集成觸發(fā)器控制的三相整流電路閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

齊以年，李亞東，賀博

(1.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211100； 2.國網(wǎng)蘭州供電公司，蘭州 730050；3.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，西安 710049)

0 引言

整流電路是電力電子技術(shù)中出現(xiàn)最早、原理相對簡單的一種電路結(jié)構(gòu)，其作用是將交流電能變換為直流電能供給直流用電設(shè)備。三相橋式全控整流電路輸出直流電壓的脈動小、易濾波且三相負載平衡，適用于整流負載容量較大或要求快速控制的場合，是目前應(yīng)用最為廣泛的整流電路[1-2]。為簡化對三相整流電路的控制，同時提高電路的穩(wěn)定性，市場上出現(xiàn)了集成的三相觸發(fā)器模塊。本文涉及的集成移相觸發(fā)器內(nèi)部集三相電相位檢測電路、移相電路、控制電路和觸發(fā)電路于一體，在配套的三相同步變壓器模塊支持下，不需外接隔離驅(qū)動或電源模塊[3]，用0～5 V DC信號自動控制或電位器手動控制，可輸出3路或6路導(dǎo)通角可改變的可控硅強觸發(fā)脈沖，觸發(fā)可控硅，實現(xiàn)移相調(diào)壓。本文主要研究了集成移相觸發(fā)器SX-JKZE控制的三相橋式全控整流電路的閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計，為集成移相觸發(fā)器能夠更好地應(yīng)用于整流電路提供參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 整流環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)

在對三相橋式全控整流電路進行閉環(huán)控制時，將整流橋與集成移相觸發(fā)看作一個環(huán)節(jié)。在應(yīng)用線性控制理論對系統(tǒng)進行控制時，首先要求出此環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。由于橋式整流與其移相觸發(fā)是非線性的，為了簡化其控制系統(tǒng)的設(shè)計，往往在一定的工作范圍內(nèi)對其進行線性近似，這樣也可以得到很好的控制效果。對于感性比較小的負載或純電阻性負載，移相觸發(fā)器的輸入電壓Vc與整流橋的輸出平均電壓Ud的關(guān)系為可以概括為以下分段函數(shù)形式

(1)

式中：Ud為整流橋輸出電壓的平均值，V；U2為三相交流電源輸入電壓的有效值，V。

Ud=f(Vc)的關(guān)系曲線如圖1所示，由圖1可以看出，Vc與Ud呈明顯的非線性關(guān)系。整流橋與移相觸發(fā)環(huán)節(jié)的增益Ks可由此曲線的斜率得到

(2)

為了得到Vc與Ud的近似線性關(guān)系，用最小二乘法對曲線Ud=f(Vc)進行線性擬合，可以得到整流橋與移相觸發(fā)環(huán)節(jié)的增益Ks=191。

圖1 移相觸發(fā)器輸入電壓與整流橋輸出電壓的關(guān)系

由晶閘管的特性可知，一旦移相觸發(fā)器發(fā)出脈沖使晶閘管導(dǎo)通，直至晶閘管關(guān)斷之前，晶閘管就一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，在此期間，移相觸發(fā)器輸入的電壓信號不再對晶閘管產(chǎn)生任何作用，直至晶閘管關(guān)斷后下一次發(fā)出脈沖控制其導(dǎo)通，才能影響整流橋的輸出電壓，因此，整流橋的輸出電壓始終滯后于輸入移相觸發(fā)器的控制電壓，如圖2所示(圖中：α為移相觸發(fā)器觸發(fā)角)。于是，可以將整流橋與其移相觸發(fā)器看成一個滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時間toc所引起的[4]。

圖2 整流輸出電壓與移相觸發(fā)器控制電壓波形關(guān)系

顯然，toc與Vc有著非常密切的關(guān)系，toc隨著Vc的變化而改變，最大失控時間tocmax為2個相鄰的自然換相點之間的時間，即與輸入的交流電源的頻率和整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)有關(guān)，最大失控時間tocmax由下式確定

tocmax=1/(mf) ，

(3)

式中：f為交流電源的頻率，Hz；m為一個周期整流橋輸出的直流電壓的脈波數(shù)。

失控時間一般可取toc=tocmax。用單位階躍函數(shù)ε(t-toc)表示整流橋?qū)σ葡嘤|發(fā)器輸入的滯后，則整流橋輸出Ud(t)與移相觸發(fā)器輸入Vc之間的關(guān)系為

