AC-DC電力變換裝置的設(shè)計

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2014屆畢業(yè)設(shè)計說明書1 概述1.1 研究背景及意義 AC/DC 電力變換裝置是利用電力電子器件將交流電變換為直流電的裝置，也稱為整流裝置。整流是電力電子技術(shù)中出現(xiàn)最早的一種，其形式多種多樣，各具特色。整流技術(shù)經(jīng)歷了交流電機-直流電機系統(tǒng)、汞弧整流器、可控硅整流系統(tǒng)等發(fā)展過程。整流裝置在這期間體積越來越小，效率越來載高。如今，AC/DC 電力變換技術(shù)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如冶金、化工、電源技術(shù)等。AC/DC變換是將交流變換為直流，AC/DC轉(zhuǎn)換器就是將交流電變?yōu)橹绷麟姷脑O(shè)備，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”。

2、AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的。為了提高 AC/DC 電力變換裝置的性能，以不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的各種需求，控制理論被廣泛應(yīng)用于整流技術(shù)中。AC/DC 電力變換裝置應(yīng)用廣泛。例如在船舶電力系統(tǒng)中，AC/DC 電力變換裝置將發(fā)電機產(chǎn)生的電能進行處理，將其產(chǎn)生的三相交流電變換為電壓大小可控的直流電能，再繼續(xù)分配到后續(xù)的負(fù)載中。為了使變換后的電能滿足后續(xù)負(fù)載的需要，AC/DC 電力變換裝置必須對輸出的直流電壓進行穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的控制。所以，AC/DC 電力變換裝置的控制技術(shù)對整個整流系統(tǒng)，甚至整個船舶電力系統(tǒng)的正常工作有重

3、大的意義。而控制技術(shù)反過來也促進了 AC/DC 電力變換技術(shù)，仍至整個電力電子技術(shù)的發(fā)展。由于人類生活水平及工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，電網(wǎng)中的用電設(shè)備日益增加，而不同的用電設(shè)備需要不同性質(zhì)的電能。電力電子技術(shù)就是將一種電力變換為另一種電力，以滿足不同負(fù)載的要求。電力變換依靠控制電力電子器件來實現(xiàn)，所以研究其控制技術(shù)有重要的實際意義。1.2 國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀1.2.1 電力電子技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標(biāo)志的。晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。 1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對電子流進行控制，并應(yīng)用于通信和

4、無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。20世紀(jì)30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，水銀整流器廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在晶閘管出現(xiàn)以后的相當(dāng)長一段時期內(nèi)，所使用的電路形式仍為是這些形式。 1947年，美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命。晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴大。電力

5、電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。 20世紀(jì)70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關(guān)斷。采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對于相位控制方式，可稱之

6、為斬波控制方式，簡稱斬控方式。在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點。與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。把驅(qū)動、控制、保護電路和電力電子器件集成在一起，構(gòu)成電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。 目前，電力電子集成技術(shù)的發(fā)展十分迅速，除以PIC為代表的單片集成技術(shù)外，電力電子集成發(fā)展的焦點是混合集成技術(shù)，即把不同的單個芯片集成封裝在一起。

7、除單片集成和混合集成外，系統(tǒng)集成也是電力電子集成的一個重要方面，特別是對于超大功率集成技術(shù)更是如此。隨著全控型電力電子器件的不斷進步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。1.2.2 電力電子技術(shù)發(fā)展動向 在人類文明和技術(shù)發(fā)展的整個歷史進程中，能源和動力發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。電能作為一種特殊形式的二次能源，具有清潔、便于傳輸和控制的特點，已經(jīng)成為現(xiàn)代主要的能量載體?，F(xiàn)代社會的各行各業(yè)都依賴于優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的電能供應(yīng)。但是公用電網(wǎng)提供的僅是頻率、電壓為某一固定值的電源。由于用電設(shè)備的類型、功能千差萬別

8、，雖然它們都用電工作，但對電能的電壓、頻率數(shù)值的要求卻大不相同。電力電子技術(shù)就是利用電力開關(guān)與相應(yīng)的控制技術(shù)，將一種頻率、電壓、波形的電能變換為另一種頻率、電壓、波形的電能，使用電設(shè)備處于各自理想的最佳工況，以獲得最大的技術(shù)經(jīng)濟效益，或滿足用電負(fù)載的特殊工況要求。電力電子技術(shù)產(chǎn)生于 20 世紀(jì)后半葉，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)、交通運輸、電力系統(tǒng)、家用電器等領(lǐng)域。以前電力電子技術(shù)的應(yīng)用偏重于中、大功率。目前，在1KW以下，甚至幾十萬以下的功率范圍內(nèi)，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。這已經(jīng)成為一個重要的發(fā)展驅(qū)使，值得引起人們的注意。電力電子裝置特供給負(fù)載的是各種不同直流電源、恒頻交

9、流電源以及變頻交流電源，因此也可以說，電力電子技術(shù)研究就是電源技術(shù)。此外，電力電子技術(shù)對節(jié)省電能也有重要的意義。特別在大型風(fēng)機、水泵采用變頻調(diào)速方面，在使用量十分龐大的照明電源等方面，電力電子技術(shù)的節(jié)能效果十分顯著，因此電力電子技術(shù)也可以稱為技能技術(shù)?？傊娏﹄娮蛹夹g(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。從人類對宇宙和大自然的探索，到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，再到我們的衣食住行，到處都能感受到電力電子技術(shù)的存在和巨大魅力。這也激發(fā)了一代又一代的學(xué)者和工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)、研究電力電子技術(shù)并使其飛速發(fā)展。1.2.3 AC/DC電力變換裝置現(xiàn)狀目前，AC/DC 電力變換技術(shù)根據(jù)電力電子器件和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，基本上可以分

