AC-DC電力變換裝置的設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2014屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(chēng)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(jī)-直流電機(jī)系統(tǒng)、汞弧整流器、可控硅整流系統(tǒng)等發(fā)展過(guò)程。整流裝置在這期間體積越來(lái)越小，效率越來(lái)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(chēng)為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱(chēng)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(duì)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(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)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(jī)產(chǎn)生的電能進(jìn)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(mǎn)足后續(xù)負(fù)載的需要，AC/DC 電力變換裝置必須對(duì)輸出的直流電壓進(jìn)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(duì)整個(gè)整流系統(tǒng)，甚至整個(gè)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(guò)來(lái)也促進(jìn)了 AC/DC 電力變換技術(shù)，仍至整個(gè)電力電子技術(shù)的發(fā)展。由于人類(lèi)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(mǎn)足不同負(fù)載的要求。電力變換依靠控制電力電子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以研究其控制技術(shù)有重要的實(shí)際意義。1.2 國(guó)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(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的。晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱(chēng)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(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和

4、無(wú)線(xiàn)電，從而開(kāi)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(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)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(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)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(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，所使用的電路形式仍為是這些形式。 1947年，美國(guó)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)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(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)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(guò)對(duì)門(mén)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(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)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(lái)實(shí)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(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場(chǎng)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(diǎn)是，通過(guò)對(duì)門(mén)極（基極、柵極）的控制既可使其開(kāi)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(duì)于相位控制方式，可稱(chēng)之

6、為斬波控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)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(diǎn)。與此相對(duì)，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門(mén)極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)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(gè)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(diǎn)是混合集成技術(shù)，即把不同的單個(gè)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(gè)重要方面，特別是對(duì)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(jìn)步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時(shí)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開(kāi)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(dòng)向 在人類(lèi)文明和技術(shù)發(fā)展的整個(gè)歷史進(jìn)程中，能源和動(dòng)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(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代主要的能量載體?，F(xiàn)代社會(huì)的各行各業(yè)都依賴(lài)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(lèi)型、功能千差萬(wàn)別

8、，雖然它們都用電工作，但對(duì)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(kāi)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(jì)效益，或滿(mǎn)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(yùn)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(wàn)以下的功率范圍內(nèi)，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣，其地位也越來(lái)越重要。這已經(jīng)成為一個(gè)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(shuō)，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(duì)節(jié)省電能也有重要的意義。特別在大型風(fēng)機(jī)、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(chēng)為技能技術(shù)?？傊?，電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。從人類(lèi)對(duì)宇宙和大自然的探索，到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)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(lèi)型 二極管整流電路采用二極管作為開(kāi)關(guān)器件，由于其不可控性，很少單獨(dú)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(chǎng)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(kāi)關(guān)器件，其優(yōu)點(diǎn)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(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)，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(chǎng)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(jià)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?xún)r(jià)比的最佳方案。晶閘管整流電路的缺點(diǎn)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(wú)功補(bǔ)償裝置。在大功率場(chǎng)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(gè)或多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的整流電路（如三相橋）進(jìn)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(lái)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(duì)系統(tǒng)要求的提高，智能控制、變結(jié)構(gòu)控制等許多先進(jìn)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(duì)三相整流器進(jìn)行控制；采用單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 的控制方法來(lái)增強(qiáng)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(lèi)繁多且工況變化復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常隨時(shí)間變化，這必然會(huì)影響 AC/DC 電力變換裝置的控制性能。所以將先進(jìn)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(lái)克

13、服參數(shù)變化引起的系統(tǒng)干擾，有一定的實(shí)際意義。電力變換控制觸發(fā)電路作為控制策略實(shí)現(xiàn)的載體，是整個(gè)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(zhuān)用集成芯片被廣泛采用，例如晶閘管觸發(fā)控制專(zhuān)用的 KJ004 與 TCA785。使用專(zhuān)用集成芯片不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，還增強(qiáng)了電路的可靠性。但是，專(zhuān)用集成芯片的缺點(diǎn)是控制精度低、觸發(fā)脈沖不對(duì)稱(chēng)度高、靈活性較差。所以，以單片機(jī)、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(zhuān)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(qiáng)。由于現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)

