帶電流檢測(cè)的非互補(bǔ)控制交流調(diào)壓的控制方式

王魯楊，郝 靜，陳 炯，王禾興

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

我國(guó)某些地區(qū)電網(wǎng)供電質(zhì)量較差，電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍較大.電網(wǎng)電壓波動(dòng)不僅會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備等敏感性負(fù)載造成很大的影響，如有效數(shù)據(jù)丟失、通信中斷等，而且還會(huì)造成大量的電能浪費(fèi)和設(shè)備壽命的降低.因此，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓對(duì)各種負(fù)載的正常運(yùn)行非常重要.目前，工頻交流調(diào)壓器在工業(yè)加熱、照明控制、感應(yīng)電機(jī)的軟啟動(dòng)、風(fēng)機(jī)和水泵的速度控制等方面得到了廣泛應(yīng)用，大多采用的是傳統(tǒng)的相控式交流調(diào)壓器，開(kāi)關(guān)器件為晶閘管.其優(yōu)點(diǎn)是控制電路簡(jiǎn)單、功率容量大，缺點(diǎn)是當(dāng)控制角增大時(shí)，功率因數(shù)減小，電流中諧波的幅值相對(duì)大，濾波器體積大［1］.采用PWM型斬控式交流調(diào)壓器可以克服上述缺點(diǎn).本文對(duì)帶電流檢測(cè)的非互補(bǔ)控制方式的斬波交流調(diào)壓電路進(jìn)行說(shuō)明，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析.分析表明，帶電流檢測(cè)的非互補(bǔ)控制方式可以很好地解決感性負(fù)載的失控區(qū)域問(wèn)題，可使系統(tǒng)適用于各種負(fù)載.

1 非互補(bǔ)控制交流調(diào)壓電路

斬控式交流調(diào)壓的主電路如圖1所示.

圖1 斬控式交流調(diào)壓主電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)圖1中的主開(kāi)關(guān)S1和續(xù)流開(kāi)關(guān)S2采用單個(gè)可控器件時(shí)，為防止電源短路，S1與S2的工作應(yīng)該是互補(bǔ)的，但對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行互補(bǔ)控制時(shí)，極易出現(xiàn)開(kāi)關(guān)的共態(tài)導(dǎo)通和共態(tài)關(guān)斷現(xiàn)象.依靠在控制信號(hào)中設(shè)置死區(qū)時(shí)間不能完全解決此問(wèn)題，必須為開(kāi)關(guān)設(shè)置緩沖電路.設(shè)置死區(qū)時(shí)間和緩沖電路，對(duì)大容量電路來(lái)說(shuō)不太合適，因此在斬控式交流調(diào)壓電路中采用雙可控器件的非互補(bǔ)控制方式，可以規(guī)避上述缺點(diǎn)［2］.其特點(diǎn)是正反相開(kāi)關(guān)的工作方式可以分別控制，可以適用于任何負(fù)載.圖2為雙可控器件斬控式交流調(diào)壓的主電路.

圖2 雙可控器件方式斬控式交流調(diào)壓電路

2 非互補(bǔ)控制交流調(diào)壓電路電流檢測(cè)問(wèn)題

非互補(bǔ)控制交流調(diào)壓電路控制信號(hào)的時(shí)序如圖3a所示.

圖3a是應(yīng)用MATLAB［3］對(duì)斬控式交流調(diào)壓電路進(jìn)行仿真時(shí)，對(duì)圖2所示主電路中4個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)置的控制信號(hào)，從上至下的4個(gè)波形依次為V1，V2，V3，V4的柵源電壓 ug1，ug2，ug3，ug4.為了說(shuō)明問(wèn)題，載波頻率設(shè)為500 Hz，調(diào)制波頻率為50 Hz，控制信號(hào)占空比為0.5.圖3b是圖2所示主電路帶電阻性負(fù)載時(shí)的仿真輸出電壓u0，網(wǎng)側(cè)電流i1，輸出電流i0的波形.網(wǎng)側(cè)電壓幅值為100 V，負(fù)載電阻為 2 Ω.