10、為二極管整流電路、晶閘管整流電路、斬控整流電路與 PWM 整流電路四種。這四種整流電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示。 二極管整流 晶閘管整流 斬波整流 PWM整流 圖1.1 AC/DC 電力變換技術(shù)的基本類型 二極管整流電路采用二極管作為開關(guān)器件，由于其不可控性，很少單獨使用。斬控整流電路是二極管整流與直流斬波技術(shù)的結(jié)合，由于其可靠性差，成本高，目前只應(yīng)用于小功率場合，大功率的應(yīng)用十分有限。PWM 整流電路采用 IGBT 等全控型器件作為電路的開關(guān)器件，其優(yōu)點是功率因數(shù)高，引入的電流諧波含量低，被公認(rèn)為是最有前途的一種整流技術(shù)，其控制技術(shù)是當(dāng)今各國學(xué)者研究的熱點，在中小功率領(lǐng)域已顯現(xiàn)出其優(yōu)

11、良的性能。但由于其復(fù)雜性與不成熟性，PWM 整流電路目前在大功率場合還很少應(yīng)用。 晶閘管整流電路由于其可靠性高、效率高、控制方便、價格便宜，是目前使用最廣泛的一種整流技術(shù)。特別是在大功率領(lǐng)域中，晶閘管整流技術(shù)已成為高性價比的最佳方案。晶閘管整流電路的缺點是其引入的電流諧波較大，在深控條件下，功率因數(shù)較低。為提高系統(tǒng)性能，往往需要在網(wǎng)側(cè)安裝濾波裝置與無功補償裝置。在大功率場合，常應(yīng)用帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路和多重化整流電路。其中，多重化整流電路是指按一定的規(guī)律將兩個或多個相同結(jié)構(gòu)的整流電路（如三相橋）進行組合。例如目前廣泛使用的十二脈波整流電路，二十四脈波整流電路等。根據(jù)具體的應(yīng)用需求

12、，可以靈活選擇并聯(lián)結(jié)構(gòu)或串聯(lián)結(jié)構(gòu)來得到大電流或大電壓。 在 AC/DC 電力變換裝置的控制方面，大部分采用 PI 或 PID 的控制策略。隨著負(fù)載對系統(tǒng)要求的提高，智能控制、變結(jié)構(gòu)控制等許多先進的控制理論被引入到 AC/DC 電力變換裝置中。例如采用模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制方法對三相整流器進行控制；采用單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 的控制方法來增強大功率整流電源的魯棒性；將模糊控制引入到 PWM 整流系統(tǒng)中。在船舶電力系統(tǒng)中，負(fù)載種類繁多且工況變化復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常隨時間變化，這必然會影響 AC/DC 電力變換裝置的控制性能。所以將先進控制理論引入 AC/DC 電力變換控制系統(tǒng)，制定合理的控制策略來克

13、服參數(shù)變化引起的系統(tǒng)干擾，有一定的實際意義。電力變換控制觸發(fā)電路作為控制策略實現(xiàn)的載體，是整個系統(tǒng)的核心。由于電子信息技術(shù)及微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，控制電路已經(jīng)從分立元件電路發(fā)展為集成元件電路，從模擬電路發(fā)展為數(shù)字電路。目前，有許多專用集成芯片被廣泛采用，例如晶閘管觸發(fā)控制專用的 KJ004 與 TCA785。使用專用集成芯片不僅簡化了電路設(shè)計，還增強了電路的可靠性。但是，專用集成芯片的缺點是控制精度低、觸發(fā)脈沖不對稱度高、靈活性較差。所以，以單片機、DSP 為代表的微控制器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制電路正在逐步取代分立元件電路與專用集成芯片電路。采用微控制器的控制電路控制精度高、靈活性強。由于現(xiàn)代生產(chǎn)對

14、系統(tǒng)控制性能的要求日益提高，促使以微控制器為核心的控制電路的設(shè)計引起了許多學(xué)者的關(guān)注。1.2.4 本課題研究的主要內(nèi)容 一、AC/DC電力變換裝置原理分析。對十二脈波整流電路的工作原理進行了分析，并對 AC/DC電力變換控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行了數(shù)學(xué)建模分析。 二、AC/DC電力變換裝置控制策略設(shè)計。在AC/DC電力變換裝置的濾波參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合開環(huán)分析設(shè)計合理的控制策略，并在MATLAB/Simulink 環(huán)境下對所設(shè)計的控制算法進行仿真研究。 三、AC/DC電力變換裝置硬件設(shè)計。基于TMS320F2812 進行AC/DC 電力變換裝置的控制電路設(shè)計。2電力變換裝置以及工作原理2.1整流

15、電路類型 電力網(wǎng)供給用戶的是交流電，而各種無線電裝置需要用直流電。整流，就是把交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程。利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?，可以把方向和大小交變的電流變換為直流電。2.11半波整流電路 圖2.1半波整流電路圖上圖是一種最簡單的整流電路。它由電源變壓器B 、整流二極管D 和負(fù)載電阻Rfz組成。變壓器把市電電壓（多為220伏）變換為所需要的交變電壓e2 ，D 再把交流電變換為脈動直流電。下面從波形圖上看著二極管是怎樣整流的。圖2.2半坡整流電路波形圖變壓器砍級電壓e2，是一個方向和大小都隨時間變化的正弦波電壓，它的波形如圖5-2（a）所示。在0K時間內(nèi)，e2為正半周即變壓器上端為正下端為負(fù)。

16、此時二極管承受正向電壓面導(dǎo)通，e2通過它加在負(fù)載電阻Rfz上，在2 時間內(nèi)，e2為負(fù)半周，變壓器次級下端為正，上端為負(fù)。這時D 承受反向電壓，不導(dǎo)通,Rfz上無電壓.在2 時間內(nèi),重復(fù)0時間的過程，而在34時間內(nèi)，又重復(fù)2 時間的過程。這樣反復(fù)下去，交流電的負(fù)半周就被"削"掉了，只有正半周通過Rfz，在Rfz上獲得了一個單一右向（上正下負(fù)）的電壓，如圖5-2（b）所示，達(dá)到了整流的目的。但是，負(fù)載電壓Usc以及負(fù)載電流的大小還隨時間而變化，因此，通常稱它為脈動直流。2.22全波整流電路如果把整流電路的結(jié)構(gòu)作一些調(diào)整，可得到一種能充分利用電能的全波整流電路。下圖是全波整流電路