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(jì)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(duì)十二脈波整流電路的工作原理進(jìn)行了分析，并對(duì) AC/DC電力變換控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)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(jì)。在AC/DC電力變換裝置的濾波參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合開(kāi)環(huán)分析設(shè)計(jì)合理的控制策略，并在MATLAB/Simulink 環(huán)境下對(duì)所設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行仿真研究。 三、AC/DC電力變換裝置硬件設(shè)計(jì)?；赥MS320F2812 進(jìn)行AC/DC 電力變換裝置的控制電路設(shè)計(jì)。2電力變換裝置以及工作原理2.1整流

15、電路類(lèi)型 電力網(wǎng)供給用戶(hù)的是交流電，而各種無(wú)線(xiàn)電裝置需要用直流電。整流，就是把交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^(guò)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(jiǎn)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(dòng)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(jí)電壓e2，是一個(gè)方向和大小都隨時(shí)間變化的正弦波電壓，它的波形如圖5-2（a）所示。在0K時(shí)間內(nèi)，e2為正半周即變壓器上端為正下端為負(fù)。

16、此時(shí)二極管承受正向電壓面導(dǎo)通，e2通過(guò)它加在負(fù)載電阻Rfz上，在2 時(shí)間內(nèi)，e2為負(fù)半周，變壓器次級(jí)下端為正，上端為負(fù)。這時(shí)D 承受反向電壓，不導(dǎo)通,Rfz上無(wú)電壓.在2 時(shí)間內(nèi),重復(fù)0時(shí)間的過(guò)程，而在34時(shí)間內(nèi)，又重復(fù)2 時(shí)間的過(guò)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(guò)Rfz，在Rfz上獲得了一個(gè)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(shí)間而變化，因此，通常稱(chēng)它為脈動(dòng)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(gè)半波整流電路組合成的。變壓器次級(jí)線(xiàn)圈中間需要引出一個(gè)抽頭，把次組線(xiàn)圈分成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個(gè)電壓e2a、e2b，構(gòu)成e2a、D1、Rfz與e2b、D2、Rfz，兩個(gè)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(shuō)明。在0間內(nèi)，在e2a對(duì)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(duì)D2 為反向電壓，D2不導(dǎo)通（見(jiàn)圖在-2時(shí)間內(nèi)，e2b對(duì)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(jiàn)下圖如此反復(fù)，由于兩個(gè)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(gè)半周作用期間，都有同一方向的電流通過(guò)，如圖所示的那樣，因此稱(chēng)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(shí)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(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。 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(shí)，對(duì)D1、D3和方向電壓，D1，D3導(dǎo)通；對(duì)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(shí),對(duì)D2、D4 加正向電壓，D2、D4 導(dǎo)通；對(duì)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(jí)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(dòng)性直流電，這就是交流電的整流過(guò)程，整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過(guò)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(chēng)單向脈動(dòng)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(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(dòng)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(shí)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(hào)的整流，例如用于發(fā)光二極管電平指示器電路中，對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行整流。前三種整流電路輸出的單向脈動(dòng)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(dòng)性直流電主要成分仍然是50Hz的；因?yàn)檩斎虢涣魇须姷念l率是50Hz，半波整流電路去掉了交流電的半周，沒(méi)有改變單向脈動(dòng)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(kuò)大一倍為100Hz，所以這種單向脈動(dòng)性直流電的交流成分主要成分是100Hz的，這是因?yàn)檎麟娐穼⑤斎虢涣麟妷旱囊粋€(gè)半周轉(zhuǎn)換了極性，使輸出

