盧芳 徐谞 程鵬

（哈爾濱工程大學自動化學院，哈爾濱 150001）

在工業(yè)領域內(nèi)，為獲得直流電源大都采用整流技術。在生產(chǎn)力的迅猛發(fā)展下，整流裝置的功率也日益增大。在現(xiàn)代軋鋼廠日益廣泛采用可控整流裝置來驅(qū)動直流電機，其容量高達數(shù)萬千瓦，容易引起交流側(cè)的高次諧波[1]。為提高輸出電壓的質(zhì)量，減輕整流裝置對電網(wǎng)的影響，可采用多重化整流電路，即按一定規(guī)律將兩個或多個相同結(jié)構(gòu)的整流電路進行組合而得。將整流電路進行多重連接可以減小整流輸出電壓的脈動程度，減少交流側(cè)輸入電流的諧波，提高功率因素[2]。其中，采用12脈波整流電路尤為多見。

本文研究的大功率整流裝置極其容易引起交流側(cè)的高次諧波。為了減輕整流裝置對電網(wǎng)的影響，可以采用12相及以上的多相整流電路。

本文基于12脈波整流原理，于Matlab-Simlink平臺下搭建施加PI控制電路的仿真模型，比較了開環(huán)、閉環(huán)下仿真結(jié)果。并模擬部分電路中可能出現(xiàn)的非正常工況，搭建模型進行仿真，檢驗控制方法有效性。

1 脈波整流電路原理

本文采用由兩個三相全控橋式整流電路移相30°串聯(lián)聯(lián)結(jié)而成的12脈波串聯(lián)整流電路，如圖1所示。其中，T1和T2為兩組串聯(lián)的整流橋；其二次側(cè)的繞組a2，b2，c2和a3，b3，c3分別采用Y形和△形聯(lián)結(jié)，構(gòu)成30°相位差的兩組電壓，而△形聯(lián)結(jié)的變壓器二次繞組相電壓為星形二次繞組相電壓的 3倍，這樣兩組交流電源的線電壓相等。由電力電子相關知識可知負載側(cè)電壓與變壓器二次側(cè)電壓關系[3]為：

其中，Ud為負載側(cè)直流電壓平均值，U2為變壓器二次側(cè)相電壓有效值，α為晶閘管觸發(fā)角。

針對PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)點，本文采用PI控制器。帶有PI控制電路的閉環(huán)12脈整流電路原理如圖2所示。

圖1 12脈波串聯(lián)整流電路原理圖

圖2 閉環(huán)12脈整流電路原理圖

3 脈波整流電路仿真搭建

該仿真電路在Matlab2008b環(huán)境下搭建。

3.1 開環(huán)電路

串聯(lián)12脈波整流電路主電路由三相對稱交流電壓源、整流變壓器、晶閘管整流橋、同步脈沖觸發(fā)器、RLC負載等部分組成。同步脈沖觸發(fā)器與晶閘管整流橋是不可分割的兩個環(huán)節(jié)，兩個晶閘管整流橋串聯(lián)聯(lián)結(jié)給負載供電，在Simulink環(huán)境下串聯(lián)12脈波整流電路的仿真模型見圖3。

3.2 閉環(huán)電路

為達到既定電壓質(zhì)量指標使負載側(cè)輸出電壓平均值恒定在1000 V左右，暫態(tài)電壓范圍不超過正負15%，需對電路施加控制。本文采用Simulink中固有模塊數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，在MATLAB環(huán)境下對其進行仿真?？刂品椒ㄊ怯陔娐分幸龇答伭?，將之與理想給定量比較得出誤差。誤差量傳給PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后反饋給控制量[4]。

選定反饋量及控制量是首先要考慮的。雖然需要控制的是電壓，但由仿真電路圖可知，電壓的調(diào)節(jié)全由給定脈沖決定。又因為控制對象為平均電壓，所以在仿真過程中有將測得的瞬時電壓轉(zhuǎn)換為平均電壓的問題，以及連續(xù)量與離散量的相互轉(zhuǎn)化問題等等，在此不一一贅述。帶PI調(diào)節(jié)器的12脈整流電路仿真拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示[6]。

