劉 珊 侯湘慶

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院)

0 引言

隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高, 大功率整流系統(tǒng)在各個領(lǐng)域被廣泛地運用, 包括工業(yè)制造、交通運輸以及航空航天等行業(yè)。作為將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的裝置, 大功率整流系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的直流電動機、電子設(shè)備等方面具有重要的應(yīng)用價值。然而, 其運行過程中存在能耗高、損失大等問題, 這不僅影響了設(shè)備壽命和安全性, 也給企業(yè)帶來了經(jīng)濟負擔。特別是在電力需求增加的情況下, 如何實現(xiàn)大功率整流系統(tǒng)的綜合節(jié)能運行和優(yōu)化控制已成為當前電力行業(yè)研究的熱點之一。因此, 需要采取一系列的綜合節(jié)能策略和優(yōu)化控制技術(shù)來降低大功率整流系統(tǒng)的能耗和損失。通過對大功率整流系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略進行研究, 可以實現(xiàn)大功率整流系統(tǒng)的綜合節(jié)能運行, 這不僅在理論上具有重要意義, 而且在實踐中還可以降低成本、減少環(huán)境污染。

1 大功率整流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 大功率整流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

大功率整流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括輸入變壓器、整流橋、濾波電容、直流母線、逆變器等組成部分。其中, 輸入變壓器是將高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓交流電;整流橋是將低壓交流電轉(zhuǎn)換為直流電, 并通過濾波電容實現(xiàn)對直流電的平滑處理。直流母線是整個系統(tǒng)的能量傳輸樞紐, 它連接了各種負載并向負載提供穩(wěn)定的直流電源。逆變器則是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電, 以便于驅(qū)動交流負載[1]。

1.2 大功率整流系統(tǒng)的工作原理

(1) 輸入變壓器: 將高電壓交流電轉(zhuǎn)換為低電壓交流電, 并且將交流電的頻率調(diào)整到適合整流橋的范圍內(nèi)。輸入變壓器的結(jié)構(gòu)一般采用鐵心式結(jié)構(gòu), 它包括一個主線圈和若干個副線圈。主線圈接入高壓交流電源, 副線圈則連接整流橋。輸入變壓器通過調(diào)整主、副線圈的匝數(shù)比例, 使得輸出電壓與負載要求的電壓相匹配[2]。

(2) 整流橋: 整流橋是將低壓交流電轉(zhuǎn)換為直流電的關(guān)鍵組件。它由四個二極管構(gòu)成, 這四個二極管被連接在兩個交流輸入端和兩個直流輸出端之間。當輸入電壓的正半周到來時, 其1 和D4 會導(dǎo)通, 而D2 和D3 則會截止, 從而將正半周的電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓輸出, 此時電流從輸入變壓器經(jīng)過D1、直流母線、負載、D4 返回輸入變壓器; 而負半周電壓時,則D2 和D3 導(dǎo)通, D1 和D4 截止, 電流方向則相反[3]。因此, 整流橋?qū)崿F(xiàn)了交流電到直流電的轉(zhuǎn)換。

(3) 濾波電容: 濾波電容位于整流橋的輸出端,主要用于平滑直流電信號, 可去除電壓中的高頻噪聲和脈沖信號, 使得輸出電壓更加穩(wěn)定可靠。一般情況下, 濾波電容使用的是鋁電解電容或有機電容, 具有容量大、工作穩(wěn)定等優(yōu)點。

(4) 直流母線: 直流母線是整個系統(tǒng)的能量傳輸樞紐, 它連接了各種負載并向負載提供穩(wěn)定的直流電源。直流母線的設(shè)計需要考慮到負載的功率需求、安全性和可靠性等因素。

(5) 逆變器: 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電,以便于驅(qū)動交流負載[4]。逆變器可以采用PWM 技術(shù)實現(xiàn)精確控制, 從而實現(xiàn)對輸出電壓和電流的調(diào)節(jié)。逆變器主要包括IGBT、電感、濾波電容等, 其中IGBT 是關(guān)鍵的開關(guān)元件。

2 大功率整流系統(tǒng)的節(jié)能問題及解決方法

隨著能源危機的加劇, 節(jié)能成為了全球的重要議題。在工業(yè)生產(chǎn)中, 大功率整流系統(tǒng)作為電力轉(zhuǎn)換的核心部件, 對節(jié)能問題具有重要的影響。目前, 大功率整流系統(tǒng)存在三個主要的節(jié)能問題: 整流器效率低、逆變器效率低、濾波器效率低。下面將分別探討這三個問題, 并提出相應(yīng)的解決方法。