Ud(t)=KsVcε(t-toc) 。

(4)

對式(4)進行拉普拉斯變換，則整流橋與移相觸發(fā)器環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

(5)

對式(5)進一步簡化，將其用泰勒級數(shù)展開，可以得到

(6)

考慮到式(6)中toc比較小，可以忽略toc的高次項，則整流橋與移相觸發(fā)器環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)W(s)可以近似成一階慣性環(huán)節(jié)，其表達式為

(7)

式中：Ks為191；toc取最大失控時間3.3 ms。

圖3為三相橋式全控整流電路輸出與其移相觸發(fā)輸入的關(guān)系框圖。

圖3 整流電路輸出與移相觸發(fā)輸入的關(guān)系

1.2 系統(tǒng)閉環(huán)參數(shù)設(shè)計

采用比例積分(PI)控制器的整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。整流橋輸出的電壓經(jīng)電感、電容濾波后由測量電路進行信號調(diào)理，與參考信號Vref1比較做差后輸出給PI控制器，誤差信號經(jīng)PI控制器運算后輸入移相觸發(fā)器。PI控制器通過調(diào)節(jié)輸出電壓信號的大小改變移相觸發(fā)器觸發(fā)角的大小，使調(diào)理信號后的反饋信號與參考信號相等，使輸出電壓穩(wěn)定。

圖4 三相橋式全控整流電路PI控制系統(tǒng)

由前面的敘述可知，三相交流電源、移相觸發(fā)、三相橋式全控整流以及濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可近似為W(s)。記信號調(diào)理電路的傳遞函數(shù)為H1(s)，記PI控制器的傳遞函數(shù)為Gc1(s)，則整個整流環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖5所示。

圖5 三相橋式全控整流電路控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

未加校正環(huán)節(jié)，即Gc1(s)=1時，控制系統(tǒng)的開環(huán)環(huán)路增益t1(s)為

(8)

由式(8)可得，未加PI校正環(huán)節(jié)的原始系統(tǒng)開環(huán)環(huán)路增益Bode圖如圖6所示，系統(tǒng)的穿越頻率ωc1=372 rad/s，相位裕度為129°。

校正后系統(tǒng)的Bode圖如圖6所示，其在低頻段有較高的增益，穿越頻率為1 810 rad/s，相位裕度為108°，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但校正后的系統(tǒng)比原系統(tǒng)的穿越頻率高，因此響應(yīng)速度也較快[5-7]。

圖6 校正前、后整流控制系統(tǒng)開環(huán)環(huán)路增益Bode圖

1.3 系統(tǒng)軟啟動電路設(shè)計

對整流電路進行PI閉環(huán)控制時，啟動時整流橋的濾波電容兩端輸出電壓為0，經(jīng)信號調(diào)理并與參考信號比較的反饋信號也為0，誤差信號為最大值。由于積分的作用，PI控制器輸出的電壓信號為最大飽和值，此最大飽和電壓信號輸至移相觸發(fā)器，使整流橋的導(dǎo)通角處于最大狀態(tài)，整流橋?qū)敵鲎畲蟮碾妷?，?dǎo)致整流橋末端的濾波電容短路，嚴重時可能會損壞電路中的器件。為避免這種情況的發(fā)生，希望在開始時濾波電容兩端的電壓緩慢上升，使其有一個預(yù)充電過程，預(yù)充電完成后系統(tǒng)再進行閉環(huán)控制，使輸出電壓達到所期望的值。

由圖1可以看出，在允許的移相觸發(fā)器輸入電壓范圍(0～5 V)內(nèi)，整流橋的輸出電壓隨移相觸發(fā)器輸入電壓的增大而增大。因此，在整流電路的啟動階段，給移相觸發(fā)器輸入一個由小緩慢增大的軟啟動信號，軟啟動完成后，再由PI控制器輸出的信號控制移相觸發(fā)器的輸入。在此過程中，因為軟啟動信號由小變大，而PI控制器最初輸出最大值，整流橋輸出高于目標電壓值(500 V)后，PI控制器的輸出電壓信號會減小。所以，在整個控制過程中，只要軟啟動信號的最終值對應(yīng)的整流橋的觸發(fā)角為最小值，移相觸發(fā)器的輸入取軟啟動信號和PI控制器輸出信號中的較小者，當軟啟動信號與PI控制信號兩者相等時，完成由軟啟動向閉環(huán)控制的切換，這樣既能完成軟啟動，又能實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，其控制原理如圖7所示。

