方法作為一種設(shè)計手段會越來越深入地運用到現(xiàn)代機械制造行業(yè)中，但將拓撲優(yōu)化技術(shù)運用到空調(diào)模塊機等類似的民用產(chǎn)品中，目前尚未得到很好的普及.

模塊機是運用模塊化的思想，將制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和水系統(tǒng)等作為獨立的模塊單元機組進行組合.在使用過程中，任何模塊出現(xiàn)故障或進行檢修時均不影響其他模塊的運行；同時，模塊機可根據(jù)實際負荷大小開啟不同的壓縮機，以達到節(jié)能效果.模塊機以其節(jié)能和空間伸縮性強等優(yōu)點被廣泛運用，目前，市場上模塊機機架主要采用柜式框架結(jié)構(gòu)，但針對模塊機機架結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計的研究較少.本文以某中央空調(diào)模塊機的機架模型為基礎(chǔ)，運用結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法探討模塊機機架的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計新型模塊機機架模型.

1結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化理論

基于連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的算法主要有均勻化法［1］（Homogenization Method）、實體各向同性材料懲罰［6］（Solid Isotropic Material with Penalization, SIMP）法和漸進優(yōu)化［7］（Evolutionary Structural Optimization,ESO）法等，其中，SIMP法得到廣泛的研究和運用.［8］

基于有限元法的拓撲優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可表述為minu,EefΤu

s.t.K(Ee)u=f

E∈Ead（1）式中：u和f分別表示位移和載荷矢量；K，Ee和Ead分別為結(jié)構(gòu)剛度矩陣、單元剛度和剛度張量，K=Nn=1 Ke(Ee)（2）式中：Ke為單元剛度矩陣；n為單元數(shù)，n=1，2，…，N.

在SIMP模型中可表述為Eijkl(x) = ρP(x)E0ijkl,P>1

∫Ω ρ(x)dΩ≤V

0≤ρ(x)≤1,x∈Ω（3）式中：E0ijkl為同性材料屬性，Eijkl(ρ=0)=0表示單元密度為空，單元應(yīng)刪除（孔洞）；Eijkl(ρ=1)=E0ijkl表示單元密度為實，應(yīng)保留或增加該單元（實體）；ρ(x)為設(shè)計變量；P為懲罰因子，一般取P≥3［9］.

2模塊機機架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

2.1現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及設(shè)計空間的確定

根據(jù)設(shè)計要求，模塊機機架的整體尺寸為2 055 mm×1 000 mm×1 860 mm，原機架簡化模型見圖1.根據(jù)模塊機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安裝要求和工藝限制，確定機架有限元模型的設(shè)計區(qū)域和非設(shè)計區(qū)域，有限元模型和加載情況見圖2（設(shè)計區(qū)域已標(biāo)出，其余為非設(shè)計區(qū)域）.結(jié)構(gòu)主體采用厚度為2 mm的45鋼，借助HyperWorks軟件建立有限元模型，模型采用1階殼單元進行網(wǎng)格劃分，共劃分為61 957個單元，65 904個節(jié)點，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2.1E+5 MPa，密度ρ=7.9E-6 kg/mm3.

2.2拓撲優(yōu)化

根據(jù)模塊機的工況，首先對模塊機機架進行靜載荷分析.在工作時，模塊機機架承受多個載荷的共同作用，為確保概念模型的可靠性，在進行拓撲優(yōu)化時可考慮比較極端的受載情況，即載荷作用在頂框上，模塊機頂框受到指向設(shè)計區(qū)域質(zhì)心的力.將該力簡化分解為受y方向的力Fy(Fy=700 N)和z方向的力Fz(Fz=800 N)，機架底部處于全約束狀態(tài)，其載荷和約束情況見圖2.

引入結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化技術(shù)，設(shè)定設(shè)計變量為設(shè)計區(qū)域單元相對密度，目標(biāo)函數(shù)為機架模型體積最小以使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕，降低成本；約束條件為頂框4個受力點z方向位移最小，最小位移量為0.1 mm；求解運算后其設(shè)計區(qū)域結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化云圖見圖3.經(jīng)迭代30步后，模型趨于最優(yōu)化.圖3為單元密度閾值V=0.35時的拓撲優(yōu)化云圖，其優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)X形框架，體積有較大變化，其結(jié)構(gòu)不同于原有的柜式框架結(jié)構(gòu)，是基于拓撲優(yōu)化技術(shù)的新型結(jié)構(gòu)，為產(chǎn)品的細節(jié)設(shè)計提供概念模型.

