巫付專 馮占偉 韓 梁

（中原工學(xué)院，鄭州 451191）

隨著電網(wǎng)諧波污染問題日益嚴(yán)重和人們對(duì)高性能電力傳動(dòng)技術(shù)的需要，電源裝置的小型化和輕量化是人們十分迫切的需求。目前單相交流穩(wěn)壓電源種類很多，所采取的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也多種多樣。文獻(xiàn)[1]提出了一種針對(duì)于大功率場(chǎng)合的晶閘管控制交流穩(wěn)壓系統(tǒng)，其工作穩(wěn)定性好，但由于其采用的是相控方式導(dǎo)致控制角增大、功率因數(shù)降低，電流中諧波也相對(duì)增大，所需濾波器的體積隨之變大。文獻(xiàn)[2]采用雙PWM控制的AC/DC/AC單相交流穩(wěn)壓電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，文中用 PWM整流代替二極管整流，實(shí)現(xiàn)了能量雙向流動(dòng)，諧波含量小，然而電路采用兩個(gè)逆變器模塊，并且還需要直流側(cè)儲(chǔ)能電容，不僅增加了設(shè)備成本而且硬件電路設(shè)計(jì)及控制方法較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[3]采用一種新穎的三電平 AC/AC變換器，其輸出電壓諧波含量低，能實(shí)現(xiàn)較高電壓等級(jí)的變換，但在硬件設(shè)計(jì)上存在著驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]中采用兩級(jí)功率 AC/AC高頻交流變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該方法變換率高，但是高頻變壓器增加了裝置成本和體積，同時(shí)開關(guān)管電壓應(yīng)力大，輸出電壓諧波含量高。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種采用 PWM 斬波控制的單相交流穩(wěn)壓電源，PWM斬波控制變換器具有拓?fù)浜?jiǎn)單、不需使用大容量?jī)?chǔ)能元件、體積小、高功率因數(shù)、成本低等特點(diǎn)，且其開關(guān)頻率及采樣控制精度高，只含有開關(guān)次的諧波；PWM斬波逆變器的輸出通常引入 LC低通濾波來(lái)濾除高次諧波[5-6]，對(duì)于LC參數(shù)的設(shè)計(jì)綜合考慮濾波器的功率容量、體積對(duì)逆變器的功率密度、重量、性價(jià)比等指標(biāo)的影響，本文從濾波器無(wú)功容量的角度來(lái)設(shè)計(jì)LC濾波器，在分析濾波器性能對(duì)輸出特性影響的基礎(chǔ)上，提出了一種新的 LC濾波器設(shè)計(jì)方法；在穩(wěn)壓控制方面，基于輸出電感電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋策略是逆變電源常用的一種方法[7]，其穩(wěn)定性好、抑制直流電壓擾動(dòng)能力強(qiáng)，本文在此基礎(chǔ)上為進(jìn)一步提高穩(wěn)壓源的動(dòng)態(tài)性能和對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性采用電感電流內(nèi)環(huán)，輸出電壓瞬時(shí)值中環(huán)，輸出電壓有效值最外環(huán)的三環(huán)控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

PWM 斬控式單相交流穩(wěn)壓源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由交流電源、前級(jí)輸入LC濾波、單相整流器、逆變器和輸出LC濾波器構(gòu)成。

圖1 PWM斬控式單相交流穩(wěn)壓源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其工作過程為：交流電源輸入電壓信號(hào)經(jīng)前級(jí)LC濾波和單相不可控全橋整流得到直流電壓信號(hào)，然后再經(jīng)過逆變器斬波控制得到等寬不等幅的斬波信號(hào)，最后經(jīng)過輸出 LC濾波器得到所需的正弦穩(wěn)壓電壓信號(hào)。其中斬波過程如下：在輸入電壓正半周時(shí)，給開關(guān)管VT1、VT2互補(bǔ)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，給開關(guān)管VT3持續(xù)的低電平，給開關(guān)管VT4持續(xù)的高電平；當(dāng)VT1處于PWM波的高電平時(shí)，輸入電壓經(jīng)VT1斬波；當(dāng)VT1處于PWM波的低電平時(shí)，VT2和 VD4構(gòu)成續(xù)流回路。在輸入電壓負(fù)半周時(shí)，給開關(guān)管VT1持續(xù)的低電平，給開關(guān)管VT2持續(xù)的高電平，給開關(guān)管VT3、VT4互補(bǔ)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)；當(dāng)VT3處于PWM波的高電平時(shí)，輸入電壓經(jīng)VT3斬波；當(dāng)VT3處于PWM波的低電平時(shí)，VT2和VD4構(gòu)成續(xù)流回路。