17、的電原理圖。 圖2.3 全波整流電路圖 全波整流電路，可以看作是由兩個半波整流電路組合成的。變壓器次級線圈中間需要引出一個抽頭，把次組線圈分成兩個對稱的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個電壓e2a、e2b，構(gòu)成e2a、D1、Rfz與e2b、D2、Rfz，兩個通電回路。 圖2.4 全波整流電路波形圖 全波整流電路的工作原理，可用圖2.4所示的波形圖說明。在0間內(nèi)，在e2a對Dl為正向電壓,D1導(dǎo)通,在Rfz上得到上正下負(fù)的電壓；e2b對D2 為反向電壓，D2不導(dǎo)通（見圖在-2時間內(nèi)，e2b對D2為正向電壓，D2導(dǎo)通，在Rfz上得到的仍然是上正下負(fù)的電壓；e2adui D1為反向電壓,D1不導(dǎo)

18、通（見下圖如此反復(fù)，由于兩個整流元件D1、D2 輪流導(dǎo)電，結(jié)果負(fù)載電阻Rfz上在正、負(fù)兩個半周作用期間，都有同一方向的電流通過，如圖所示的那樣，因此稱為全波整流，全波整流不僅利用了正半周，而且還巧妙地利用了負(fù)半周，從而大大地提高了整流效率（Usc 0.9e2，比半波整流時大一倍）。2.23橋式整流電路橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成"橋"式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點，而同時在一定程度上克服了它的缺點。 圖2.5 橋式整流電路圖 橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周時，對D1、D3和方向電壓，D1，D3導(dǎo)通；對D2、D4 加反

19、向電壓，D2、D4 截止。電路中構(gòu)成e2 、Dl、Rfz 、D3通電回路。在Rfz上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓，e2為負(fù)半周時,對D2、D4 加正向電壓，D2、D4 導(dǎo)通；對D1、D3 加反向電壓，D1、D3 截止。電路中構(gòu)成e2、D2 Rfz、D4 通電回路，同樣在Rfz上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。上述工作狀態(tài)分別如圖2.5所示。 如此重復(fù)下去，結(jié)果在Rfz,上便得到全波整流電壓.其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖2.5中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值,比全波整洗電路小一半。 2.2整流電路的原理 整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓

20、較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓。習(xí)慣上稱單向脈動性直流電壓。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調(diào)速、發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。

21、電源電路中的整流電路主要有半波整流電路、全波整流電路和橋式整流三種，倍壓整流電路用于其它交流信號的整流，例如用于發(fā)光二極管電平指示器電路中，對音頻信號進行整流。前三種整流電路輸出的單向脈動性直流電特性有所不同，半波整流電路輸出的電壓只有半周，所以這種單向脈動性直流電主要成分仍然是50Hz的；因為輸入交流市電的頻率是50Hz，半波整流電路去掉了交流電的半周，沒有改變單向脈動性直流電中交流成分的頻率；全波和橋式整流電路相同，用到了輸入交流電壓的正、負(fù)半周，使頻率擴大一倍為100Hz，所以這種單向脈動性直流電的交流成分主要成分是100Hz的，這是因為整流電路將輸入交流電壓的一個半周轉(zhuǎn)換了極性，使輸出

22、的直流脈動性電壓的頻率比輸入交流電壓提高了一倍，這一頻率的提高有利于濾波電路的濾波。在電源電路的三種整流電路中，只有全波整流電路要求電源變壓器的次級線圈設(shè)有中心抽頭，其他兩種電路對電源變壓器沒有抽頭要求。另外，半波整流電路中只用一只二極管，全波整流電路中要用兩只二極管，而橋式整流電路中則要用四只二極管。根據(jù)上述兩個特點，可以方便地分辨出三種整流電路的類型，但要注意以電源變壓器有無抽頭來分辨三種整流電路比較準(zhǔn)確。在半波整流電路中，當(dāng)整流二極管截止時，交流電壓峰值全部加到二極管兩端。對于全波整流電路而言也是這樣，當(dāng)一只二極管導(dǎo)通時，另一只二極管截止，承受全部交流峰值電壓。所以對這兩種整流電路，要求

23、電路的整流二極管其承受反向峰值電壓的能力較高；對于橋式整流電路而言，兩只二極管導(dǎo)通，另兩只二極管截止，它們串聯(lián)起來承受反向峰值電壓，在每只二極管兩端只有反向峰值電壓的一半，所以對這一電路中整流二極管承受反向峰值電壓的能力要求較低。在全波和橋式整流電路中，都將輸入交流電壓的負(fù)半周轉(zhuǎn)到正半周或?qū)⒄胫苻D(zhuǎn)到負(fù)半周，這一點與半波整流電路不同，在半波整流電路中，將輸入交流電壓一個半周切除。 分析上述整流電路時，主要用二極管的單向?qū)щ娞匦?，整流二極管的導(dǎo)通電壓由輸入交流電壓提供。 2.3十二脈波整流電路 整流電路的移相多重聯(lián)結(jié)分為并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)和串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)。這兩種聯(lián)結(jié)方式帶來的效果是相同的，下面只討論串聯(lián)