3新型機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

3.1結(jié)構(gòu)重構(gòu)及靜力學(xué)分析

為更好地驗證新型結(jié)構(gòu)的合理性，需對拓撲優(yōu)module machine化的結(jié)果作進一步的性能分析.利用OSSmooth工具導(dǎo)出優(yōu)化后的拓撲模型，并將模型在CAD軟件中改進重構(gòu)，模塊機的幾何模型見圖4.

對優(yōu)化重構(gòu)后的模塊機機架有限元模型進行靜力學(xué)分析，根據(jù)模塊機整體承載情況，結(jié)合材料力學(xué)知識，將機架頂框、中框和底框所受的載荷轉(zhuǎn)化為在不同作用點的集中力，底框進行全約束.在進行加載求解后，其位移云圖和應(yīng)力云圖見圖5，可知，最大位移量為3.491 mm，最大單元應(yīng)力為124.3 MPa（當(dāng)機架材料厚度為3 mm時，最大位移為2.57 mm，最大單元應(yīng)力為84 MPa），遠小于材料的許用應(yīng)力，分析結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求.

3.2結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析

對于優(yōu)化后的模型，考慮到壓縮機和電機等元器件在系統(tǒng)工作時的振動情況，有必要進行模態(tài)分析，確保不出現(xiàn)共振現(xiàn)象.對模塊機機架底部進行全約束，分析機架前6階的固有頻率.模塊機機架的前6階固有頻率見表1，前4階振型見圖6.由表1可知，模塊機機架的固有頻率值主要集中在低頻區(qū)域，遠低于壓縮機和電機等其他零部件的固有頻率［10］，不會與其他部件及環(huán)境產(chǎn)生共振現(xiàn)象，動力學(xué)性能滿足設(shè)計要求；由圖6可知，模態(tài)變形的最大處出現(xiàn)在頂框和中框位置，因此在之后的細節(jié)設(shè)計中需對頂框和中框進行加固，以提高其剛度性能.表 1模塊機機架的前6階固有頻率

Tab.1First six order natural frequencies of

module machine frame階次123456固有頻率/Hz8.219.8813.224.725.937.1

3.3與原有模型相關(guān)參數(shù)比較

對原有模型進行有限元網(wǎng)格劃分，并根據(jù)前述方法加載進行靜力學(xué)和動態(tài)分析，比較原有模型與優(yōu)化后重構(gòu)模型的相關(guān)參數(shù)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后相關(guān)參數(shù)對比見表2.

由表2可知，結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化后1階模態(tài)頻率增加，結(jié)構(gòu)的最大位移和最大應(yīng)力都有所降低，結(jié)構(gòu)的剛度和強度得到提高，完成細節(jié)設(shè)計后的模塊機整體質(zhì)量也略有下降，滿足最初的設(shè)計構(gòu)思；同時，由于模塊機機架結(jié)構(gòu)形式的變化，模塊機各部件的組裝工藝發(fā)生變化，在保證產(chǎn)品生產(chǎn)效率的情況下，工藝優(yōu)化后可節(jié)省2人的人力成本，有效降低產(chǎn)品的制造工藝成本.最終樣機模型與原有模型的對比見圖7.

4結(jié)束語

引入拓撲優(yōu)化方法得出模塊機機架的拓撲優(yōu)化模型，對拓撲優(yōu)化模型改進重構(gòu)后進行靜力學(xué)、動態(tài)分析，剛度和強度均滿足設(shè)計要求；通過對拓撲設(shè)計前、后模型相關(guān)參數(shù)的比較可知，新型結(jié)構(gòu)的強度和剛度較原有模型都有所提高，滿足設(shè)計要求；基于結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法對中央空調(diào)模塊機機架的設(shè)計思路可為其他工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計提供參考.

參考文獻：

［1］BENDSE M P, KIKUCHI N. Generating optimal topology in structural design using a homogenization method［J］. Comput Methods Appl Mech & Eng, 1988, 71(2): 197-224.

［2］劉豐睿, 趙麗濱, 韓邦成, 等. 磁懸浮控制力矩陀螺框架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計［J］. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2010, 36(4): 455-458.

LIU Fengrui, ZHAO Libin, HAN Bangcheng, et al. Topology optimization design of frame structure for magnetic suspension control moment gyroscope［J］. J Beijing Univ Aeronautics & Astronautics, 2010, 36(4): 455-458.

［3］周春平, 常錦昕. 基于單元生死功能的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架拓撲優(yōu)化設(shè)計［J］. 計算機仿真, 2010, 27(5): 267-270.

ZHOU Chunping, CHANG Jinxin. Topology optimization design of bogie frame based on element birth and death［J］. Comput Simulation, 2010, 27(5): 267-270.

