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0 引言

整流電路是電力電子技術(shù)中出現(xiàn)最早、原理相對(duì)簡(jiǎn)單的一種電路結(jié)構(gòu)，其作用是將交流電能變換為直流電能供給直流用電設(shè)備。三相橋式全控整流電路輸出直流電壓的脈動(dòng)小、易濾波且三相負(fù)載平衡，適用于整流負(fù)載容量較大或要求快速控制的場(chǎng)合，是目前應(yīng)用最為廣泛的整流電路[1-2]。為簡(jiǎn)化對(duì)三相整流電路的控制，同時(shí)提高電路的穩(wěn)定性，市場(chǎng)上出現(xiàn)了集成的三相觸發(fā)器模塊。本文涉及的集成移相觸發(fā)器內(nèi)部集三相電相位檢測(cè)電路、移相電路、控制電路和觸發(fā)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(qū)動(dòng)或電源模塊[3]，用0～5 V DC信號(hào)自動(dòng)控制或電位器手動(dòng)控制，可輸出3路或6路導(dǎo)通角可改變的可控硅強(qiáng)觸發(fā)脈沖，觸發(fā)可控硅，實(shí)現(xiàn)移相調(diào)壓。本文主要研究了集成移相觸發(fā)器SX-JKZE控制的三相橋式全控整流電路的閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為集成移相觸發(fā)器能夠更好地應(yīng)用于整流電路提供參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整流環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)

在對(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行閉環(huán)控制時(shí)，將整流橋與集成移相觸發(fā)看作一個(gè)環(huán)節(jié)。在應(yīng)用線性控制理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，首先要求出此環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。由于橋式整流與其移相觸發(fā)是非線性的，為了簡(jiǎn)化其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，往往在一定的工作范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行線性近似，這樣也可以得到很好的控制效果。對(duì)于感性比較小的負(fù)載或純電阻性負(fù)載，移相觸發(fā)器的輸入電壓Vc與整流橋的輸出平均電壓Ud的關(guān)系為可以概括為以下分段函數(shù)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(guān)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(guān)系。整流橋與移相觸發(fā)環(huán)節(jié)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(guān)系，用最小二乘法對(duì)曲線Ud=f(Vc)進(jìn)行線性擬合，可以得到整流橋與移相觸發(fā)環(huán)節(jié)的增益Ks=191。

圖1 移相觸發(fā)器輸入電壓與整流橋輸出電壓的關(guān)系

由晶閘管的特性可知，一旦移相觸發(fā)器發(fā)出脈沖使晶閘管導(dǎo)通，直至晶閘管關(guān)斷之前，晶閘管就一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，在此期間，移相觸發(fā)器輸入的電壓信號(hào)不再對(duì)晶閘管產(chǎn)生任何作用，直至晶閘管關(guān)斷后下一次發(fā)出脈沖控制其導(dǎo)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(fā)器的控制電壓，如圖2所示(圖中：α為移相觸發(fā)器觸發(fā)角)。于是，可以將整流橋與其移相觸發(fā)器看成一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間toc所引起的[4]。

圖2 整流輸出電壓與移相觸發(fā)器控制電壓波形關(guān)系

顯然，toc與Vc有著非常密切的關(guān)系，toc隨著Vc的變化而改變，最大失控時(shí)間tocmax為2個(gè)相鄰的自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，即與輸入的交流電源的頻率和整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)，最大失控時(shí)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(gè)周期整流橋輸出的直流電壓的脈波數(shù)。

失控時(shí)間一般可取toc=tocmax。用單位階躍函數(shù)ε(t-toc)表示整流橋?qū)σ葡嘤|發(fā)器輸入的滯后，則整流橋輸出Ud(t)與移相觸發(fā)器輸入Vc之間的關(guān)系為

Ud(t)=KsVcε(t-toc) 。

(4)

對(duì)式(4)進(jìn)行拉普拉斯變換，則整流橋與移相觸發(fā)器環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