24、多重聯(lián)結(jié)的整流電路，其構(gòu)成方式見表1。 直流側(cè)脈波數(shù)交流側(cè)移相角聯(lián)結(jié)重數(shù) 12 30°二重18 20°三重 24 15° 四重 30 12°五重 36 10°六重表2.1 串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的構(gòu)成 十二脈波整流電路如圖2.1所示，該電路由2個三相整流橋串聯(lián)組成，用晶閘管作為電力開關(guān)器件。變壓器一次側(cè)的輸入為三相交流電源，分別通過 Y-Y 連接方式與Y-連接方式，使二次側(cè)輸出六相交流電源。其主電路的開關(guān)器件為晶閘管，變壓器二次側(cè)由兩個繞組構(gòu)成，繞組采用 Y 形接法，繞組采用形接法，從而使繞組的相電壓滯后于繞組的相電壓30°，使得直流側(cè)輸出電壓

25、Ud在每個電源周期內(nèi)脈動 12 次，故稱為 12 脈波整流電路。 圖2.6 12脈波串聯(lián)整流電路原理圖12 脈波整流電路的主要組成部分有：三相交流電源、三相三繞組變壓器、主電路（兩個三相全控晶閘管整流橋、負(fù)載）、控制電路（同步脈沖發(fā)生器）。十二脈波整流電路的特點如下：（1）Y-Y 連接方式的一、二次側(cè)的匝數(shù)比為1:1，而 Y-連接方式的一、二次側(cè)的匝數(shù)比為1：3；使得變壓器輸出的六相交流電源線電壓有效值大小相等。即線電壓a1c1、c1b1、b1a1、a2c2、c2b2和b2a2有效值大小相等。（2）Y-Y 連接方式的三相輸出線電壓比 Y-連接方式的超前30°。即 a1c1、c1b1和

26、b1a1分別比a2c2、c2b2和b2a2在相位上超前30°。（3） 上橋的共陰極與下橋的共陽極相連接，形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。兩組三相整流橋工作時互不干擾，且工作原理相同。2.4 AC/DC 電力變換裝置的工作原理十二脈波整流電路通過控制晶閘管的導(dǎo)通來實現(xiàn) AC/DC 電力變換，所以晶閘管導(dǎo)通時刻的不同會直接影響輸出給負(fù)載的直流電壓值。十二脈波整流電路的晶閘管控制遵循以下的規(guī)律：（1） 在任意時刻，上橋共陽極組的晶閘管、上橋共陰極組的晶閘管、下橋共陽極組的晶閘管與下橋共陰極組的晶閘管，各有一個處于導(dǎo)通狀態(tài)，其余的晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，以形成向負(fù)載供電的電流回路。變壓器二次側(cè)輸出的六相交流相電壓

27、，有四相向負(fù)載供電。在十二脈波整流電路正常工作的任意時刻，不同時刻導(dǎo)通的晶閘管不同，參與供電的交流電源不同。并且輸出給負(fù)載的直流電壓等于上下兩橋輸入的交流線電壓之和。（2）12 個晶閘管的導(dǎo)通順序為： VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-VT7-VT8-VT9-VT10-VT11-VT12。通過在門極與陰極間施加觸發(fā)脈沖信號，使晶閘管由關(guān)斷狀態(tài)進入導(dǎo)通狀態(tài)。電路在穩(wěn)態(tài)工作時，觸發(fā)脈沖必須滿足以下的相位關(guān)系：共陽極組或共陰極組的晶閘管，在一個交流電源周期中，每一個晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)持續(xù)的時間為120°。（3） 任意一個晶閘管從自然換相點開始到施加觸發(fā)脈沖的這段時間，被稱為控制角

28、，一般用角度表示。晶閘管的導(dǎo)通情況如表2.2所示。表2.2 控制角為 0 度時晶閘管的導(dǎo)通情況 （4）輸出直流電壓在一個電源周期有12個時段，每一個時段持續(xù)的時間為 30 度。負(fù)載電壓波形每進入一個新的時段，就要有觸發(fā)脈沖產(chǎn)生，使電路產(chǎn)生一次換相。每個晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)期間會經(jīng)歷3次換相，在整流合閘啟動過程或電流斷續(xù)時，為確保電路的正常工作，需保證同時導(dǎo)通的4個晶閘管均有觸發(fā)脈沖，即在某一晶閘管第一次被觸發(fā)的同時，還需對其序號前面的3個晶閘管分別施加觸發(fā)脈沖。為此，可采用兩種方法：一種是采用四窄脈沖觸發(fā)，相鄰脈沖的前沿相差30°；另一種方法是采用大于120°的寬脈沖觸發(fā)。 （

29、5）改變晶閘管的觸發(fā)時刻，即改變控制角，輸出直流電壓的大小與脈動幅度也隨著變化?？刂平窃酱螅敵龅闹绷麟妷浩骄翟叫?，直流脈動系數(shù)越大?？梢姡{(diào)節(jié)控制角就可以控制輸出直流電壓的大小。 在設(shè)計十二脈波整流電路的控制系統(tǒng)時，控制器的任務(wù)就是根據(jù)系統(tǒng)給定與輸出反饋信息，自動調(diào)節(jié)控制角的大小，使系統(tǒng)輸出給負(fù)載的直流電壓符合給定要求，并按照負(fù)載要求隨時調(diào)節(jié)。2.5 十二脈波整流電路的控制系統(tǒng)建模在十二脈波整流電路控制系統(tǒng)中，被控對象為十二脈波整流電路。由于十二脈波整流電路的輸出是直流電壓，并且通過控制角來調(diào)節(jié)輸出，所以負(fù)載的電壓就是系統(tǒng)的控制量，控制角的大小就是控制器的輸出，用表示。因此，十二脈波整流控

30、制系統(tǒng)可以設(shè)計為如圖 2.7 所示的形式。圖2.7 十二脈波整流電路控制系統(tǒng)框圖在該控制系統(tǒng)中，將輸出給負(fù)載的直流電壓作為反饋量與給定電壓作比較，其差值作為控制器的輸入，控制器根據(jù)給定電壓與反饋電壓的偏差，調(diào)節(jié)控制角的大小，使偏差逐漸減小，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。由圖2.7的控制系統(tǒng)圖可知，整個系統(tǒng)由多個環(huán)節(jié)組成，分別是電力變換環(huán)節(jié)、控制調(diào)制環(huán)節(jié)與濾波器環(huán)節(jié)等。下面就分別對各個環(huán)節(jié)進行分析。2.51電力變換環(huán)節(jié)十二脈波整流電路可以實現(xiàn) AC/DC 電力變換。電路輸出的直流電壓大小與控制角和輸入的交流電壓大小有關(guān)。根據(jù)圖2.7，輸出給負(fù)載的電壓就是四個交流相電壓相加后的結(jié)果，控制角決定了由交流電壓