［4］王欣, 黃琳, 高媛, 等. 起重機伸縮臂截面拓撲優(yōu)化［J］. 大連理工大學(xué)學(xué)報, 2009, 49(3): 374-379.

WANG Xin, HUANG Lin, GAO Yuan, et al. Topological optimization for crane telescopic boom-section［J］. J Dalian Univ Technol, 2009, 49(3): 374-379.

［5］趙紅偉, 陳瀟凱, 林逸. 電動汽車動力電池倉拓撲優(yōu)化［J］. 吉林大學(xué)學(xué)報: 工學(xué)版, 2009, 39(4): 846-850.

ZHAO Hongwei, CHEN Xiaokai, LIN Yi. Topology optimization of power battery cabin in electric vehicle［J］. J Jilin Univ: Eng Technol, 2009, 39(4): 846-850.

［6］BENDSE M P, SIGMUND O. Material interpolation schemes in topology optimization［J］. Archive Appl Mech, 1999, 69(9-10): 635-654.

［7］XIE Y M, STEVEN G P. A simple evolutionary procedure for structural optimization［J］. Computers & Structures, 1993, 49(5): 885-896.

［8］左孔天, 陳立平, 王書婷, 等. 用拓撲優(yōu)化方法進行微型柔性機構(gòu)的設(shè)計研究［J］. 中國機械工程, 2004, 15(21): 1886-1890.

ZUO Kongtian, CHEN Liping, WANG Shuting, et al. Research on design of micro-compliant mechanisms with topology optimization method［J］. China Mech Eng, 2004, 15(21): 1886-1890.

［9］BENDSE M P, SIGMUND O. Topology optimization: theory, methods and applications［M］. 2nd ed. Berlin: Springer Verlag, 2003: 4-6.

篇10

矩陣變換器作為一種新型綠色環(huán)保變換器，越來越引起人們的注意。本文簡單概括了現(xiàn)有間接矩陣變換器的拓撲結(jié)構(gòu)及基本工作原理，并針對現(xiàn)有的拓撲結(jié)構(gòu)進行了總結(jié)并分析了不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。根據(jù)現(xiàn)有的優(yōu)缺點對間接矩陣變換器的研究方向進行了展望。

【關(guān)鍵詞】間接矩陣變換器 拓撲結(jié)構(gòu) 換流技術(shù)

1 引言

矩陣變換器（MC）是一種先進拓撲結(jié)構(gòu)的功率變換器，具有拓撲結(jié)構(gòu)簡單、無中間儲能環(huán)節(jié)、對電網(wǎng)諧波污染小、輸入電流和輸出電壓正弦、輸入功率因數(shù)可以為1并可調(diào)節(jié)、輸出電壓幅值和頻率可調(diào)、能量可以雙向流動等優(yōu)良特性。間接矩陣變換器（IMC）不僅具有這些優(yōu)點，而且由于其克服了常規(guī)矩陣變換器（CMC）控制策略復(fù)雜、開關(guān)數(shù)量多等缺點，使其成為目前頗具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N新型矩陣變換器。IMC的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：主回路的拓撲結(jié)構(gòu)、安全換流技術(shù)等。許多文獻對IMC的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究：文獻[1-2]介紹了MC拓撲結(jié)構(gòu)的演變，包括IMC，也叫雙級矩陣變換器（TSMC），稀疏矩陣變換器（SMC），12開關(guān)矩陣變換器（VSMC）以及超稀疏矩陣變換器（USMC）等。

本文首先概括了各種IMC的拓撲結(jié)構(gòu)及基本工作原理等關(guān)鍵技術(shù)進行了總結(jié)，并分析了各種方法的優(yōu)缺點。最后根據(jù)這些關(guān)鍵技術(shù)的分類與優(yōu)缺點，為IMC的進一步研究提供參考方向。

2 主回路拓撲結(jié)構(gòu)

為了簡化IMC的結(jié)構(gòu)，減少開關(guān)器件的數(shù)量，降低裝置的功率損耗和控制難度，研究人員近年來提出了一些新型的電路拓撲。目前對現(xiàn)有的IMC的分類如圖1所示。

圖1：間接矩陣變換器分類圖

2.1 雙級矩陣變換器（TSMC）

TSMC也稱為間接矩陣變換器（IMC），其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括由雙向開關(guān)組成的PWM整流器和由單向開關(guān)組成的PWM逆變器。