(5)

對(duì)式(5)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，將其用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，可以得到

(6)

考慮到式(6)中toc比較小，可以忽略toc的高次項(xiàng)，則整流橋與移相觸發(fā)器環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)W(s)可以近似成一階慣性環(huán)節(jié)，其表達(dá)式為

(7)

式中：Ks為191；toc取最大失控時(shí)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(fā)輸入的關(guān)系框圖。

圖3 整流電路輸出與移相觸發(fā)輸入的關(guān)系

1.2 系統(tǒng)閉環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)

采用比例積分(PI)控制器的整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。整流橋輸出的電壓經(jīng)電感、電容濾波后由測(cè)量電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，與參考信號(hào)Vref1比較做差后輸出給PI控制器，誤差信號(hào)經(jīng)PI控制器運(yùn)算后輸入移相觸發(fā)器。PI控制器通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓信號(hào)的大小改變移相觸發(fā)器觸發(fā)角的大小，使調(diào)理信號(hào)后的反饋信號(hào)與參考信號(hào)相等，使輸出電壓穩(wěn)定。

圖4 三相橋式全控整流電路PI控制系統(tǒng)

由前面的敘述可知，三相交流電源、移相觸發(fā)、三相橋式全控整流以及濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可近似為W(s)。記信號(hào)調(diào)理電路的傳遞函數(shù)為H1(s)，記PI控制器的傳遞函數(shù)為Gc1(s)，則整個(gè)整流環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖5所示。

圖5 三相橋式全控整流電路控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

未加校正環(huán)節(jié)，即Gc1(s)=1時(shí)，控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)環(huán)路增益t1(s)為

(8)

由式(8)可得，未加PI校正環(huán)節(jié)的原始系統(tǒng)開(kāi)環(huán)環(huán)路增益Bode圖如圖6所示，系統(tǒng)的穿越頻率ωc1=372 rad/s，相位裕度為129°。

校正后系統(tǒng)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(tǒng)是穩(wěn)定的，但校正后的系統(tǒng)比原系統(tǒng)的穿越頻率高，因此響應(yīng)速度也較快[5-7]。

圖6 校正前、后整流控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)環(huán)路增益Bode圖

1.3 系統(tǒng)軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)

對(duì)整流電路進(jìn)行PI閉環(huán)控制時(shí)，啟動(dòng)時(shí)整流橋的濾波電容兩端輸出電壓為0，經(jīng)信號(hào)調(diào)理并與參考信號(hào)比較的反饋信號(hào)也為0，誤差信號(hào)為最大值。由于積分的作用，PI控制器輸出的電壓信號(hào)為最大飽和值，此最大飽和電壓信號(hào)輸至移相觸發(fā)器，使整流橋的導(dǎo)通角處于最大狀態(tài)，整流橋?qū)?huì)輸出最大的電壓，導(dǎo)致整流橋末端的濾波電容短路，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)損壞電路中的器件。為避免這種情況的發(fā)生，希望在開(kāi)始時(shí)濾波電容兩端的電壓緩慢上升，使其有一個(gè)預(yù)充電過(guò)程，預(yù)充電完成后系統(tǒng)再進(jìn)行閉環(huán)控制，使輸出電壓達(dá)到所期望的值。

由圖1可以看出，在允許的移相觸發(fā)器輸入電壓范圍(0～5 V)內(nèi)，整流橋的輸出電壓隨移相觸發(fā)器輸入電壓的增大而增大。因此，在整流電路的啟動(dòng)階段，給移相觸發(fā)器輸入一個(gè)由小緩慢增大的軟啟動(dòng)信號(hào)，軟啟動(dòng)完成后，再由PI控制器輸出的信號(hào)控制移相觸發(fā)器的輸入。在此過(guò)程中，因?yàn)檐泦?dòng)信號(hào)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(biāo)電壓值(500 V)后，PI控制器的輸出電壓信號(hào)會(huì)減小。所以，在整個(gè)控制過(guò)程中，只要軟啟動(dòng)信號(hào)的最終值對(duì)應(yīng)的整流橋的觸發(fā)角為最小值，移相觸發(fā)器的輸入取軟啟動(dòng)信號(hào)和PI控制器輸出信號(hào)中的較小者，當(dāng)軟啟動(dòng)信號(hào)與PI控制信號(hào)兩者相等時(shí)，完成由軟啟動(dòng)向閉環(huán)控制的切換，這樣既能完成軟啟動(dòng)，又能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，其控制原理如圖7所示。