31、的哪個部分進行相加。并且工作在連續(xù)方式下的十二脈波整流電路在交流電源周期 T 內(nèi)有12段相同部分的輸出電壓波形。因此在時間 T/12 內(nèi)簡單求取輸出電壓的平均值就可以得到平均輸出電壓。 2.52 控制調(diào)制環(huán)節(jié)控制調(diào)制環(huán)節(jié)由控制器與調(diào)制器組成?？刂破鞲鶕?jù)給定信號與反饋信號的差值，利用相應(yīng)的控制策略計算出輸出的控制電壓。由于控制角與輸出直流電壓呈反比例的關(guān)系，為了使控制電壓與輸出直流電壓呈正比例關(guān)系，以便于控制，還需要調(diào)制環(huán)節(jié)將控制電壓轉(zhuǎn)換為控制角，并輸入到十二脈波整流電路中。調(diào)制環(huán)節(jié)的原理圖如圖2.8所示。圖2.8 調(diào)制環(huán)節(jié)原理圖 在圖2.8中，r(t)為調(diào)制信號。該信號為周期性的直角三角波信號

32、。三角波的周期與交流電源的周期相同；三角波的寬度一般設(shè)置為控制角的移相范圍大?。欢遣ǖ母叨扰c控制電壓的最大值相同?？刂齐妷号c三角調(diào)制波的交點就是觸發(fā)脈沖的起始點。這樣，每一個控制電壓值就有一個控制角與之對應(yīng)。2.53 濾波環(huán)節(jié)在信息電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。同樣的，在電力電子電路中，為了使負(fù)載正常工作，有時對直流電源的要求也比較高。常用的直流電源的特性指標(biāo)包括：最大輸出電壓、最大輸出電流、輸出電壓范圍。而質(zhì)量指標(biāo)包括：穩(wěn)壓系數(shù)、溫度系數(shù)、紋波系數(shù)等。其中紋波系數(shù)是指直流電壓波峰波谷的差值與平均電壓之比，是最主要的質(zhì)量指標(biāo)。紋波系數(shù)越小，輸出電壓越穩(wěn)定。 而在十二脈波整流

33、電路中，輸出的直流電壓在每個電源周期有十二次波動，并且控制角越大，紋波系數(shù)越大，直流電源的質(zhì)量也就越差。為了提高系統(tǒng)輸出的直流電能質(zhì)量，有必要對系統(tǒng)的輸出進行濾波處理。根據(jù)濾波要求及應(yīng)用場合的不同，可將濾波電路分為感性輸入直流濾波電路和容性輸入直流濾波電路。容性輸入直流濾波電路如圖2.10所示，該電路等效于與負(fù)載并聯(lián)的一個電容。 圖2.10 容性輸入直流濾波電路容性直流濾波電路能夠濾除電壓紋波，提供非常有效的工作性能，但它們需要額外的開通和重復(fù)峰值電流。因此，容性直流濾波電路只能應(yīng)用在功率小的場合。感性直流濾波電路能夠濾除直流電流的紋波。在大功率應(yīng)用場合，更多的使用感性。直流濾波電路。因為直流

34、電流脈動系數(shù)的減小，能獲得更有效的變壓器運行性能。圖2.11所示結(jié)構(gòu)為最簡單的感性輸入直流濾波電路，其等效于與負(fù)載串聯(lián)的電感。當(dāng)電感足夠大時，整流電路的輸出電流就可以維持一個穩(wěn)定的數(shù)值。在重載的情況下，感性濾波電路的作用要比在輕載情況下更加有效。 圖2.11 感性輸入直流濾波電路 在十二脈波整流電路系統(tǒng)中，由于其大功率、高電壓，宜采用容性濾波電路與感性濾波電路的結(jié)合，即L型濾波電路，也稱為LC濾波電路。2.54 穩(wěn)壓電路 經(jīng)整流和濾波后的輸出電壓往往會隨交流電源電壓的波動和負(fù)載的變化而變化，而輸出電壓的不穩(wěn)定可能會引起電子線路系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至根本無法正常工作。精密電子測量儀器、自動控制、計

35、算裝置及晶閘管的觸發(fā)電路等都是要求直流電源具有很高的穩(wěn)定性。因此，在濾波電路之后，往往需要增加穩(wěn)壓電路。 采用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路是最簡單的直流穩(wěn)壓電路，如同2.13中，穩(wěn)壓電路由限流電阻R和穩(wěn)壓管DZ構(gòu)成。當(dāng)電源電壓出現(xiàn)波動或負(fù)載（電流）變化時，該穩(wěn)壓電路能自動維持負(fù)載電壓Uo的基本穩(wěn)定。圖2.13 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路3 AC/DC 電力變換裝置控制策略研究3.1 控制系統(tǒng)性能指標(biāo) 控制策略的參數(shù)設(shè)計要根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)來進行，下面列出 AC/DC 電力變換系統(tǒng)直流側(cè)的部分性能指標(biāo)： 輸出電壓范圍：800V1000V 可調(diào)。 電壓調(diào)節(jié)（空載-滿載）：+/-1%。 電壓暫態(tài)波動范圍：+/-15%。 暫態(tài)