圖2：雙級矩陣式變換器拓撲結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)雖然所用的電力電子器件數(shù)量與普通矩陣式變換器相同，但其拓撲結(jié)構(gòu)存在一個可調(diào)制的直流環(huán)節(jié)，而且省去了直流電容和電感，其調(diào)制策略和換流方法相比于普通三相-三相矩陣式變換器更為簡單，但輸入和輸出性能與普通三相-三相矩陣式變換器相比無明顯差別。

2.2 稀疏矩陣變換器（SMC）

文獻[2]推導(dǎo)出了SMC的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示。雖然由15個單向開關(guān)構(gòu)成的SMC與由18個單向開關(guān)構(gòu)成的TSMC在電路性能上相同，但在直流電流為正的情況下，顯然由15個單向開關(guān)構(gòu)成的電路傳導(dǎo)損耗要大于18開關(guān)TSMC電路。

圖3：SMC拓撲結(jié)構(gòu)

2.3 12開關(guān)的稀疏矩陣變換器（VSMC）

文獻[2]還介紹了一種12開關(guān)的稀疏式矩陣變換器，也稱為VSMC，如圖4所示。

圖4：VSMC拓撲結(jié)構(gòu)

VSMC的拓撲結(jié)構(gòu)與TSMC類似，包括由雙向開關(guān)組成的PWM整流器和單向開關(guān)組成的PWM逆變器。不同的是，在VSMC中的PWM整流器中，每個雙向開關(guān)采用的是二極管橋式結(jié)構(gòu)，包括1個IGBT與4個功率二極管。其工作原理與運行性能與TSMC基本相同，也為普通三相-三相矩陣式變換器的一種衍生拓撲電路。

2.4 超稀疏矩陣變換器（USMC）

USMC是TSMC的一種衍生拓撲結(jié)構(gòu)。它為9開關(guān)矩陣變換器，如圖5所示。與TSMC相比，逆變側(cè)電路基本相同，而整流側(cè)電路中將可關(guān)斷器件的數(shù)量由12個減小為3個。雖然數(shù)量降到了最小值，但是仍可以保證較高的輸入輸出波形質(zhì)量。其能量單相流通，而且輸入輸出的電壓電流的最大功率因數(shù)角被限制在±π/6。

圖5：USMC拓撲結(jié)構(gòu)

2.5 其他新型矩陣變換器拓撲結(jié)構(gòu)

除此之外，文獻[4]提出了采用逆阻式IGBT的矩陣式變換器。文獻[1]提出了間接三電平矩陣變換器（Indirect Three-level MC），全橋矩陣變換器（Full-Bridge MC），混合矩陣變換器（Hybrid MC）等。綜上所述可得表1。

這些拓撲結(jié)構(gòu)的基本原理一致，在換流技術(shù)，調(diào)制策略等關(guān)鍵技術(shù)上具有相似性。因此，以下歸類的關(guān)鍵技術(shù)均適用于上述的拓撲結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

本文首先介紹了不同的間接矩陣變換器拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理，總結(jié)這些關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)缺點。依據(jù)文中的分析結(jié)果，可以從以下幾個方面對間接矩陣變換器進行深入研究。

（1）分析影響輸出波形質(zhì)量的參數(shù)。

（2）改進優(yōu)化間接矩陣變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，完善各種工況下的輸出性能。

參考文獻

[1]Johann W Kolar，Thomas Friedli，Jose Rodriguez. Review of Three-Phase PWM AC-AC Converter Topologies[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（11）：4988-5007.

[2]Lixiang Wei，T.A.Lipo，Ho Chan. Matrix Converter Topologies With Reduced Number of Switches[C].33rd Annual Conference on IEEE Power Electronics Specialists，Wisconsin，USA，2002，57-64.

[3]J Sch6nberger，T Friedli，J W Kolar. An Ultra Sparse Matrix Converter with a Novel Active Clamp Circuit[C].Power Conversion Conference，Nagoya，USA， 2007，784-791.

[4]孫凱，周大寧，梅楊.矩陣式變換器技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

作者簡介

潘海龍（1984-），男，碩士學(xué)位?，F(xiàn)為國網(wǎng)江西省電力公司宜春供電分公司工程師。研究方向為新型變換器和電力系統(tǒng)繼電保護等。

黃勇（1970-），男，現(xiàn)為國網(wǎng)江西省電力公司宜春供電分公司高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護和配電網(wǎng)研究。

楊軍明（1973-），男，現(xiàn)為國網(wǎng)江西省電力公司宜春供電分公司工程師。從事電力系統(tǒng)繼電保護和配電網(wǎng)研究。

張微（1977-），男，現(xiàn)為國網(wǎng)江西省電力公司宜春供電分公司助理工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護和配電網(wǎng)研究。