圖7 帶軟啟動的整流電路控制原理

2 測試結(jié)果及分析

圖8為整流電路軟啟動控制信號的電壓波形，圖9為由運算放大器構(gòu)成的整流電路PI控制器輸出電壓波形與移相觸發(fā)器的輸入電壓波形。

圖8 整流電路軟啟動控制信號波形

圖9 整流電路PI控制器輸出波形與移相觸發(fā)器輸入波形

從圖8和圖9可以看出，在整流電路運行的控制過程中，將PI控制器輸出的電壓信號與軟啟動電路輸出的電壓信號相比較，取其中的較小者作為移相觸發(fā)器的輸入。發(fā)送整流指示后，開始時由于信號調(diào)理后所反饋電壓信號為0，PI控制器輸出最大飽和值，隨著軟啟動信號從0逐漸增大，當輸出電壓超過一定值時，PI控制器的輸出信號減小，移相觸發(fā)器的輸入信號由軟啟動信號控制，直到PI控制器的輸出信號小于軟啟動信號，移相觸發(fā)器的輸入信號切換到由PI控制器的輸出信號控制，系統(tǒng)此后進入閉環(huán)控制。從圖9可以看出，系統(tǒng)進入閉環(huán)控制狀態(tài)后，PI控制器輸出電壓基本恒定，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10是整流橋經(jīng)濾波后的輸出電壓波形，啟動后，輸出電壓由0開始緩慢上升，完成了電路的軟啟動。軟啟動完成后，切換到閉環(huán)控制，輸出電壓達到穩(wěn)態(tài)時輸出值為500 V。電路在整個工作過程中過沖很小，運行平穩(wěn)，系統(tǒng)的電壓誤差很小，輸出的紋波也很小。

圖10 整流環(huán)節(jié)主電路輸出電壓波形

為了便于對比，圖11給出了用Simulink仿真帶軟啟動與直接閉環(huán)控制時整流環(huán)節(jié)輸出的電壓波形。對比2個波形可以看出：帶有軟啟動的控制方案消除了啟動時所產(chǎn)生的電壓沖擊，整流環(huán)節(jié)輸出的電壓從零開始平緩地增大，電路進入閉環(huán)控制后，達到穩(wěn)態(tài)時輸出電壓穩(wěn)定為500 V，整個過渡過程也比較短暫，設(shè)計的PI控制參數(shù)合理；沒有軟啟動直接閉環(huán)控制時，啟動時的沖擊電壓達到額定電壓的2倍[8-9]。

圖11 整流環(huán)節(jié)Simulink仿真輸出電壓波形

3 結(jié)束語

根據(jù)集成移相觸發(fā)器的輸入與整流電路輸出間的函數(shù)關(guān)系，采用線性化的方法推導(dǎo)出了用于描述集成觸發(fā)器控制的三相整流電路動態(tài)特性的傳遞函數(shù)，為閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。提出了一種軟啟動控制策略，減少了系統(tǒng)啟動時的過沖，提高了系統(tǒng)啟動的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻：

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)[M].5版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3]秦茂，徐小方，孫新志，等.基于FPGA的可控硅移相觸發(fā)控制器的實現(xiàn)[J].電測與儀表，2014,51(3)：77-80.

[4]楊德剛，趙良炳，劉潤生.三相高功率因數(shù)整流器的建模及閉環(huán)控制[J].電力電子技術(shù)，1999,33(5)：49 - 51.

[5]廖曉鐘，劉向東.控制系統(tǒng)分析與設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[6]楊智，范正平.自動控制原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[7]王耀輝，強天偉.PID控制原理簡析[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2013(3)：79-82.

[8]肖松松，榮軍，李翔，等.三相橋式全控整流電路的建模與仿真[J].電子技術(shù)，2014,41(1):17-19.

[9]趙廣元.MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.