36、電壓恢復(fù)時間：0.1s。3.2 濾波電路參數(shù)設(shè)計 由于控制系統(tǒng)輸出直流電壓的范圍是 800V1000V，對濾波器的要求就是在這段電壓輸出范圍內(nèi)，濾波后的輸出電壓均能滿足負(fù)載要求。所以濾波電路參數(shù)的選取是實現(xiàn)這一性能指標(biāo)的關(guān)鍵。在十二脈波整流電路控制系統(tǒng)中，如果要求輸出電壓范圍在 8001000V 時，輸出給負(fù)載的電壓紋波系數(shù)為2%，可按以下步驟計算來得到合適的電容值和電感值。設(shè)置輸出電壓為1000V時，系統(tǒng)性能指標(biāo)規(guī)定濾波后輸出電壓脈動幅值V=1000×2%= 20V。圖3.1表示濾波前的1000V電壓波形。圖 3.1 輸出平均值為 1000V 時，濾波前的輸出電壓波形 根據(jù)以上仿真

37、結(jié)果，當(dāng)電感選取為L f=3mH時，所需要的電容值較小，而且電壓脈動幅值也符合指標(biāo)。電感選定為該值后，在此基礎(chǔ)上，選取較大的電容值。綜合以上因素，選取Lf = 3mH，Cf = 600F 作為濾波電感和電容，組成LC濾波器。通過MATLAB仿真，得到以該參數(shù)為基礎(chǔ)的濾波電路的濾波效果由圖3.2 所示。圖 3.2 不同輸出時的濾波效果3.3 控制系統(tǒng)PID控制研究 PID 控制由于易于實現(xiàn)、調(diào)試方便、性能良好，是目前使用最廣泛的一種控制策略。PID 控制通過誤差、誤差的變化率與誤差積累的線性組合，輸出控制量給控制對象。如果三者的權(quán)重調(diào)整適當(dāng)，即 PID 參數(shù)合理，可以使控制系統(tǒng)既有較好的動態(tài)性能

38、，也有較小的穩(wěn)態(tài)誤差。將PID控制器應(yīng)用于十二脈波整流電路控制系統(tǒng)中，來研究控制系統(tǒng)的控制性能。3.3.1 PID 控制系統(tǒng) Simulink 模型 在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下，搭建十二脈波整流電路控制系統(tǒng)如圖3.3所示。圖3.3 PID 控制系統(tǒng) Simulink 仿真圖 其中整流電路的輸出電壓通過電壓表的測量，輸入到控制電路中；控制電路的輸出量是控制角，輸出到十二脈波同步觸發(fā)器中，實現(xiàn)對控制角變量的控制?？刂齐娐返慕Y(jié)構(gòu)如圖3.4所示。圖3.4 控制電路 Simulink 仿真圖其中的階躍信號作為控制系統(tǒng)的給定信號。輸入量經(jīng)過均值計算后，與給定信號進行比較，并將差值信號輸入到

39、 PID 控制器中。PID 控制器輸出控制電壓，經(jīng)過調(diào)制環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換成控制角。PID 控制器的Simulink 模型如圖3.5所示。其中kp、ki、kd為控制器的P、 I、D參數(shù)。要達(dá)到良好的效果，必須選擇合理的參數(shù)。 圖3.5 PID 控制器 Simulink 仿真圖3.3.2 PID 控制系統(tǒng)仿真曲線在以上所述仿真模型的基礎(chǔ)上，設(shè)置控制參數(shù)，運行仿真程序，得到控制系統(tǒng)的各個仿真曲線。假設(shè)負(fù)載電阻大小為Ro = 2.5，當(dāng)P0.22，I=15，D0.001，給定電壓為 1000V時，控制系統(tǒng)的輸出如圖3.6所示?？梢姡诮?jīng)過PID校正后，控制系統(tǒng)的輸出無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間為0.4s滿足指標(biāo)的要求。圖

40、3.6 負(fù)載電阻 Ro = 2.5 ，PID 控制輸出電壓波形 根據(jù)上述，負(fù)載的阻值不斷增大時，也要修改PID參數(shù)才能使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，而新的控制參數(shù)對原先的負(fù)載阻值又不太合適。因此，為了滿足條件，負(fù)載的電阻每變化一次，就要修改一次控制參數(shù)。 對用的不同的負(fù)載，需要不同的PID參數(shù)才能滿足條件，才能獲得理想的控制效果。但這種情況對于這對大工作量控制系統(tǒng)來說，實現(xiàn)起來非常不方便。為了使AC/DC 電力變換裝置滿足穩(wěn)定工作并有良好的動態(tài)性能，就必須要隨時調(diào)節(jié)控制器的PID參數(shù)，才能滿足控制的需要。所以傳統(tǒng)的PID控制器已不能滿足系統(tǒng)控制的要求，必須尋求更先進的控制策略，來克服負(fù)載變化所帶來的影

41、響。3.4 控制系統(tǒng)模糊控制研究模糊控制技術(shù)室以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)，以先驗知識和專家經(jīng)驗為控制規(guī)則的只能控制方法，它無需知道系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，只需要現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗和操作數(shù)據(jù)。模糊算法對于時滯系統(tǒng)比較適用，它是處理時滯系統(tǒng)中難以定量化環(huán)節(jié)和不確定性的有效手段。PID控制是一種無靜差的控制算法，將模糊控制技術(shù)和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，能夠有效地解決模糊控制存在與靜態(tài)誤差的缺陷。目前應(yīng)用較為廣泛的是模糊控制與PID控制的串聯(lián)或者模糊控制與PID控制相并聯(lián)。3.4.1 模糊控制理論概述在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱

42、PID調(diào)節(jié)。當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。直到現(xiàn)在為止，PID控制得到極其廣泛的應(yīng)用，概括起來，該算法具有如下優(yōu)點：原理簡單，使用方便。PID控制是由P、I、D三個環(huán)節(jié)組合而成，其基本組成原理比較簡單，很容易理解它，參數(shù)的物理意義也比較明確。適應(yīng)性強?？梢詮V泛的應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油、造紙、建材等各種生產(chǎn)場合。按PID控制進行工作的自動調(diào)節(jié)器早已商品化，在具體實現(xiàn)上經(jīng)歷了機械式、液動式、氣動式、電子式等發(fā)展

