安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 王 曄

以電氣試驗(yàn)高壓直流電源裝置為研究目的，研究設(shè)計(jì)一款開關(guān)型高壓直流電源裝置，主電路采取“交-直-交-直”的設(shè)計(jì)思路。輸入整流環(huán)節(jié)采用12脈波整流電路；逆變環(huán)節(jié)選取全橋逆變電路，將直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞣讲?，提供給高頻變壓器升壓；加入一級(jí)Buck斬波電路作為閉環(huán)控制的控制對(duì)象；為了保證輸出電壓準(zhǔn)確穩(wěn)定、提高系統(tǒng)魯棒性，采用模糊PID算法控制。通過仿真軟件搭建電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同研究分析和比較仿真數(shù)據(jù)，找到最佳方案。

電氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行不僅關(guān)乎生產(chǎn)效益，也關(guān)乎工作人員生命安全。隨著電力電子技術(shù)和電子電路元件的不斷發(fā)展，開關(guān)型高壓直流電源技術(shù)日趨成熟。本文結(jié)合電氣試驗(yàn)工作的實(shí)際要求，提出一種耐壓試驗(yàn)電源設(shè)計(jì)，可以提高輸出電壓的精確度、穩(wěn)定性、提高系統(tǒng)的魯棒性。

1 直流高壓電源的基本原理

高壓直流電源以380V的工頻交流電作為輸入，經(jīng)過整流濾波環(huán)節(jié)得到平滑的直流電；后級(jí)可加入斬波環(huán)節(jié)作為控制環(huán)節(jié)；由單片機(jī)或芯片通過PWM方式調(diào)節(jié)開關(guān)元件占空比，進(jìn)而控制輸出電壓；其后級(jí)為逆變電路，最后通過高頻升壓變壓器與倍壓整流電路升壓得到需要的輸出電壓值。

2 高壓直流電源拓?fù)溥x擇

結(jié)合本文研究目的，本文采用開關(guān)型高壓直流電源作為電氣試驗(yàn)所需高壓直流的產(chǎn)生方式。

本文研究設(shè)計(jì)的高壓直流電源以380V工頻交流電作為輸入，采用“交-直-交-直”的電能轉(zhuǎn)換方式，電路在輸入與輸出環(huán)節(jié)分別有兩次整流。

本論文研究的高壓直流電源，結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)合，要求輸出達(dá)到50kV的高壓，輸入與輸出兩個(gè)整流環(huán)節(jié)以及逆變環(huán)節(jié)對(duì)電路整體性能有著重大的影響，通過對(duì)各種電路拓?fù)涞谋容^和分析，決定采用12脈波整流電路作為高壓直流電源的整流環(huán)節(jié)，減小了脈動(dòng)幅值，有利于后級(jí)濾波；控制環(huán)節(jié)采用Buck斬波電路，由于Buck環(huán)節(jié)作為閉環(huán)控制的被控對(duì)象，因而逆變電路的多組驅(qū)動(dòng)電路只需要固定的頻率與脈寬，這也簡(jiǎn)化了電路控制。電路整體結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 電路整體結(jié)構(gòu)原理圖

3 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器主要組成部分有：輸入接口、數(shù)據(jù)庫(kù)、模糊規(guī)則、模糊推理以及解模糊等環(huán)節(jié)。

輸入的精確信號(hào)經(jīng)過模糊化處理后，可以將模糊變量e劃分為：

圖2所示為模糊PID控制器的各個(gè)環(huán)節(jié)和工作原理，將輸入信號(hào)模糊化，按照模糊規(guī)則運(yùn)算之后，模糊的控制量轉(zhuǎn)換為精確的控制量。

圖2 基于模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

4 仿真驗(yàn)證

通過仿真分析可知，12脈搏整流電路輸出平滑的直流電，脈動(dòng)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)全橋整流電路。整流環(huán)節(jié)輸出電壓波形和系統(tǒng)閉環(huán)控制輸出波形如圖3、圖4所示。

圖3 整流環(huán)節(jié)輸出電壓波形

圖4 系統(tǒng)閉環(huán)控制輸出波形

通過比較不同控制算法的輸出波形可看出，模糊PID不僅更快使輸出電壓達(dá)到設(shè)定值，而且避免了起始超調(diào)尖峰電壓，保護(hù)了設(shè)備安全。

通過仿真驗(yàn)證可得，通過電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)與模糊PID算法的共同作用，提高了輸出電壓的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，提高了系統(tǒng)的魯棒性。對(duì)于保護(hù)電氣試驗(yàn)中被試設(shè)備的絕緣不受損害、保證電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠具有現(xiàn)實(shí)意義。