圖3 無(wú)電流檢測(cè)的非互補(bǔ)控制

在調(diào)制信號(hào)的前半個(gè)周期，ug2和ug4皆為高電平，主開(kāi)關(guān)V1輪流通斷:當(dāng)ug1為高電平時(shí)，V1導(dǎo)通，u0=u1，V2和V4處于反向阻斷狀態(tài);當(dāng)ug1為低電平時(shí)，V1關(guān)斷，負(fù)載電流中斷，u0=0.在調(diào)制信號(hào)的后半個(gè)周期，ug1和ug3皆為高電平，主開(kāi)關(guān)V2輪流通斷:當(dāng)ug2為高電平時(shí)，V2導(dǎo)通，u0=u1，V1和V3處于反向阻斷狀態(tài);當(dāng)ug2為低電平時(shí)，V2關(guān)斷，負(fù)載電流中斷，u0=0.通過(guò)改變控制信號(hào)的占空比可以改變輸出電壓的有效值.

當(dāng)斬控式交流調(diào)壓電路帶阻感負(fù)載(2 Ω，20 mH)時(shí)，依然采用圖3a所示的非互補(bǔ)控制信號(hào)，其工作波形如圖4所示.3個(gè)波形依次是仿真輸出電壓u0，網(wǎng)側(cè)電流i1，輸出電流i0.

圖4 無(wú)電流檢測(cè)非互補(bǔ)控制阻感負(fù)載工作波形

由圖4可知，阻感負(fù)載情況下電流相位滯后于電壓.在電壓u0過(guò)零后、電流i0過(guò)零前這段時(shí)間里，u0≡u(píng)1，即 u0失控.無(wú)論 ug1和 ug2的電平如何變化，電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)不變.原因是u0與i0異號(hào)，輸出功率p0=u0i0＜0，負(fù)載儲(chǔ)能通過(guò)交流調(diào)壓電路向電源反饋，而在電壓u0過(guò)零后，原先按載波頻率通斷的主開(kāi)關(guān)V1(或V2)的控制信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，使其常通，使得與其反向并聯(lián)的開(kāi)關(guān)V2(或V1)處于反向阻斷狀態(tài)，電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)并沒(méi)有形成對(duì)輸入波形的斬波控制，故出現(xiàn)了失控現(xiàn)象.只有當(dāng)電流i0過(guò)零后，u0與i0同號(hào)，輸出功率p0=u0i0＞0時(shí)，失控現(xiàn)象消失.仿真結(jié)果表明，輸出電壓失控后在網(wǎng)側(cè)電流、輸出電壓、輸出電流中含有大量的奇次諧波，如圖5所示.

圖5 無(wú)電流檢測(cè)非互補(bǔ)控制阻感負(fù)載諧波分析

當(dāng)負(fù)載為容性時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象［4，5］.為消除非互補(bǔ)控制交流調(diào)壓電路非阻性負(fù)載下的失控現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)輸出電壓u0和輸出電流i0的極性來(lái)決定控制信號(hào)的時(shí)序分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)失控區(qū)的斬波控制.

3 電流檢測(cè)的邏輯控制

根據(jù)上述分析，阻感負(fù)載下失控的原因是電壓u0過(guò)零后，原先按載波頻率通斷的主開(kāi)關(guān)V1(或V2)的控制信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，使其常通，而續(xù)流開(kāi)關(guān)V4(或V3)的控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑蛊洳荒軐?dǎo)通續(xù)流.為消除失控現(xiàn)象，在電壓u0過(guò)零后、電流i0過(guò)零前的這段時(shí)間里，應(yīng)使V4(或V3)按載波頻率通斷，負(fù)載通過(guò)V4(或V3)續(xù)流.輸出電壓u0不再恒等于u1，同時(shí)令V2(或V1)的控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，避免其?dǎo)通;V1(或V2)和V3(或V4)的控制信號(hào)依舊.在電流i0也過(guò)零后，u0與i0同號(hào)時(shí)輸出功率p0=u0i0＞0，控制信號(hào)依舊.時(shí)序與無(wú)電流檢測(cè)時(shí)相同，見(jiàn)圖3a.