2.1 整流器效率低

整流器是將交流電轉(zhuǎn)化為直流電的重要元件, 它的效率對整個系統(tǒng)的能耗和性能都有很大的影響。目前, 市場上常用的整流器類型有硅鉬整流器、晶閘管整流器、IGBT 整流器等。其中, 硅鉬整流器是最常見的一種, 但其效率較低, 只有70%左右。而晶閘管整流器雖然效率高達90%, 但其價格昂貴, 不適合大規(guī)模應(yīng)用。其解決方法如下:

(1) 采用新型材料: 目前, 一些新型材料如氮化硅、碳化硅等已經(jīng)開始應(yīng)用于整流器的制造中, 相比于硅鉬材料, 這些新型材料具有更高的導(dǎo)電性和更低的電阻, 能夠大幅提高整流器的效率。

(2) 提高開關(guān)頻率: 通過提高整流器的開關(guān)頻率, 可以減少能量損失和脈沖噪聲, 并且可以縮小濾波器的體積。但是需要注意的是, 開關(guān)頻率過高會增加開關(guān)損耗和熱量產(chǎn)生, 因此需要在功率和效率之間做出平衡。

2.2 逆變器效率低

逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的關(guān)鍵組件, 其效率同樣對整個系統(tǒng)的能耗和性能產(chǎn)生影響。目前市場上常用的逆變器類型有PWM 逆變器、SPWM 逆變器等。其中, PWM 逆變器是最常見的一種, 但其效率較低, 只有80%左右。而SPWM 逆變器雖然效率高達90%, 但其價格昂貴, 不適合大規(guī)模應(yīng)用。其解決方法如下:

(1) 采用高頻變壓器: 高頻變壓器可以有效地降低逆變器的損耗和體積, 并且可以提高逆變器的效率。但是需要注意的是, 高頻變壓器制造難度較大,需要精密的工藝和設(shè)備[5]。

(2) 優(yōu)化控制策略: 通過優(yōu)化逆變器的控制策略, 可以減少開關(guān)損耗和電流失真, 并且可以提高逆變器的效率。例如, 在PWM 逆變器中, 采用基于邊沿的調(diào)制策略可以有效地提高其效率。

2.3 濾波器效率低

濾波器是用于去除直流電源中的脈動的關(guān)鍵組件, 其效率同樣對整個系統(tǒng)的能耗和性能產(chǎn)生影響。兩種常見的濾波器類型有電容濾波器、電感濾波器,電容濾波器具有成本較低的優(yōu)勢, 但效率較低; 電感濾波器效率高, 但成本較高, 不適合大規(guī)模應(yīng)用。其解決方法如下:

(1) 采用混合濾波器: 混合濾波器是一種將電容濾波器和電感濾波器組合起來的濾波器。其設(shè)計方法是在電容濾波器和電感濾波器之間串聯(lián)一個阻抗,以達到既能夠保證效率, 又能夠降低成本的目的。

(2) 優(yōu)化參數(shù)設(shè)計: 通過優(yōu)化濾波器的參數(shù)設(shè)計, 可以減少能量損失和脈沖噪聲, 并且可以提高濾波器的效率。例如, 在電容濾波器中, 采用多級電容并聯(lián)的方式可以有效地提高其效率[6]。

3 大功率整流系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略

大功率整流系統(tǒng)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用, 其優(yōu)化控制策略對于提高系統(tǒng)效率、穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。PID 控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是大功率整流系統(tǒng)中常用的控制方法, 各自具有優(yōu)點和缺點, 在實際應(yīng)用中需要根據(jù)不同的需求和場景進行選擇和調(diào)整。下面將深入探討這三種控制方法在大功率整流系統(tǒng)中的應(yīng)用和優(yōu)化策略, 以期為相關(guān)研究提供參考和啟示。

3.1 PID 控制策略

PID 控制作為一種經(jīng)典的控制方法, 由比例控制、微分控制、和積分控制三部分組成[7]。PID 控制器的結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)容易, 同時具有快速響應(yīng)的特點。