2 輸出濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 LC濾波器模型分析

由于逆變器輸出的高頻 PWM含有高次諧波，LC濾波即為濾除其高次諧波分量，使得輸出電壓波只含有基波分量，同時(shí)需要兼顧系統(tǒng)的功率等因素。因此，LC參數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)為：輸出波形諧波含量??；濾波器消耗的功率小[8]；濾波器參數(shù)值和體積小。由上述原則分析濾波器特性，LC二階低通濾波的傳遞函數(shù)為

式中，ωL為諧振頻率，；ξ為阻尼系數(shù)，；Uo(s)為濾波電壓；Uk(s)為輸入電壓。

設(shè) Ui為系統(tǒng)輸入交流電壓，Uo為負(fù)載輸出電壓，由AC/DC/AC斬波變換原理得

式中，開關(guān)函數(shù)S(t)定義為

式中，n=0，±1，±2，…；D為占空比，Ts為開關(guān)周期。

設(shè) Ui= Ums in2πfst，則有

式中，Um為輸入電源電壓峰值，fs為輸入電源電壓頻率。

對(duì)式（4）進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開可得

式中，n為諧波次數(shù)，其中：

式（5）表明，輸出電壓除含有基波外，還含有其它次諧波，諧波頻率主要分布在nfc±fs處，開關(guān)頻率越高，諧波與基波的距離越遠(yuǎn)，為了使濾波器輸出電壓接近正弦波同時(shí)又不會(huì)引起諧振問題，LC濾波器的截止頻率f必須要遠(yuǎn)小于輸出電壓中所含有的最低次諧波頻率，同時(shí)又要遠(yuǎn)大于基波頻率。截止頻率f與濾波器LC參數(shù)關(guān)系為

由文獻(xiàn)[9]表明，濾波器最優(yōu)情況的 LC截止頻率fL需滿足：

式中，f1為基波頻率，fs為載波頻率。

2.2 無(wú)功容量分析

通過上述分析確定了濾波器 LC的乘積，但 L和C還需要進(jìn)一步分析選取。本研究從無(wú)功容量最小角度來(lái)選取LC。逆變器輸出LC濾波的無(wú)功可以表示為

式中，ω1為基波頻率；ωm為m次諧波頻率；Is為基波電流；Im為m次諧波電壓值；Uo為基波電壓；Um為m次諧波電壓值。

通常 PWM逆變器輸出的諧波電壓分量相對(duì)于基波來(lái)說極小，因而式（8）可化為

由于電容為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格定型產(chǎn)品，而電感則可根據(jù)需要定制，即在電容值選取受限的情況下電感值可以任意確定。此外，LC的體積與重量主要取決于電感大小，所以電感大小是對(duì) LC無(wú)功量的主要影響因素。由式（6）可得

把式（10）代入式（9）可得

對(duì)于阻性電路有

則由式（10）至式（12）可得

式中，Uo、Io為已知定值，故無(wú)功大小只與電感L有關(guān)，由函數(shù)關(guān)系式可知，根據(jù)極限定理可得當(dāng)無(wú)功值最小時(shí)電感的表達(dá)式為

由式（14）即可選定L的值，再由式（10）可求出電容C的值。

由上述推到可知采用小參數(shù)的濾波器即可濾除諧波，減小了濾波器體積。同時(shí)，由式（5）可推出基波電壓幅值與輸入電壓幅值之比M為

由式（15）可知，通過調(diào)節(jié)占空比D的變化控制各開關(guān)管的狀態(tài)產(chǎn)生等寬不等幅的PWM，由此控制逆變器輸出電壓的大小來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓目的。

3 控制策略及檢測(cè)方法

3.1 控制策略分析

逆變電源為了得到較好的動(dòng)態(tài)性能和對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性一般多采用閉環(huán)控制。然而閉環(huán)控制由于存在調(diào)制電路所引起器件的零點(diǎn)漂移和霍爾元件所引起的零位誤差，會(huì)引入不確定的直流量，會(huì)給系統(tǒng)造成很大的影響。為了改善逆變電源輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度，改善系統(tǒng)負(fù)載突變瞬間輸出電壓變化較大的問題，本文采用在雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上再加入輸出電壓有效值環(huán)控制，即電感電流為內(nèi)環(huán)，輸出電壓瞬時(shí)值為中環(huán)，輸出電壓有效值為最外環(huán)的三環(huán)控制方案，而且采用電感電流反饋的逆變電源穩(wěn)定性好、抑制直流電壓擾動(dòng)能力強(qiáng)，同時(shí)由于電感電流即為開關(guān)管電流，所以可以防止開關(guān)管過流。控制原理圖如圖2所示。