43、階段，但始終沒有脫離PID控制的范疇。即使目前最先進的過程控制系統(tǒng)，其基本控制算法也仍然是PID控制。比例控制Kp,比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。比例控制是為了及時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢變化。當(dāng)系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的對象朝著減小誤差的方向變化。比例系數(shù)Kp的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但過大將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；如果Kp取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)動、靜態(tài)特性變壞

44、。因此，比例調(diào)節(jié)常與無差的積分調(diào)節(jié)或增加阻尼的微分調(diào)節(jié)共同作用。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。能對誤差進行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)靜差。KI為了保證被控量在穩(wěn)態(tài)時設(shè)定值的無靜差跟蹤。只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷增加。只有在偏差e（t）=0時，積分值變成常數(shù)，控制輸出才是一個常數(shù)。因而，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。積分時間常數(shù)對積分部分的作用影響極大。當(dāng)Ti較大時，則積分作用較弱，這時，系統(tǒng)的過渡過程不易產(chǎn)生振蕩，但是消除偏差所需要的時間較長；當(dāng)Ti較小時，則積分作用較強，這時系統(tǒng)過渡過程中油可能會產(chǎn)生振蕩，但消除偏差所需要的時間較短。對一個自動控制系

45、統(tǒng)，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器的參數(shù)整定步驟如下：（1）首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； （2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；

46、（3）在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。3.4.2 PID控制算法隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，由計算機實現(xiàn)的數(shù)字PID控制器正在逐步取代模擬PID控制器。（1）數(shù)字PID位置型控制算法是為了用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，便于計算機實現(xiàn)，為此將積分式和微分式近似用求和及增量式表示： （3-2） （3-3）得到數(shù)字的PID表達(dá)式: （3-4） 式中，=T為采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度；E（k）為第k次采樣時的偏差值；E（k-1)為第k-1次采樣時的偏差值；k為采樣序號，k=0,1,2,;P(k)為第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。由于式（3-4）的輸出值

47、與閥門開度的位置一一對應(yīng)，因此，通常把式（3-4）稱為位置型PID算式。 由式（3-4）可以看出，要先計算P（k），不僅需要本次與上次的偏差信號E（k）和E（k-1），而且還要在積分項中把歷次的偏差信號E（j）進行相加。這樣，不僅計算繁瑣，而且為了保存E（j）還要占用很多內(nèi)存。因此用式（3-4）直接進行控制很不方便。為此，做如下改動16。 根據(jù)遞推原理，可寫出第k-1次的PID輸出表達(dá)式 （3-5）用（3-4）減去（3-5）可得 (3-6)式中，為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。由（3-6）可知，要計算第k次輸出值P(k)，只需要知道P(k-1)，E(k)，E(k-1)，E(k-2)即可，比用式（3-4

48、）計算要簡單的多。 （2）在很多控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機構(gòu)是采用步進電機或多圈電位器盡心控制的，所以，只要給一個增量信號即可。因此，由式（3-4）和（3-5）相減得到: P(k)=P(k)-P(k-1)=KpE(k)-E(k-1)+KIE(k)+KDE(k)-2E(k-1)+E(k-2) （3-7）3.5 模糊控制所謂模糊控制,就是在控制方法上應(yīng)用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識來模擬人的模糊思維方法,用計算機實現(xiàn)與操作者相同的控制。該理論以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯為基礎(chǔ),用比較簡單的數(shù)學(xué)形式直接將人的判斷、思維過程表達(dá)出來,從而逐漸得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域包括圖像識別、自動

49、機理論、語言研究、控制論以及信號處理等方面。在自動控制領(lǐng)域,以模糊集理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的模糊控制為將人的控制經(jīng)驗及推理過程納入自動控制提供了一條便捷途徑。模糊控制的特點是：（1）模糊控制不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是以人對被控對象的控制經(jīng)驗為依據(jù)而設(shè)計的控制器，故無需知道被控對象的數(shù)學(xué)模型。（2）模糊控制是一種反映人類智慧的智能控制方法。模糊控制采用人類思維中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理導(dǎo)出。這些模糊量和模糊推理是人類智能活動的體現(xiàn)。（3）模糊控制易于被人們接受。模糊控制的核心是控制規(guī)則，模糊規(guī)則是用語言來表示的。（4）構(gòu)造容易。模糊控制規(guī)則易于

50、軟件實現(xiàn)。（5）魯棒性和適應(yīng)性好。通過專家經(jīng)驗設(shè)計的模糊規(guī)則可以對復(fù)雜的對象進行有效地控制17。 如圖3.8所示,模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)包括知識庫、模糊推理、輸入量模糊化、輸出量精確化四部分。圖3.7 模糊控制器的基本組成框圖3.5.1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 將模糊控制器應(yīng)用于十二脈波整流電路控制系統(tǒng)時，與 PID 控制系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)不需要作太大改動。首先將 PID 控制器替換為模糊控制器，并將誤差及誤差的變化率作為模糊控制器的輸入。因為模糊控制可以實現(xiàn)任意的非線性控制，可以把 PID控制器后面的調(diào)制環(huán)節(jié)去除，直接令模糊控制器輸出整流電路的控制角。為了提高系統(tǒng)的控制精度，采用增量型控制器，

51、即控制器的輸出為控制角的變化量。在控制器后面需要增加一個積分環(huán)節(jié)來進行控制角變化量的累加，來輸出實際的控制角。改進后的控制系統(tǒng)如圖3.8所示。 圖3.8 模糊控制系統(tǒng)3.5.2 模糊控制器設(shè)計 1、模糊化 模糊化就是將控制器的輸入與輸出轉(zhuǎn)化為各個模糊集合的隸屬度，為模糊推理算法提供數(shù)據(jù)。合理地設(shè)置模糊隸屬函數(shù)是提高模糊控制器性能的前提。在十二脈波整流電路控制系統(tǒng)中，可以將控制器的輸入與輸出，即誤差、誤差變化率以及控制角變化量，在一定論域上定義五個模糊集合，并分別定義為正大、正小、零、負(fù)小、負(fù)大，分別用字母表示為 PB、PS、ZE、NS、NB。每一個模糊集合用隸屬函數(shù)表示。這樣，每一個輸入量或輸