(1) PID 控制原理

PID 控制的原理是通過對偏差信號進行加權(quán)計算, 計算出控制輸出量, 從而使被控對象的輸出量達到期望值。

(2) PID 控制在大功率整流系統(tǒng)中的應(yīng)用

在大功率整流系統(tǒng)中, PID 控制主要用于直流電壓和電流的控制。通過對直流電壓和電流進行測量,得到誤差信號后, 采用PID 控制方法計算出控制輸出量, 從而控制整流器的工作狀態(tài)。此外, PID 控制還可以應(yīng)用于濾波器的控制, 改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和提高響應(yīng)速度。

(3) PID 控制的優(yōu)缺點

優(yōu)點: PID 控制具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)和響應(yīng)速度快等優(yōu)點。

缺點: PID 控制的調(diào)節(jié)需要根據(jù)具體情況進行手動調(diào)整, 且容易受到噪聲和干擾的影響, 對非線性系統(tǒng)的控制效果不理想。

3.2 模糊控制策略

模糊控制是一種基于模糊邏輯理論的控制方法,它可以有效地處理模糊信息和非線性問題, 并可以對系統(tǒng)的電壓和電流進行控制, 提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

(1) 模糊控制原理

模糊控制的原理是通過建立輸入變量和輸出變量之間的模糊關(guān)系, 構(gòu)建模糊控制規(guī)則庫, 從而實現(xiàn)對被控對象的控制。模糊控制包含了模糊化、規(guī)則庫、推理機和去模糊化四個關(guān)鍵組成部分。

(2) 模糊控制在大功率整流系統(tǒng)中的應(yīng)用

在大功率整流系統(tǒng)中, 模糊控制可以應(yīng)用于直流電壓和電流的控制。通過對直流電壓和電流進行測量, 將其轉(zhuǎn)化為模糊變量后, 使用預(yù)設(shè)的模糊控制規(guī)則庫進行推斷, 計算出控制輸出量, 從而控制整流器的工作狀態(tài)。此外, 模糊控制還可以應(yīng)用于濾波器的控制, 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

(3) 模糊控制的優(yōu)缺點

優(yōu)點: 在工業(yè)控制領(lǐng)域, 模糊控制被廣泛使用,因為它能夠有效地處理模糊信息和非線性問題。

缺點: 模糊控制需要預(yù)設(shè)大量的模糊規(guī)則, 其計算復(fù)雜度很高, 且無法實現(xiàn)實時性。

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制具有自適應(yīng)性、魯棒性等優(yōu)點, 是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制技術(shù), 這種技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的控制中。在大功率整流系統(tǒng)中, 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以對系統(tǒng)的電壓和電流進行控制, 提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

(1) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的原理是通過建立輸入變量和輸出變量之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型, 使用反向傳播算法調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù), 從而實現(xiàn)對被控對象的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制主要由四個部分組成, 包括輸入層、隱含層、輸出層以及反向傳播算法[8]。

(2) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在大功率整流系統(tǒng)中的應(yīng)用

在大功率整流系統(tǒng)中, 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以應(yīng)用于直流電壓和電流的控制。通過對直流電壓和電流進行測量, 將其作為輸入變量, 建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型后, 利用反向傳播算法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù), 計算出控制輸出量, 從而控制整流器的工作狀態(tài)。此外, 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制還可以應(yīng)用于濾波器的控制, 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

(3) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)缺點

優(yōu)點: 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制非線性系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,其具有自適應(yīng)性、魯棒性等優(yōu)點。

缺點: 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制需要大量的數(shù)據(jù)和時間來進行訓(xùn)練, 由于其計算復(fù)雜度比較高, 導(dǎo)致實時性較差。

4 結(jié)束語

大功率整流系統(tǒng)的綜合節(jié)能運行和優(yōu)化控制是實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要手段。本文對大功率整流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理進行了介紹, 并對節(jié)能運行方面的問題及解決方法進來了探討。同時, 介紹了大功率整流系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略, 包括PID 控制、模糊控制和神經(jīng)等。這些措施在現(xiàn)實中具有重要意義, 因為其可以有效地減少能源消耗和環(huán)境污染。未來, 隨著新材料、新器件和新電力電子技術(shù)的不斷進步和發(fā)展, 將會有更多更先進的技術(shù)得以網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用到大功率整流系統(tǒng)中, 使其在節(jié)能、環(huán)保和高效方面邁上一個新的臺階, 為未來能源領(lǐng)域的發(fā)展做出更大的貢獻。