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數(shù)碼發(fā)電機(jī)整流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)
引言
數(shù)碼發(fā)電機(jī)是近幾年中發(fā)展起來的一個(gè)新的發(fā)電機(jī)產(chǎn)品，它是一種便攜式發(fā)電機(jī)。中頻發(fā)電機(jī)體積小、重量輕，是與之相配套的理想的發(fā)電機(jī)。但是中頻發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電的頻率在400-760Hz 間變化，電壓在300-540V 間變化[1]，給整流器的設(shè)計(jì)帶來了一定的困難。傳統(tǒng)的整流方案大多針對定頻、定壓輸入，適應(yīng)的電壓頻率變化范圍都不大[2]。本文針對此情況設(shè)計(jì)了一種寬頻率、寬電壓的適用于數(shù)碼發(fā)電機(jī)的整流方案。
本系統(tǒng)采用前饋控制結(jié)合PID 控制的復(fù)合控制策略，在前級整流器中加入前饋控制可以有效的減少響應(yīng)時(shí)間及降低超調(diào)量。出于電壓穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)狀態(tài)的考慮，可在系統(tǒng)中加入油門控制。實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的整流器和中頻發(fā)電機(jī)配合良好，輸出工頻電壓達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
1 整流器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了得到穩(wěn)定的市電，中頻發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相電經(jīng)過三相半控橋整流后得到穩(wěn)定的直流電，經(jīng)電容濾波后再通過逆變得到我們所需要的市電[3]。由于中頻發(fā)電機(jī)所發(fā)的三相電為寬頻率、寬電壓的三相電，因此對前級整流電路的要求比較高。由于輸入三相電的頻率及電壓變化及其頻繁，如果采用文獻(xiàn)[1]中所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雖然也能得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，但是直流電壓趨于穩(wěn)定所用的時(shí)間相對較長并且系統(tǒng)的超調(diào)量也會比較大。經(jīng)過分析本文給出了如所示的數(shù)碼發(fā)電機(jī)的前級整流電路。
中在三相電輸入端加入電壓及頻率檢測構(gòu)成前饋控制，就能及時(shí)有效的檢查出電壓及頻率的變化，控制器便可在輸出電壓U 變化之前控制油門開度或者觸發(fā)角度的大小從而輸出更加穩(wěn)定的直流電壓。由于發(fā)電機(jī)所發(fā)出的三相電各相間的電壓、頻率相等，所以只檢查兩相間的電壓、頻率即可。通過電壓傳感器檢查U 的大小，然后通過PID 控制器將本系統(tǒng)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而更精確更迅速的控制輸出直流電壓。油門控制采用模糊控制策略，當(dāng)采用上述控制無法保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定時(shí)，可以通過油門控制來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出，進(jìn)而保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。油門控制是通過控制步進(jìn)電機(jī)[4]調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)油門的大小實(shí)現(xiàn)的。
采用定時(shí)方式進(jìn)行整流器的移相控制時(shí)，需要給控制器提供各晶閘管控制起始定時(shí)時(shí)刻的方波信號，這一方波的頻率應(yīng)與電源頻率相同，即應(yīng)與電源電壓同步。所以，一般將此方波信號稱為同步信號。三相同步信號電路要求獲取三組同步脈沖信號，分別對應(yīng)每一相的自然換相時(shí)刻，本文選用文獻(xiàn)[5]中所提到的同步電路。整流電路的輸出電壓不是純粹的直流，從示波器觀察整流電路的輸出，與直流相差很大，波形中含有較大的脈動成分，稱為紋波。為獲得比較理想的直流電壓，需要利用具有儲能作用的電抗性元件（如電容、電感）組成的濾波電路來濾除整流電路輸出電壓中的脈動成分以獲得直流電壓，根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]本文選用電容方式進(jìn)行濾波。
2 數(shù)學(xué)模型
本設(shè)計(jì)采用由晶閘管構(gòu)成的三相半控橋式模塊，忽略晶閘管壓降，設(shè)發(fā)電機(jī)的輸入電壓幅值為U ，觸發(fā)角度為α ，三相半控整流橋輸出的平均電壓為U ，則：
U =1.17U(1+ cosα )
以U 及α 作輸入變量，以d U 作輸出，在參考工作點(diǎn)附近進(jìn)行局部線性化處理，展開成泰勒級數(shù)并忽略高次項(xiàng)則得：