圖4中，當(dāng)電壓大于零、電流小于零時(shí)，圖2中的主開(kāi)關(guān)V1關(guān)斷，V2和V3導(dǎo)通，如果續(xù)流開(kāi)關(guān)V3關(guān)斷，負(fù)載電流沿V2和VD2流向電源，u0=u1(u1為輸入電壓);如果V3導(dǎo)通，電流沿V3和VD3續(xù)流，u0=0.當(dāng)電壓小于零、電流大于零時(shí)，主開(kāi)關(guān)V2關(guān)斷，V1和V4導(dǎo)通，如果續(xù)流V4關(guān)斷，負(fù)載電流沿V1和VD1流向電源，u0=u1;如果V4導(dǎo)通，電流沿V4和VD4續(xù)流，u0=0.因此，當(dāng)電壓和電流方向不一致時(shí)仍能對(duì)電壓進(jìn)行斬波控制，可以消除調(diào)壓失控現(xiàn)象.

電流檢測(cè)的目的，是為了提取輸出電壓的符號(hào)函數(shù)和輸出電流的符號(hào)函數(shù)，以得到控制信號(hào)C和C':

而要滿(mǎn)足消除失控對(duì) V1，V2，V3，V4控制信號(hào)的要求，則各開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)邏輯分別為:

根據(jù)各開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)邏輯搭建的電流檢測(cè)非互補(bǔ)控制交流調(diào)壓電路仿真模型如圖6所示.各開(kāi)關(guān)管的邏輯控制信號(hào) u'g1，u'g2，u'g4，u'g3，輸出電壓u0，網(wǎng)側(cè)電流i1，輸出電流i0的仿真波形如圖7所示(其載波頻率為500 Hz).

由圖7可知，在電壓u0過(guò)零后、電流i0過(guò)零前的這段時(shí)間里，主開(kāi)關(guān)V2(或V1)的控制信號(hào)u'g2(或u'g1)≡ 0而常斷，在 u'g4(或 u'g3)=0時(shí)u'g1(或u'g2)為高電平，輸出電流i0經(jīng)V1(或V2)反向流向電源，輸出電壓u0=u1.由于續(xù)流開(kāi)關(guān)V4(或V3)的控制信號(hào)u'g4(或u'g3)不再恒等于零，為正脈沖列，使得續(xù)流開(kāi)關(guān)V4(或V3)可以導(dǎo)通續(xù)流，輸出電壓u0不再恒等于u1，從而消除了輸出電壓u0的失控現(xiàn)象.

圖6 電流檢測(cè)非互補(bǔ)控制交流調(diào)壓電路

圖7 有電流檢測(cè)非互補(bǔ)控制交流調(diào)壓仿真結(jié)果

對(duì)輸出電壓u0，網(wǎng)側(cè)電流i1，輸出電流i0的FFT分析結(jié)果如圖8所示.其仿真分析結(jié)果表明，各電量只含有和開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的諧波分量，不含有低次諧波.

圖8 有電流檢測(cè)非互補(bǔ)控制阻感負(fù)載諧波分析

4 結(jié)論

(1)在使用非互補(bǔ)式控制方式的過(guò)程中，如果負(fù)載為感性或容性時(shí)，若還按照阻性負(fù)載進(jìn)行控制，會(huì)出現(xiàn)失控區(qū)域，導(dǎo)致輸出電壓和電流波形畸變.

(2)本文設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)非互補(bǔ)控制邏輯正確，通過(guò)對(duì)負(fù)載電流的檢測(cè)，無(wú)論斬控式交流調(diào)壓電路帶有何種負(fù)載，都能有效消除輸出電壓的失控現(xiàn)象，使網(wǎng)側(cè)及負(fù)載側(cè)只含有和開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的諧波分量，不含有低次諧波.在較高的開(kāi)關(guān)頻率條件下，采用小容量的濾波器就可濾除諧波.

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