集成觸發器控制的三相整流電路閉環系統設計

齊以年，李亞東，賀博

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

0 引言

整流電路是電力電子技術中出現最早、原理相對簡單的一種電路結構，其作用是將交流電能變換為直流電能供給直流用電設備。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，同時提高電路的穩定性，市場上出現了集成的三相觸發器模塊。本文涉及的集成移相觸發器內部集三相電相位檢測電路、移相電路、控制電路和觸發電路于一體，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路導通角可改變的可控硅強觸發脈沖，觸發可控硅，實現移相調壓。本文主要研究了集成移相觸發器SX-JKZE控制的三相橋式全控整流電路的閉環系統設計，為集成移相觸發器能夠更好地應用于整流電路提供參考。

1 系統設計

1.1 整流環節傳遞函數

在對三相橋式全控整流電路進行閉環控制時，將整流橋與集成移相觸發看作一個環節。在應用線性控制理論對系統進行控制時，首先要求出此環節的傳遞函數。由于橋式整流與其移相觸發是非線性的，為了簡化其控制系統的設計，往往在一定的工作范圍內對其進行線性近似，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，移相觸發器的輸入電壓Vc與整流橋的輸出平均電壓Ud的關系為可以概括為以下分段函數形式

(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呈明顯的非線性關系。整流橋與移相觸發環節的增益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環節的增益Ks=191。

圖1 移相觸發器輸入電壓與整流橋輸出電壓的關系

由晶閘管的特性可知，一旦移相觸發器發出脈沖使晶閘管導通，直至晶閘管關斷之前，晶閘管就一直處于導通狀態，在此期間，移相觸發器輸入的電壓信號不再對晶閘管產生任何作用，直至晶閘管關斷后下一次發出脈沖控制其導通，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器的控制電壓，如圖2所示(圖中：α為移相觸發器觸發角)。于是，可以將整流橋與其移相觸發器看成一個滯后環節，其滯后效應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器控制電壓波形關系

顯然，toc與Vc有著非常密切的關系，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構有關，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。

失控時間一般可取toc=tocmax。用單位階躍函數ε(t-toc)表示整流橋對移相觸發器輸入的滯后，則整流橋輸出Ud(t)與移相觸發器輸入Vc之間的關系為

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器環節的傳遞函數為

(5)

對式(5)進一步簡化，將其用泰勒級數展開，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器環節的傳遞函數W(s)可以近似成一階慣性環節，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輸入的關系框圖。

圖3 整流電路輸出與移相觸發輸入的關系

1.2 系統閉環參數設計

采用比例積分(PI)控制器的整流系統結構如圖4所示。整流橋輸出的電壓經電感、電容濾波后由測量電路進行信號調理，與參考信號Vref1比較做差后輸出給PI控制器，誤差信號經PI控制器運算后輸入移相觸發器。PI控制器通過調節輸出電壓信號的大小改變移相觸發器觸發角的大小，使調理信號后的反饋信號與參考信號相等，使輸出電壓穩定。

圖4 三相橋式全控整流電路PI控制系統

由前面的敘述可知，三相交流電源、移相觸發、三相橋式全控整流以及濾波環節的傳遞函數可近似為W(s)。記信號調理電路的傳遞函數為H1(s)，記PI控制器的傳遞函數為Gc1(s)，則整個整流環節的控制系統的數學模型如圖5所示。

圖5 三相橋式全控整流電路控制系統數學模型

未加校正環節，即Gc1(s)=1時，控制系統的開環環路增益t1(s)為

(8)

由式(8)可得，未加PI校正環節的原始系統開環環路增益Bode圖如圖6所示，系統的穿越頻率ωc1=372 rad/s，相位裕度為129°。

校正后系統的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°，系統是穩定的，但校正后的系統比原系統的穿越頻率高，因此響應速度也較快[5-7]。

圖6 校正前、后整流控制系統開環環路增益Bode圖

1.3 系統軟啟動電路設計

對整流電路進行PI閉環控制時，啟動時整流橋的濾波電容兩端輸出電壓為0，經信號調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器，使整流橋的導通角處于最大狀態，整流橋將會輸出最大的電壓，導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，使其有一個預充電過程，預充電完成后系統再進行閉環控制，使輸出電壓達到所期望的值。

由圖1可以看出，在允許的移相觸發器輸入電壓范圍(0～5 V)內，整流橋的輸出電壓隨移相觸發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的整流橋的觸發角為最小值，移相觸發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控制的切換，這樣既能完成軟啟動，又能實現系統的閉環控制，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為由運算放大器構成的整流電路PI控制器輸出電壓波形與移相觸發器的輸入電壓波形。

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器的輸入。發送整流指示后，開始時由于信號調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，移相觸發器的輸入信號切換到由PI控制器的輸出信號控制，系統此后進入閉環控制。從圖9可以看出，系統進入閉環控制狀態后，PI控制器輸出電壓基本恒定，系統處于穩定狀態。

圖10是整流橋經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，切換到閉環控制，輸出電壓達到穩態時輸出值為500 V。電路在整個工作過程中過沖很小，運行平穩，系統的電壓誤差很小，輸出的紋波也很小。

圖10 整流環節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控制時整流環節輸出的電壓波形。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生的電壓沖擊，整流環節輸出的電壓從零開始平緩地增大，電路進入閉環控制后，達到穩態時輸出電壓穩定為500 V，整個過渡過程也比較短暫，設計的PI控制參數合理；沒有軟啟動直接閉環控制時，啟動時的沖擊電壓達到額定電壓的2倍[8-9]。

圖11 整流環節Simulink仿真輸出電壓波形

3 結束語

根據集成移相觸發器的輸入與整流電路輸出間的函數關系，采用線性化的方法推導出了用于描述集成觸發器控制的三相整流電路動態特性的傳遞函數，為閉環控制系統的設計提供了理論基礎。提出了一種軟啟動控制策略，減少了系統啟動時的過沖，提高了系統啟動的穩定性和可靠性。

參考文獻：

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

[2]林渭勛.現代電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

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

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

[5]廖曉鐘，劉向東.控制系統分析與設計[M].北京：清華大學出版社，2008.

[6]楊智，范正平.自動控制原理[M].北京：清華大學出版社，2014.

[7]王耀輝，強天偉.PID控制原理簡析[J].潔凈與空調技術，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，2014,41(1):17-19.

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