帶電流檢測的非互補控制交流調壓的控制方式

王魯楊，郝 靜，陳 炯，王禾興

(上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090)

我國某些地區電網供電質量較差，電網電壓波動范圍較大.電網電壓波動不僅會對計算機、通信設備等敏感性負載造成很大的影響，如有效數據丟失、通信中斷等，而且還會造成大量的電能浪費和設備壽命的降低.因此，調節電網電壓對各種負載的正常運行非常重要.目前，工頻交流調壓器在工業加熱、照明控制、感應電機的軟啟動、風機和水泵的速度控制等方面得到了廣泛應用，大多采用的是傳統的相控式交流調壓器，開關器件為晶閘管.其優點是控制電路簡單、功率容量大，缺點是當控制角增大時，功率因數減小，電流中諧波的幅值相對大，濾波器體積大［1］.采用PWM型斬控式交流調壓器可以克服上述缺點.本文對帶電流檢測的非互補控制方式的斬波交流調壓電路進行說明，并進行相應的仿真分析.分析表明，帶電流檢測的非互補控制方式可以很好地解決感性負載的失控區域問題，可使系統適用于各種負載.

1 非互補控制交流調壓電路

斬控式交流調壓的主電路如圖1所示.

圖1 斬控式交流調壓主電路結構

當圖1中的主開關S1和續流開關S2采用單個可控器件時，為防止電源短路，S1與S2的工作應該是互補的，但對兩個開關進行互補控制時，極易出現開關的共態導通和共態關斷現象.依靠在控制信號中設置死區時間不能完全解決此問題，必須為開關設置緩沖電路.設置死區時間和緩沖電路，對大容量電路來說不太合適，因此在斬控式交流調壓電路中采用雙可控器件的非互補控制方式，可以規避上述缺點［2］.其特點是正反相開關的工作方式可以分別控制，可以適用于任何負載.圖2為雙可控器件斬控式交流調壓的主電路.

圖2 雙可控器件方式斬控式交流調壓電路

2 非互補控制交流調壓電路電流檢測問題

非互補控制交流調壓電路控制信號的時序如圖3a所示.

圖3a是應用MATLAB［3］對斬控式交流調壓電路進行仿真時，對圖2所示主電路中4個開關設置的控制信號，從上至下的4個波形依次為V1，V2，V3，V4的柵源電壓 ug1，ug2，ug3，ug4.為了說明問題，載波頻率設為500 Hz，調制波頻率為50 Hz，控制信號占空比為0.5.圖3b是圖2所示主電路帶電阻性負載時的仿真輸出電壓u0，網側電流i1，輸出電流i0的波形.網側電壓幅值為100 V，負載電阻為 2 Ω.

圖3 無電流檢測的非互補控制

在調制信號的前半個周期，ug2和ug4皆為高電平，主開關V1輪流通斷:當ug1為高電平時，V1導通，u0=u1，V2和V4處于反向阻斷狀態;當ug1為低電平時，V1關斷，負載電流中斷，u0=0.在調制信號的后半個周期，ug1和ug3皆為高電平，主開關V2輪流通斷:當ug2為高電平時，V2導通，u0=u1，V1和V3處于反向阻斷狀態;當ug2為低電平時，V2關斷，負載電流中斷，u0=0.通過改變控制信號的占空比可以改變輸出電壓的有效值.

當斬控式交流調壓電路帶阻感負載(2 Ω，20 mH)時，依然采用圖3a所示的非互補控制信號，其工作波形如圖4所示.3個波形依次是仿真輸出電壓u0，網側電流i1，輸出電流i0.

圖4 無電流檢測非互補控制阻感負載工作波形

由圖4可知，阻感負載情況下電流相位滯后于電壓.在電壓u0過零后、電流i0過零前這段時間里，u0≡u1，即 u0失控.無論 ug1和 ug2的電平如何變化，電路開關狀態不變.原因是u0與i0異號，輸出功率p0=u0i0＜0，負載儲能通過交流調壓電路向電源反饋，而在電壓u0過零后，原先按載波頻率通斷的主開關V1(或V2)的控制信號變為高電平，使其常通，使得與其反向并聯的開關V2(或V1)處于反向阻斷狀態，電路的開關狀態并沒有形成對輸入波形的斬波控制，故出現了失控現象.只有當電流i0過零后，u0與i0同號，輸出功率p0=u0i0＞0時，失控現象消失.仿真結果表明，輸出電壓失控后在網側電流、輸出電壓、輸出電流中含有大量的奇次諧波，如圖5所示.