4 仿真結(jié)果

4.1 開環(huán)狀態(tài)

圖5和圖6為500 kW整流裝置開環(huán)運行狀況下觸發(fā)角分別設置成0°和30°時的仿真波形。圖中上部分為整流后負載側(cè)電壓波形，而下部分為變壓器二次側(cè)兩種不同連接方式的線電壓波形。由圖可看出變壓器副邊線電壓相位分別相差30°，負載側(cè)電壓脈動正常，一個周期脈動12次。此種情況下，可由公式(1)計算出負載側(cè)電壓平均值。此時波形與實際理想狀況下波形圖完全一致，表明了構(gòu)建模型的正確性。

圖3 串聯(lián)12脈波整流電路仿真模型

圖4 帶PI調(diào)節(jié)器的12脈整流電路仿真模型

圖5 開環(huán)狀態(tài)下α=0o時電壓波形

圖6 開環(huán)狀態(tài)下α=30o時電壓波形

4.2 閉環(huán)狀態(tài)

在開環(huán)基礎上加入PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成閉合回路，來減小乃至克服遭遇擾動時對整個電路造成的影響。在正常工況下仿真結(jié)果如圖7，兩個波形分別表示負載側(cè)電壓平均值和負載側(cè)電壓瞬時值。由圖7可見，系統(tǒng)由啟動到穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過程較短，在0.04 s之內(nèi)能夠完成。系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，負載平均電壓維持在1000 V，瞬時值一個周期脈動12次，且12次脈動波形基本一致。此仿真波形表明所設計的主電路及控制電路模型合理，能夠達到穩(wěn)態(tài)的基本要求。

圖7 閉環(huán)狀態(tài)下負載側(cè)電壓波形

4.3 一相電源頻率發(fā)生瞬時波動

由圖7可知，系統(tǒng)于0.04 s已由啟動狀態(tài)過渡到穩(wěn)定狀態(tài)，待系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，于0.02 s將變壓器原邊A相電源頻率由50 Hz突變?yōu)?0.5 Hz，變化幅度1%，后于0.3 s回復至正常狀態(tài)。此時相當于一相電源頻率發(fā)生了瞬時波動。仿真模型見圖8。

圖9為對應的負載電壓變化過程仿真波形，由圖可見，在擾動消失時，只經(jīng)過大約0.02 s，系統(tǒng)即可恢復正常狀態(tài)。表明控制系統(tǒng)對這種瞬時的頻率擾動具有一定的調(diào)節(jié)能力。

4.4 一相電源電壓幅值發(fā)生瞬時波動

同樣，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行條件下，在0.2 s時，A相電源電壓幅值由400 V上升到420 V，升幅5%，在0.3 s時恢復原值。此一相電源電壓幅值發(fā)生瞬時波動時，仿真波形如圖10所示。由圖可見，在擾動消失后，系統(tǒng)狀態(tài)在0.02 s內(nèi)立即回復。同頻率的擾動相似，也就是說控制系統(tǒng)對這種瞬時的電源擾動具有一定的調(diào)節(jié)能力。

4.5 由空載到滿載時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程

圖8 一相電源頻率瞬時波動仿真模型

圖9 一相電源頻率瞬時波動負載側(cè)電壓波形

圖10 一相電源電壓瞬時波動負載側(cè)電壓波形

圖11為負載大小突然發(fā)生變化時對應的仿真原理圖。通過開關的選擇與計時器實現(xiàn)負載由空載到滿載的轉(zhuǎn)換。理想空載時，因回路中沒有電流，晶閘管不會被觸發(fā)導通，電路無法正常工作。故在模擬空載運行時，將負載變成了阻值非常大的負載，電流非常小，但大于維持電流以維持晶閘管導通。這里將負載阻值增加到了2000 Ω模擬空載狀態(tài)。設置空載到滿載的轉(zhuǎn)換時刻為0.2 s。