52、出量都可以通過隸屬函數(shù)計算出其隸屬于各個集合的程度是多少。2、模糊控制規(guī)則在進行控制規(guī)則的設(shè)置時，要利用工程人員的操作經(jīng)驗。根據(jù)十二脈波整流電路的工作原理，可以將控制規(guī)律進行以下概括：如果誤差為負(fù)，且誤差變化率為負(fù)，那么應(yīng)增大控制角，來減少輸出電壓。如果誤差為正，且誤差變化率為正，那么應(yīng)減小控制角，來增大輸出電壓。對以上的經(jīng)驗進行總結(jié)，得到表 3.1 所示的語言控制規(guī)則。控制器在運行過程中會不斷地查詢表 3.1 所示的控制規(guī)則，對每一個控制器輸入計算出相應(yīng)的輸出隸屬度。表 3.1 語言控制規(guī)則3、消除穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差是模糊控制固有的缺陷，通過以上所述設(shè)計的控制系統(tǒng)，會有 10V 左右的穩(wěn)態(tài)誤差

53、。而 PI 控制可以有效地減小穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)的輸出更加精確。因此，以將模糊控制與 PI 控制相互結(jié)合，來提高系統(tǒng)的控制精度。模糊控制器與 PI 控制器的結(jié)合方式如圖3.9所示，該圖中采用一個受控開關(guān)，使系統(tǒng)在模糊控制與 PI 控制這兩個模態(tài)之間互相切換。圖3.9 模糊控制器與 PI 控制器的切換 如果給定與反饋的誤差大于 10V，則開關(guān)切向模糊控制器，系統(tǒng)處于動態(tài)調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時采用表3.1所示的規(guī)則進行控制動作。 4、仿真電路 在Simulink環(huán)境下搭建模糊控制仿真電路。其中十二脈波整流電路主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不作改動，而且 MATLAB/Simulink 有現(xiàn)成的模糊控制模塊，只需要在模塊中設(shè)置相

54、應(yīng)的參數(shù)就可以實現(xiàn)控制算法，大大方便了工程人員的設(shè)計。所以只需重新搭建控制電路即可。模糊控制電路如圖3.10所示。圖3.10 模糊控制電路 Simulink 仿真圖3.5.3 模糊控制系統(tǒng)仿真曲線啟動仿真程序，便得到系統(tǒng)的輸出動態(tài)曲線。圖3.11為不同負(fù)載情況下，控制系統(tǒng)的輸出曲線。圖3.11 不同負(fù)載情況下，模糊 PI 控制輸出曲線 通過曲線可知，模糊控制器不會依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)負(fù)載變化時，控制器不會收到的影響。從圖3.12的曲線可以得知，負(fù)載變化時，系統(tǒng)的輸出曲線幾乎不受影響，在PID控制器下產(chǎn)生了振蕩，即模糊PI控制器可以克服負(fù)載變化對系統(tǒng)的干擾。因此，模糊PI控制器的性能要優(yōu)于P

55、ID控制器。圖3.12 不同負(fù)載情況下，PID 控制輸出曲線圖3.13為同樣負(fù)載條件下，PID 控制與模糊PI控制的系統(tǒng)輸出曲線比較。其中實線為模糊PI控制時系統(tǒng)的輸出曲線，虛線為PID控制時系統(tǒng)的輸出曲線。從圖中可以看出，模糊PI控制的響應(yīng)速度總體上優(yōu)于PID控制，系統(tǒng)的動態(tài)性能有很大改善。圖3.13 仿真曲線比較 由于負(fù)載變化時，系統(tǒng)的開環(huán)波特圖也產(chǎn)生變化。PID 控制器無法克服系統(tǒng)參數(shù)變化所帶來的干擾。而模糊控制器由于不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，只要隸屬函數(shù)與控制規(guī)則設(shè)置合理，就可以克服負(fù)載變化對系統(tǒng)的影響。將模糊控制器與PI控制器相結(jié)合，控制系統(tǒng)不僅抗擾動能力強，動態(tài)性能也優(yōu)于PID控制器

56、。第4章 AC/DC 電力變換裝置硬件設(shè)計4.1 控制電路4.1.1TMS320F2812介紹德州儀器所生產(chǎn)的TMS320F2812 數(shù)字訊號處理器是針對數(shù)字控制所設(shè)計的DSP，整合了DSP 及微控制器的最佳特性，主要使用在嵌入式控制應(yīng)用，如數(shù)字電機控制(digital motor control, DMC)、控制(data acquisition and control, DAQ)等領(lǐng)域。針對應(yīng)用最佳化，并有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，F(xiàn)28x 核心支持全新CCS環(huán)境C compiler，提供C 語言中直接嵌入?yún)R編語言的程序開發(fā)介面，可在C 語言的環(huán)境中搭配匯編語言來撰寫程序。值得一提的是，F(xiàn)28x DSP 核心支持特殊的IQ-math 函式庫，系統(tǒng)開發(fā)人員可以使用便宜的定點數(shù)DSP 來發(fā)展所需的浮點運算算法。F28x 系列DSP預(yù)計發(fā)展至400MHz，目前已發(fā)展至150MHz 的Flash 型式。4.1.2 控制電路的設(shè)計控制電路根據(jù)輸入的交流同步信號來確定控制角的基準(zhǔn)，再通過反饋的直流電壓信號來確定當(dāng)前觸發(fā)脈沖的控制角。同時，控制電路將