基于準(zhǔn)PR控制直流電焊機(jī)的研究

黃小凡　林玉婷

摘要：針對(duì)電焊機(jī)直流電源三相PWM整流器在采用傳統(tǒng)比例積分（PI）控制時(shí)電焊機(jī)直流電源輸出跟蹤指令電流會(huì)存在靜態(tài)誤差和抗干擾能力差等問題，采用電流環(huán)內(nèi)環(huán)準(zhǔn)PR，調(diào)節(jié)輸入電流和電壓環(huán)外環(huán)PI，調(diào)節(jié)輸出電壓的雙閉環(huán)控制策略，克服了傳統(tǒng)線性PI控制的缺點(diǎn)。創(chuàng)建整體系統(tǒng)的仿真數(shù)學(xué)模型，分析研究SVPWM發(fā)生器和準(zhǔn)PR控制器的控制原理。仿真結(jié)果表明，采用基于準(zhǔn)PR的SVPWM直流電源的控制策略能很好地實(shí)現(xiàn)電焊機(jī)直流電源單位功率因數(shù)和電流的完全無靜差跟蹤，且使電焊機(jī)電源在運(yùn)行時(shí)具有更強(qiáng)的抗干擾能力，整流品質(zhì)優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)比例諧振（準(zhǔn)PR）;SVPWM;電焊機(jī)直流電源;無靜差;抗干擾能力

中圖分類號(hào)：TG434.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）04-0057-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.09

0 前言

電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展和現(xiàn)代自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用的改良精進(jìn)，促使了直流電焊機(jī)積極發(fā)展。隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，PWM控制成為整流控制的基礎(chǔ)。通過控制輸入電流波形為正弦波，并且使其與電壓相位相同，從而實(shí)現(xiàn)PWM整流器工作時(shí)的單位功率因數(shù)狀態(tài)[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多高性能的控制方法，如PI控制、預(yù)測(cè)控制、重復(fù)控制、最佳狀態(tài)反饋控制和選擇性的諧波補(bǔ)償控制等[2]，其中PI調(diào)節(jié)是產(chǎn)生PWM脈沖的最基本的閉環(huán)控制技術(shù)。但PI線性調(diào)節(jié)器無法完全無靜差地控制正弦輸入電流，抗干擾能力也較弱，故針對(duì)此類缺點(diǎn)提出了準(zhǔn)比例諧振（準(zhǔn)PR）SVPWM控制器[3]。采用電流環(huán)內(nèi)環(huán)準(zhǔn)PR控制和電壓環(huán)外環(huán)線性PI的雙閉環(huán)控制，能夠很好地解決上述問題，保證三相整流器穩(wěn)定地運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。且抗干擾能力也較好，對(duì)電焊機(jī)的數(shù)字控制發(fā)展提供助力。

本文在仿真軟件Matlab中搭建了一套完整的系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的完全無靜差跟蹤效果、抗干擾能力以及整流性能進(jìn)行仿真分析，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效驗(yàn)證了控制理論。

1 三相VSR的數(shù)學(xué)模型

三相電壓型整流器（VSR）的拓?fù)浞抡娼Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

由式（9）可知，參考電流和電網(wǎng)電壓都會(huì)對(duì)整流器網(wǎng)側(cè)電流造成影響，因此控制方案需要使用系統(tǒng)控制器消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，并能較好地減弱電網(wǎng)電壓對(duì)并網(wǎng)電流的不利影響。PR控制性能主要受Kp、KR、Ac的影響，所以應(yīng)合理選擇參數(shù)值，使得PR控制得到充分的利用。

4 仿真分析

仿真分析參數(shù)為：交流側(cè)三相電壓220 V，交流側(cè)電感6.8 mH，交流側(cè)等效電阻0.5 Ω，輸出直流電壓600 V，電容2.2 mF，負(fù)載電阻60 Ω，如圖4所示。

網(wǎng)側(cè)實(shí)際電流與給定電流波形如圖6所示。輸出電流能快速跟蹤給定電流。當(dāng)運(yùn)行到0.3 s時(shí)給系統(tǒng)突加一個(gè)負(fù)載，此時(shí)直流側(cè)輸出電壓的情況如圖7所示。顯然當(dāng)直流側(cè)負(fù)載值突然變化，在時(shí)間t極小的范圍內(nèi)，輸出電壓可以重新回到給定值，達(dá)到幾乎不發(fā)生變化的狀態(tài)，即視為穩(wěn)定，說明設(shè)計(jì)的整流系統(tǒng)抗干擾能力良好。

5 結(jié)論

基于對(duì)電焊機(jī)直流電源的三相電壓型整流器（SVR）控制策略的分析，將傳統(tǒng)的雙PI線性控制策略改善為采用電流環(huán)內(nèi)環(huán)準(zhǔn)PR的SVPWM控制方式。結(jié)果表明：此控制策略不僅能實(shí)現(xiàn)直流電源的整流器直流側(cè)輸出穩(wěn)定在給定值的整流效果，而且系統(tǒng)處于單位功率因數(shù)的狀態(tài)下，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)交流電流的完全無靜差跟蹤效果。當(dāng)穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)直流側(cè)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，在較短時(shí)間后直流電源直流側(cè)輸出重新恢復(fù)到原來的穩(wěn)態(tài)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果也得出系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較短，系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)性。以上研究表明基于準(zhǔn)PR的SVPWM整流電焊直流電源具有良好的整流品質(zhì)。

基于本文的研究結(jié)果，下一步將研究：（1）基于電網(wǎng)不對(duì)稱情況下，準(zhǔn)PR的SVPWM整流電焊直流電源控制策略的可行性;（2）提出的整流電焊直流電源控制策略能否擴(kuò)展到其他領(lǐng)域。

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