晶閘管整流裝置由觸發(fā)電路控制，在分析系統(tǒng)時(shí)把它們處理成一個(gè)環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)的輸入量是觸發(fā)電路的控制電壓Uct，輸出量是理想空載整流電壓d U 。如果把它們之間的放大系數(shù)s K 看成常數(shù)，則整個(gè)晶閘管觸發(fā)與整流裝置可以看成是一個(gè)具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)由晶閘管的失控時(shí)間決定[7]。
3 控制器設(shè)計(jì)
PID 控制是負(fù)反饋控制，在實(shí)際中，被控對象總是存在慣性，負(fù)反饋控制的輸出總是落后于參考信號的變化，當(dāng)我們要求系統(tǒng)的被控量迅速平穩(wěn)地跟隨參考信號變化，并準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)其變化規(guī)律時(shí)，將不能滿足要求，而在加有前饋控制器的復(fù)合控制中，前饋控制器就直接根據(jù)參考信號變化的大小和方向，加快對被控對象的控制，因此采用前饋—反饋復(fù)合控制器的兩者結(jié)合方式使得控制結(jié)果具有及時(shí)而又精確的特點(diǎn)。
3.1 前饋控制
對于所示的前饋—反饋控制系統(tǒng)，依據(jù)“全補(bǔ)償原理”，由參考文獻(xiàn)[8]可得出前饋補(bǔ)償函數(shù)：上式稱為對擾動引起的誤差進(jìn)行完全補(bǔ)償?shù)臈l件，或稱為對輸出實(shí)現(xiàn)不變性的條件�？梢钥闯�，要完全補(bǔ)償擾動對輸出的影響，對擾動量進(jìn)行測量，形成前饋控制通道是先決條件。
3.2 反饋控制
本文的 PID 算法采用PD 算法，其PD 環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。
3.3 油門控制
對于數(shù)碼發(fā)電機(jī)來說，當(dāng)負(fù)載由重載切換到輕載時(shí)，如果發(fā)電機(jī)的油門開度不減小的話，則會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓突然上升，這會對電容等器件造成很大壓力，因此需加入油門控制。并且加入油門控制還可以使系統(tǒng)始終運(yùn)行在最佳經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，從而節(jié)省油耗。
對于油門控制可以采用模糊控制策略，即當(dāng)整流輸出電壓遠(yuǎn)小于（遠(yuǎn)大于）給定電壓時(shí)，可以快速增大（減�。┯烷T開度， 使發(fā)電機(jī)輸出電壓快速增大；當(dāng)整流輸出電壓小于（大于）給定電壓不多時(shí)，可以較慢地增大（減�。┯烷T開度，使發(fā)電機(jī)輸出電壓較慢的增大。當(dāng)整流輸出電壓與給定電壓相接近時(shí)，可保持油門開度，由PID 控制器保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
利用本文所提出的整流控制策略研制出了一臺數(shù)碼發(fā)電機(jī)電源，數(shù)碼發(fā)電機(jī)的后級逆變環(huán)節(jié)采用開環(huán)控制策略，在三相中頻發(fā)電機(jī)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用了DSP 芯片TMS320LF2407A 作為主控制器，利用了它計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。1KVA 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如所示，電源的輸入為：300Hz，峰值430V。輸出直流244V(要求穩(wěn)壓值245V) 。電源的輸入為：500Hz，峰值630V。輸出直流247V(要求穩(wěn)壓值245) �？梢钥闯�，在頻率電壓大范圍變化下，輸出值與理想值偏差小于1%。
5 結(jié)論
本系統(tǒng)采用前饋控制結(jié)合PID 控制的策略，在前級整流器中加入前饋控制可以有效的減少響應(yīng)時(shí)間及降低超調(diào)量。而且本系統(tǒng)所采用的前饋控制可以減輕PID 控制的負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)的開環(huán)增益可以取得小一些，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在系統(tǒng)中加入油門控制不僅可以調(diào)節(jié)電壓輸出，還可以使系統(tǒng)始終運(yùn)行在最佳經(jīng)濟(jì)狀態(tài)節(jié)省油耗。實(shí)驗(yàn)證明，筆者所研制的數(shù)碼發(fā)電機(jī)工作穩(wěn)定可靠，滿足了用電設(shè)備的要求，不僅解決了寬壓寬頻數(shù)字觸發(fā)器的技術(shù)難題，而且所設(shè)計(jì)的電路簡單，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高，具有較高的工程應(yīng)用參考價(jià)值。
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