電力變換移相控制的代數(shù)環(huán)問題

于曉慧, 王 蔚

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

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電力變換移相控制的代數(shù)環(huán)問題

于曉慧, 王 蔚*

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

分析了代數(shù)環(huán)產(chǎn)生的原因，采用插入延遲模塊切斷了輸入、輸出的直接聯(lián)系，從而消除了電力變換移相控制仿真中的代數(shù)環(huán)的影響。

代數(shù)環(huán)； 電力變換； 移相控制； 延遲模塊

0 引 言

我們常用的電力電子器件(如IGBT和MOSEFET管)通常是工作在高頻開關(guān)的狀態(tài)，功率管在開關(guān)時產(chǎn)生開關(guān)損耗，傳統(tǒng)的硬開關(guān)損耗很大，為了解決這一問題，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運而生，移相控制就是其中的一種[1]。

1 移相控制原理

移相控制技術(shù)的基本思想是：全橋變換器的每個橋臂上的兩個開關(guān)管在工作時180°互補導(dǎo)通，兩個橋臂的導(dǎo)通角相差一個相位α，即移相角，調(diào)節(jié)這個移相角，就可控制功率管的導(dǎo)通時間，進而控制變換器的輸出[2]。

移相控制中的PWM信號的基本控制過程[3]：將變換器的電壓輸出與設(shè)定的電壓進行比較，誤差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，輸出控制變換器濾波電感電流的指令電壓，并與實時濾波電感電流的電流進行比較，得到一個誤差信號，這個誤差信號再經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)器，得到PWM脈沖信號的調(diào)制電壓，這個電壓與三角載波進行比較，得到PWM脈沖信號。

移相控制過程如圖1所示。

圖1 移相控制過程

2 全橋變換器移相控制系統(tǒng)仿真

2.1 全橋變換器及整流輸出模塊

圖1有兩個PI調(diào)節(jié)器，第1個PI調(diào)節(jié)器是電壓控制器，第2個是電流控制器。

全橋逆變電路的移相控制在Matlab-Simulink仿真如圖2所示[4]。

圖2 全橋逆變電路移相控制

采用IGBT并聯(lián)電容作為電路的變換器件[5]，逆變電路與整流電路之間通過一個變壓器相連，逆變電路將直流電源逆變?yōu)橐粋€交流信號，這個交流信號經(jīng)變壓器傳遞給整流電路，經(jīng)整流電路整流變?yōu)橹绷麟姡┙o負載。

2.2 移相控制模塊

移相控制模塊如圖3所示。

它是按照圖1的控制過程搭建的，整個過程的關(guān)系式為：

u=Con-ul

u1=y-I

式中：ul----濾波電感電壓；

p,k,p1,k1----PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)；

I----濾波電感電流；

y1----輸出的PWM波的調(diào)制信號。

在這個移相部分，上面的Out1與Out2輸出的是未經(jīng)移相且互補的PWM脈沖波形，下面的Out3與Out4是經(jīng)過移相且互補的PWM波形，文中移相的實現(xiàn)與其他的移相方法有些不同，現(xiàn)有的很多方法都是通過對已產(chǎn)生的PWM波形進行處理，這樣的方法搭建出來的模型很大、很復(fù)雜，實現(xiàn)起來有些困難，而本模型是在調(diào)信號與三角波比較的部分進行一定的處理，即對下面的三角波進行一定的延遲處理，使其下面產(chǎn)生的PWM波形直接就有一定的移相，不用經(jīng)過復(fù)雜的運算，通過調(diào)節(jié)這個延遲的長短來實現(xiàn)移相，也就是文中從產(chǎn)生PWM的部分進行移相，方法更為簡潔。

2.3 PI調(diào)節(jié)器

PI調(diào)節(jié)器如圖4所示[6]。

圖3 移相控制

圖4 PI調(diào)節(jié)器

在圖4中，上面的是比例環(huán)節(jié)，下面的是積分環(huán)節(jié)，二者相互配合構(gòu)成了PI調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)均參見圖4，只是參數(shù)設(shè)置不同。

3 代數(shù)環(huán)

3.1 代數(shù)環(huán)產(chǎn)生原因

由上面可以看出，全橋移相逆變電路是一個有反饋的閉環(huán)回路，而一般在有反饋存在時，輸入與輸出同時參與計算，即一般我們知道輸出是由輸入決定的，而此時，輸出也決定著輸入，這就使整個仿真的過程出現(xiàn)代數(shù)環(huán)。典型代數(shù)環(huán)的示意圖如圖5所示。

圖5 典型的代數(shù)環(huán)

在仿真中，代數(shù)環(huán)的出現(xiàn)很可能會使仿真失真，導(dǎo)致整個結(jié)果的錯誤，所以我們要解決仿真中出現(xiàn)的代數(shù)環(huán)這一問題，就要了解這個問題出現(xiàn)的原因和條件，原因我們在上面說了，是由于輸入和輸出同時參與計算，引起的一個邏輯的混亂，它的出現(xiàn)也是有一定的條件，那就是在一個反饋的閉合回路上，回路上的每個模塊都是直通模塊，所謂的直通模塊就是指該模塊輸入中的一部分直接到達輸出。