圖12為空載到滿載時仿真波形圖。由圖可知，PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程很快，負載變化時，很快就能達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

5 觸發(fā)脈沖異常解決方案

在初步仿真結(jié)果出來后，按仿真模型思想搭建硬件實物平臺。在實際試驗中發(fā)現(xiàn)一個軟件仿真中未遇到過的問題：觸發(fā)脈沖丟失。為此，在仿真電路中模擬這種實際情況，并通過仿真解決這一問題。

通過分析，觸發(fā)脈沖丟失的原因是：在仿真電路中的脈沖觸發(fā)器為理想觸發(fā)器，為了保證晶閘管正常有效導通，理想觸發(fā)器在零時刻就給出12個晶閘管的初始脈沖。而在實際情況下，在零時刻時脈沖就以30°為間隔按照晶閘管導通順序?qū)⒚}沖信號依次送達。兩種情況下的脈沖情況如圖13，圖14所示。

由于12脈串聯(lián)整流電路導通條件是：兩組三相橋上下橋臂各有一只晶閘管導通，即要求在某一時刻同時有4只晶閘管導通，才得以構(gòu)成回路導通。而當脈沖為非理想脈沖時，當給上一組三相橋給定觸發(fā)脈沖時，下一組三相橋的觸發(fā)脈沖還沒有來臨，構(gòu)不成回路，沒有電流流過上一組晶閘管；當下一組橋觸發(fā)脈沖來的時候，上一組橋的觸發(fā)脈沖已消失，因此電路不能正常維持下去。

解決該問題有兩種方案。方案一：增大阻容吸收回路的電容參數(shù)。當電容增大時，其兩端電壓維持在一定水平，因此可以為先觸發(fā)的并聯(lián)晶閘管提供一定的電流，只要這個電流大于維持電流，晶閘管就可以維持導通的狀態(tài)，直到后兩個晶閘管被觸發(fā)導通，一起構(gòu)成回路，正常工作。通過改變電容參數(shù)進行仿真，發(fā)現(xiàn)對于500 kW的這個整流裝置，只有當電容增至法數(shù)量級時才可保證器件的正常開通。而實際上電路的電容在微法級才更合適。若阻容參數(shù)太大，由于電阻消耗有功功率，電容消耗無功功率，也會降低整個電路的效率及功率因數(shù)。方案二：在上下兩橋分別并聯(lián)一大電阻。當上橋兩只晶閘管開通后，可以和并聯(lián)的電阻構(gòu)成回路，進而產(chǎn)生電流以維持晶閘管的導通，直至下橋的兩只晶閘管也被觸發(fā)導通，4只晶閘管通過負載構(gòu)成正常回路。并聯(lián)電阻阻值大小應使回路中產(chǎn)生的電流大于維持電流。在實際試驗中采用了第二種方案，使整流裝置得以正常運行。

圖11 負載變化仿真模型

圖12 空載到滿載時負載側(cè)電壓波形圖

圖13 理想脈沖

圖14 非理想脈沖

6 結(jié)束語

本文在Matlab-Simulink環(huán)境下完成了負載功率為500 kW，帶控制回路的串聯(lián)12脈波整流電路仿真。并模擬部分電路中可能出現(xiàn)的非正常工況進行仿真，驗證了控制方法的有效性。實驗結(jié)果表明該控制方法簡單可行，經(jīng)控制電路后的整流電路輸出電壓滿足既定質(zhì)量指標。

[1]張文斌, 靳希. 12脈波整流電路MATLAB-Simulink仿真及諧波分析[J]. 華東電力, 2008，36(4).

[2]陳堅. 電力電子變換和控制技術[M]. 北京： 高等教育出版社，2002.

[3]黃俊, 王兆安. 電力電子變流技術[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社, 1992.

[4]仇慎謙. PID調(diào)節(jié)規(guī)律和過程控制[M]. 江蘇： 江蘇科學技術出版社, 1987.

[5]劉金錕. 先進PID控制MATLAB仿真[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社, 2007.