三環(huán)控制中各個(gè)環(huán)的作用分別為：外環(huán)為進(jìn)一步保證穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)輸出電壓有效值恒定，電壓實(shí)際輸出有效值U與給定參考值U*作比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后得瞬時(shí)電壓指令 Uref；中間環(huán)為輸出電壓的瞬時(shí)值反饋環(huán)，該環(huán)對(duì)輸出電壓是瞬時(shí)值進(jìn)行控制，使輸出電壓跟蹤輸入的正弦波信號(hào)，即電壓瞬時(shí)反饋值Uo與瞬時(shí)電壓指令Uref做差后經(jīng)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得電流瞬時(shí)指令I(lǐng)ref；內(nèi)環(huán)為電流瞬時(shí)值環(huán)，該環(huán)的控制對(duì)象是濾波電感的電流 iL，控制目的是使濾波電感上的電流能快速準(zhǔn)確地跟蹤電流指令I(lǐng)ref，并且可以起到防止負(fù)載變化引起電流沖擊的作用。經(jīng)電流調(diào)節(jié)器后的輸出值與斬波發(fā)生器比較產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制逆變器通斷實(shí)現(xiàn)斬波控制。

圖2 三環(huán)控制原理框圖

該三環(huán)控制中，調(diào)節(jié)速度最慢的是輸出電壓有效值外環(huán)，一個(gè)正弦波周期調(diào)節(jié)一次；其次是輸出電壓瞬時(shí)值中環(huán)，最快的是電流瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)，每個(gè)采樣周期調(diào)節(jié)一次，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。此外電感電流反饋使得開關(guān)電流受到控制，即使系統(tǒng)輸出的短路電流也可以進(jìn)行控制，增加了系統(tǒng)的可靠性，提高了穩(wěn)壓源的動(dòng)態(tài)性能和對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性以及穩(wěn)態(tài)精度。

3.2 檢測(cè)算法

常用的檢測(cè)算法有均方根計(jì)算法，傅里葉分析法，瞬時(shí)無(wú)功理論檢測(cè)法等；均方根算法計(jì)算簡(jiǎn)單，但需要一個(gè)正弦周期才能完成一次，有一定的延時(shí)；傅里葉分析法雖然可以檢測(cè)各次諧波，但是其運(yùn)算相對(duì)復(fù)雜，且也有一個(gè)周期的延時(shí)；瞬時(shí)無(wú)功理論檢測(cè)法運(yùn)算相對(duì)簡(jiǎn)單，且具有較好的實(shí)時(shí)性好，但其適用于三相信號(hào)。

綜上分析，本文電壓有效值外環(huán)控制的電壓采集適合運(yùn)用均方根法，而中環(huán)和內(nèi)環(huán)的瞬時(shí)電壓電流比較需要實(shí)時(shí)比較，因此采用瞬時(shí)無(wú)功理論檢測(cè)法能夠很好的實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)比較，考慮其適合三相信號(hào)，因此，要將采集的單相信號(hào)構(gòu)造成三相信號(hào)。設(shè)檢測(cè)到的單相電路負(fù)載輸出的電壓和電流瞬時(shí)值分別為uo、iL，由uo、iL構(gòu)造三相系統(tǒng)，并設(shè)ua、ub、uc和ia、ib、ic分別為所構(gòu)造的系統(tǒng)三相電壓、電流的瞬時(shí)值。在三相三線制電路中，只有兩個(gè)電流是獨(dú)立的，另一個(gè)電流可由獨(dú)立的兩個(gè)電流算出。這里令ia=iL，而由iL延時(shí)60°所得到的電流與延時(shí)240o所得的電流正好反相，即為-ic，由此可得ib=-ia-ic。這樣，就構(gòu)造出三相電流；同理，可構(gòu)造出對(duì)應(yīng)的三相電壓 ua、ub、uc。然后采用瞬時(shí)無(wú)功功率理論分別對(duì)三相電壓電流進(jìn)行 dq變換得到相應(yīng)的兩相電壓ud、uq和兩相電流id、iq，然后各自做均方根計(jì)算得到單相電壓電流的峰值 um、im。單相電壓的變換框圖如圖3所示，電流變換原理類似，這里不再贅述。

圖3 電壓變換原理框圖

4 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真電路及結(jié)果分析

根據(jù)單相 PWM斬波交流穩(wěn)壓電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭接系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示，該系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分構(gòu)成。