圖7 帶軟啟動(dòng)的整流電路控制原理

2 測(cè)試結(jié)果及分析

圖8為整流電路軟啟動(dòng)控制信號(hào)的電壓波形，圖9為由運(yùn)算放大器構(gòu)成的整流電路PI控制器輸出電壓波形與移相觸發(fā)器的輸入電壓波形。

圖8 整流電路軟啟動(dòng)控制信號(hào)波形

圖9 整流電路PI控制器輸出波形與移相觸發(fā)器輸入波形

從圖8和圖9可以看出，在整流電路運(yùn)行的控制過(guò)程中，將PI控制器輸出的電壓信號(hào)與軟啟動(dòng)電路輸出的電壓信號(hào)相比較，取其中的較小者作為移相觸發(fā)器的輸入。發(fā)送整流指示后，開(kāi)始時(shí)由于信號(hào)調(diào)理后所反饋電壓信號(hào)為0，PI控制器輸出最大飽和值，隨著軟啟動(dòng)信號(hào)從0逐漸增大，當(dāng)輸出電壓超過(guò)一定值時(shí)，PI控制器的輸出信號(hào)減小，移相觸發(fā)器的輸入信號(hào)由軟啟動(dòng)信號(hào)控制，直到PI控制器的輸出信號(hào)小于軟啟動(dòng)信號(hào)，移相觸發(fā)器的輸入信號(hào)切換到由PI控制器的輸出信號(hào)控制，系統(tǒng)此后進(jìn)入閉環(huán)控制。從圖9可以看出，系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)控制狀態(tài)后，PI控制器輸出電壓基本恒定，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10是整流橋經(jīng)濾波后的輸出電壓波形，啟動(dòng)后，輸出電壓由0開(kāi)始緩慢上升，完成了電路的軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)完成后，切換到閉環(huán)控制，輸出電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出值為500 V。電路在整個(gè)工作過(guò)程中過(guò)沖很小，運(yùn)行平穩(wěn)，系統(tǒng)的電壓誤差很小，輸出的紋波也很小。

圖10 整流環(huán)節(jié)主電路輸出電壓波形

為了便于對(duì)比，圖11給出了用Simulink仿真帶軟啟動(dòng)與直接閉環(huán)控制時(shí)整流環(huán)節(jié)輸出的電壓波形。對(duì)比2個(gè)波形可以看出：帶有軟啟動(dòng)的控制方案消除了啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電壓沖擊，整流環(huán)節(jié)輸出的電壓從零開(kāi)始平緩地增大，電路進(jìn)入閉環(huán)控制后，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓穩(wěn)定為500 V，整個(gè)過(guò)渡過(guò)程也比較短暫，設(shè)計(jì)的PI控制參數(shù)合理；沒(méi)有軟啟動(dòng)直接閉環(huán)控制時(shí)，啟動(dòng)時(shí)的沖擊電壓達(dá)到額定電壓的2倍[8-9]。

圖11 整流環(huán)節(jié)Simulink仿真輸出電壓波形

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)集成移相觸發(fā)器的輸入與整流電路輸出間的函數(shù)關(guān)系，采用線性化的方法推導(dǎo)出了用于描述集成觸發(fā)器控制的三相整流電路動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù)，為閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。提出了一種軟啟動(dòng)控制策略，減少了系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的過(guò)沖，提高了系統(tǒng)啟動(dòng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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