圖5 無電流檢測非互補控制阻感負載諧波分析

當負載為容性時，也會出現失控現象［4，5］.為消除非互補控制交流調壓電路非阻性負載下的失控現象，應對輸出電流進行檢測，然后根據輸出電壓u0和輸出電流i0的極性來決定控制信號的時序分布，實現對失控區的斬波控制.

3 電流檢測的邏輯控制

根據上述分析，阻感負載下失控的原因是電壓u0過零后，原先按載波頻率通斷的主開關V1(或V2)的控制信號變為高電平，使其常通，而續流開關V4(或V3)的控制信號變為低電平，使其不能導通續流.為消除失控現象，在電壓u0過零后、電流i0過零前的這段時間里，應使V4(或V3)按載波頻率通斷，負載通過V4(或V3)續流.輸出電壓u0不再恒等于u1，同時令V2(或V1)的控制信號變為低電平，避免其導通;V1(或V2)和V3(或V4)的控制信號依舊.在電流i0也過零后，u0與i0同號時輸出功率p0=u0i0＞0，控制信號依舊.時序與無電流檢測時相同，見圖3a.

圖4中，當電壓大于零、電流小于零時，圖2中的主開關V1關斷，V2和V3導通，如果續流開關V3關斷，負載電流沿V2和VD2流向電源，u0=u1(u1為輸入電壓);如果V3導通，電流沿V3和VD3續流，u0=0.當電壓小于零、電流大于零時，主開關V2關斷，V1和V4導通，如果續流V4關斷，負載電流沿V1和VD1流向電源，u0=u1;如果V4導通，電流沿V4和VD4續流，u0=0.因此，當電壓和電流方向不一致時仍能對電壓進行斬波控制，可以消除調壓失控現象.

電流檢測的目的，是為了提取輸出電壓的符號函數和輸出電流的符號函數，以得到控制信號C和C':

而要滿足消除失控對 V1，V2，V3，V4控制信號的要求，則各開關管的控制信號邏輯分別為:

根據各開關管控制信號邏輯搭建的電流檢測非互補控制交流調壓電路仿真模型如圖6所示.各開關管的邏輯控制信號 u'g1，u'g2，u'g4，u'g3，輸出電壓u0，網側電流i1，輸出電流i0的仿真波形如圖7所示(其載波頻率為500 Hz).

由圖7可知，在電壓u0過零后、電流i0過零前的這段時間里，主開關V2(或V1)的控制信號u'g2(或u'g1)≡ 0而常斷，在 u'g4(或 u'g3)=0時u'g1(或u'g2)為高電平，輸出電流i0經V1(或V2)反向流向電源，輸出電壓u0=u1.由于續流開關V4(或V3)的控制信號u'g4(或u'g3)不再恒等于零，為正脈沖列，使得續流開關V4(或V3)可以導通續流，輸出電壓u0不再恒等于u1，從而消除了輸出電壓u0的失控現象.

圖6 電流檢測非互補控制交流調壓電路

圖7 有電流檢測非互補控制交流調壓仿真結果

對輸出電壓u0，網側電流i1，輸出電流i0的FFT分析結果如圖8所示.其仿真分析結果表明，各電量只含有和開關頻率相關的諧波分量，不含有低次諧波.

圖8 有電流檢測非互補控制阻感負載諧波分析

4 結論

(1)在使用非互補式控制方式的過程中，如果負載為感性或容性時，若還按照阻性負載進行控制，會出現失控區域，導致輸出電壓和電流波形畸變.

(2)本文設計的電流檢測非互補控制邏輯正確，通過對負載電流的檢測，無論斬控式交流調壓電路帶有何種負載，都能有效消除輸出電壓的失控現象，使網側及負載側只含有和開關頻率相關的諧波分量，不含有低次諧波.在較高的開關頻率條件下，采用小容量的濾波器就可濾除諧波.

［1］王兆安，劉進軍.電力電子技術［M］.第5版.北京:機械工業出版社，2010:145-146.

［2］林渭勛.現代電力電子技術［M］.北京:機械工業出版社，2006:257-258.

［3］林飛，杜欣.電力電子應用技術的MATLAB仿真［M］.北京:中國電力出版社，2009:86-87.

［4］李真，董保華，任慧，等.新型斬控式正弦波舞臺調光器的研究與實現［J］.中國傳媒大學學報自然科學版，2010，17(2):66-69.

［5］余訓瑋，鄒云屏，張杰，等.交流斬波調壓技術在正弦波調光設備中的應用［J］.通信電源技術，2007，24(2):43-45.