圖4 系統(tǒng)仿真模型

圖 4中上部分為系統(tǒng)主電路，輸入濾波電感L11=3.5mH，輸入濾波電容 C11=10μF，輸出濾波參數(shù)有上述式（14）計(jì)算可以得出，即電感L22≈6.7mH，輸出濾波電容 C22≈12μF，負(fù)載阻值為 30Ω；下部分為檢測(cè)控制電路，其中RMS模塊為有效值檢測(cè)算法模塊，Ua-Uabc和Ia-Iabc模塊分別為單相構(gòu)造三相檢測(cè)電壓、電流模塊，PWM為斬波驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生模塊，其電路原理如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路

仿真模型輸入交流電壓在180～240V范圍內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載輸出電壓能夠穩(wěn)定在 36V。其中仿真過程中PWM波的斬波頻率為12.8kHz，電壓有效值外環(huán)控制的PI參數(shù)為kp1=0.2，ki1=3，電壓瞬時(shí)值控制的中環(huán)PI參數(shù)為kp2=0.25，ki2=2，電感電流內(nèi)環(huán)控制的PI參數(shù)為kp3=0.1，ki3=5。當(dāng)輸入電壓ui=200V時(shí)，負(fù)載輸出電壓有效值的穩(wěn)壓波形圖如圖6所示，電壓、電流瞬時(shí)值波形如圖7所示。

圖6 AC 200V時(shí)電壓有效值波形

圖7 AC 200V時(shí)輸出電壓電流波形

當(dāng)輸入電壓 ui=230V時(shí)，負(fù)載輸出電壓有效值的穩(wěn)壓波形圖如圖8所示，電壓、電流瞬時(shí)值波形如圖9所示。

由圖6至圖9不難看出，隨著交流輸入電壓的變化，負(fù)載輸出電壓有效值穩(wěn)定在36V不變，達(dá)到了理想穩(wěn)壓效果。

圖8 AC 230V電壓有效值波形

圖9 AC 230V時(shí)輸出電壓電流波形

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

根據(jù)上述仿真及理論分析和濾波參數(shù)確定原則，搭建斬波控制穩(wěn)壓源硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中，交流電壓輸入側(cè)連接一個(gè)調(diào)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)180～240V的電壓輸入（模擬電網(wǎng)突升突降），電網(wǎng)頻率 50Hz，輸入濾波電感為3.5mH，電容為10μF，逆變輸出側(cè)濾波參數(shù)根據(jù)上述理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)條件限制選取電感為6mH，電容為10μF，負(fù)載電阻為30Ω。逆變器采用FSAM30SH60A型號(hào)功率模塊，控制器選用TMS320F2812DSP。實(shí)驗(yàn)波形的測(cè)量過程中，由于示波器的量程有限，將輸入電壓信號(hào)的測(cè)量先通過4倍衰減（采用電阻分壓法實(shí)現(xiàn)四倍衰減）后再接入示波器（示波器型號(hào)為 TPS2024，最大顯示峰值為 200V），于是我們所看到的輸入電壓信號(hào)在示波器上的結(jié)果為實(shí)際值的1/4。當(dāng)輸入電壓ui=60V（實(shí)際為240V）時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形如圖10所示，輸出電壓uo=35.6V；當(dāng)輸入電壓ui=50V（實(shí)際為200V）時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形如圖11所示，輸出電壓uo=35.5V，其相應(yīng)的輸出穩(wěn)壓波形諧波分析如圖12所示。

圖10 ui1=60V時(shí)輸出電壓波形

圖11 ui2=50V時(shí)輸出電壓波形

圖12 負(fù)載電壓諧波分析

由圖10和圖11可知，在實(shí)驗(yàn)過程中針對(duì)不同的電壓輸入實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)的出電壓均能穩(wěn)定在 36V左右，且由圖12對(duì)輸出電壓的諧波分析可知，輸出電壓的諧波畸變率為4.95%，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5%，滿足諧波設(shè)計(jì)要求，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方案具有很好的穩(wěn)壓效果。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種采用 PWM 斬波控制的AC/DC/AC單相交流穩(wěn)壓電源，PWM斬波控制變換器具有拓?fù)浜?jiǎn)單、不需使用大容量?jī)?chǔ)能元件、體積小、高功率因數(shù)、成本低等特點(diǎn)；對(duì)于輸出側(cè) LC濾波器的設(shè)計(jì)綜合考慮濾波器的功率容量、體積等要素來(lái)選取濾波參數(shù)，起到很好的濾波效果；為進(jìn)一步提高穩(wěn)壓源的動(dòng)態(tài)性能和對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性采用電感電流內(nèi)環(huán)，輸出電壓瞬時(shí)值中環(huán)，輸出電壓有效值最外環(huán)的三環(huán)控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制，提高了系統(tǒng)精度及穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)和控制方法的可行性。

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