3.2 解決代數(shù)環(huán)辦法

圖6 變化后的傳遞函數(shù)

這樣有效地消除了代數(shù)環(huán)，但對于一些非常復(fù)雜的仿真模型，要完成數(shù)學(xué)變化幾乎是一個不可能的工作，所以要通過其他方式來消除它，上面說過，代數(shù)環(huán)是由于輸入與輸出同時計算引起的，那么增加一個不影響仿真的延時環(huán)節(jié)來切掉這個同時，文中就是采用的這種方法。這個延遲環(huán)節(jié)如圖7所示(也即圖1中的積分器)。

圖7 延遲模塊

最后一種方法就是徹底的重構(gòu)模型，這個實現(xiàn)更加困難，很少會有人選擇重構(gòu)模型[8]。

4 參數(shù)設(shè)置與仿真結(jié)果

4.1 參數(shù)設(shè)置

移相控制環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)定為電壓調(diào)節(jié)器P=0.2，I=20；電流調(diào)節(jié)器P1=0.5，I1=20；三角波的幅值為20，頻率f=20 kHz；限幅環(huán)節(jié)限定的幅值為15；延遲時間設(shè)定為25 μs；零點保持模塊的采樣時間設(shè)置為1。

對于延遲模塊參數(shù)的選擇，需根據(jù)整個系統(tǒng)的仿真時間與最大步長來定，由于本模型的最大步長為1.5 ms,為不影響仿真精度，設(shè)定延遲時間為0.5 μs。

4.2 仿真結(jié)果

PWM的波形如圖8所示。

圖8 PWM波形

從圖8中可以看出，下面的波形比上面的波形滯后了一段時間，這段時間就是我們想要得到的移相角α，并且最終的波形還可根據(jù)控制要求的改變做進一步的處理，例如，可增加一個死區(qū)時間的設(shè)定，控制波形的死區(qū)時間。

5 結(jié) 語

在移相控制思想的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個更為簡單的產(chǎn)生PWM波形及對其移相的方法，并通過Matlab/Simlink進行仿真，通過仿真時對參數(shù)的調(diào)節(jié)，對PI的調(diào)節(jié)過程有了更為深刻的了解。仿真時還發(fā)現(xiàn)存在著代數(shù)環(huán)的問題，通過查閱大量的資料學(xué)習(xí)解決方法，最終選擇更為實用的方法將其解決。文中的移相控制相對簡單，為學(xué)習(xí)高頻開關(guān)變換器的軟開關(guān)技術(shù)中的移相控制提供了一個簡單的模型參考。

[1] 蘇小麗，佃松宜，鄭萬里.帶零電壓轉(zhuǎn)換軟開關(guān)的新型單相單級隔離式Culk開關(guān)電源[J].電工技術(shù)學(xué)報,2013,31(22):66-72.

[2] 鞠文耀.相移軟開關(guān)PWM技術(shù)的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2003:5-6.

[3] 宋志勇.移相全橋大功率高頻開關(guān)電源的研究與設(shè)計[D].武漢:湖北工業(yè)大學(xué),2014:13-21.

[4] 郭金華，趙彬，李巖，等.基于ds PIC 3DF4011的逆變電源復(fù)合控制[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,37(4):372-377.

[5] 戴鈺,丘東元,張波,等.基于Matlab的移相全橋變換器仿真實驗平臺設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(5):87.

[6] 耿華，楊耕.控制系統(tǒng)仿真中代數(shù)環(huán)問題的對策及其在構(gòu)建飽和環(huán)節(jié)時的應(yīng)用[C]//中國電工技術(shù)學(xué)會電力電子學(xué)會第十屆學(xué)術(shù)年會論文集電源技術(shù)應(yīng)用,2006.

[7] 陳富安，馬騰.電動汽車用異步電機矢量控制系統(tǒng)仿真及代數(shù)環(huán)問題分析[J].機電工程技術(shù),2013,42(5):8-9.

[8] 馬曉虹.Matlab中的代數(shù)環(huán)問題及其消除方法[J].科技廣場,2010(7):159-161.

Algebraic loop in power conversion phase-shift control

YU Xiaohui, WANG Wei*

(School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The reasons why algebraic loop is produced are analyzed, and then the relationship between input and output are cut off with a delay module for eliminating the influence of the algebraic loop to the power conversion phase-shift control.

algebraic loop; power conversion; phase-shift control; delay module.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.1.16

2016-11-25

吉林省科技攻關(guān)計劃基金資助項目(20140204031GX)

于曉慧(1991-)，女，漢族，黑龍江黑河人，長春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事電力變換技術(shù)與新能源開發(fā)方向研究,E-mail:1069427962@qq.com. *通訊作者：王 蔚(1976-)，男，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)副教授，主要從事電力變換技術(shù)與新能源開發(fā)方向研究,E-mail:wangwei@ccut.edu.cn.

TP 391

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1674-1374(2017)01-0084-05