22、的直流脈動(dòng)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(jí)線(xiàn)圈設(shè)有中心抽頭，其他兩種電路對(duì)電源變壓器沒(méi)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(gè)特點(diǎn)，可以方便地分辨出三種整流電路的類(lèi)型，但要注意以電源變壓器有無(wú)抽頭來(lái)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(shí)，交流電壓峰值全部加到二極管兩端。對(duì)于全波整流電路而言也是這樣，當(dāng)一只二極管導(dǎo)通時(shí)，另一只二極管截止，承受全部交流峰值電壓。所以對(duì)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(duì)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(lái)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(duì)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(diǎn)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(gè)半周切除。 分析上述整流電路時(shí)，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(lái)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(jiàn)表1。 直流側(cè)脈波數(shù)交流側(cè)移相角聯(lián)結(jié)重?cái)?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(gè)三相整流橋串聯(lián)組成，用晶閘管作為電力開(kāi)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(guò) 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(kāi)關(guān)器件為晶閘管，變壓器二次側(cè)由兩個(gè)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(gè)電源周期內(nèi)脈動(dòng) 12 次，故稱(chēng)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(gè)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(diǎn)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(xiàn)電壓有效值大小相等。即線(xiàn)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(xiàn)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(yáng)極相連接，形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。兩組三相整流橋工作時(shí)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(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通來(lái)實(shí)現(xiàn) AC/DC 電力變換，所以晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的不同會(huì)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(shí)刻，上橋共陽(yáng)極組的晶閘管、上橋共陰極組的晶閘管、下橋共陽(yáng)極組的晶閘管與下橋共陰極組的晶閘管，各有一個(gè)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(shí)刻，不同時(shí)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(xiàn)電壓之和。（2）12 個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)椋?VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-VT7-VT8-VT9-VT10-VT11-VT12。通過(guò)在門(mén)極與陰極間施加觸發(fā)脈沖信號(hào)，使晶閘管由關(guān)斷狀態(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。電路在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，觸發(fā)脈沖必須滿(mǎn)足以下的相位關(guān)系：共陽(yáng)極組或共陰極組的晶閘管，在一個(gè)交流電源周期中，每一個(gè)晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間為120°。（3） 任意一個(gè)晶閘管從自然換相點(diǎn)開(kāi)始到施加觸發(fā)脈沖的這段時(shí)間，被稱(chēng)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(shí)晶閘管的導(dǎo)通情況 （4）輸出直流電壓在一個(gè)電源周期有12個(gè)時(shí)段，每一個(gè)時(shí)段持續(xù)的時(shí)間為 30 度。負(fù)載電壓波形每進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)段，就要有觸發(fā)脈沖產(chǎn)生，使電路產(chǎn)生一次換相。每個(gè)晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)期間會(huì)經(jīng)歷3次換相，在整流合閘啟動(dòng)過(guò)程或電流斷續(xù)時(shí)，為確保電路的正常工作，需保證同時(shí)導(dǎo)通的4個(gè)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(shí)，還需對(duì)其序號(hào)前面的3個(gè)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(shí)刻，即改變控制角，輸出直流電壓的大小與脈動(dòng)幅度也隨著變化?？刂平窃酱?，輸出的直流電壓平均值越小，直流脈動(dòng)系數(shù)越大?？梢?jiàn)，調(diào)節(jié)控制角就可以控制輸出直流電壓的大小。 在設(shè)計(jì)十二脈波整流電路的控制系統(tǒng)時(shí)，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(dòng)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(shí)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(duì)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(guò)控制角來(lái)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(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。由圖2.7的控制系統(tǒng)圖可知，整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)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(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。2.51電力變換環(huán)節(jié)十二脈波整流電路可以實(shí)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(gè)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(gè)部分進(jìn)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(shí)間 T/12 內(nèi)簡(jiǎn)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(hào)與反饋信號(hào)的差值，利用相應(yīng)的控制策略計(jì)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(hào)。該信號(hào)為周期性的直角三角波信號(hào)

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小；而三角波的高度與控制電壓的最大值相同?？刂齐妷号c三角調(diào)制波的交點(diǎn)就是觸發(fā)脈沖的起始點(diǎn)。這樣，每一個(gè)控制電壓值就有一個(gè)控制角與之對(duì)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(shí)對(duì)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(gè)電源周期有十二次波動(dòng)，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(duì)系統(tǒng)的輸出進(jìn)行濾波處理。根據(jù)濾波要求及應(yīng)用場(chǎng)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(gè)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?yàn)V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(kāi)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(chǎng)合。感性直流濾波電路能夠?yàn)V除直流電流的紋波。在大功率應(yīng)用場(chǎng)合，更多的使用感性。直流濾波電路。因?yàn)橹绷?/p>

34、電流脈動(dòng)系數(shù)的減小，能獲得更有效的變壓器運(yùn)行性能。圖2.11所示結(jié)構(gòu)為最簡(jiǎn)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(shí)，整流電路的輸出電流就可以維持一個(gè)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(chēng)為L(zhǎng)C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(huì)隨交流電源電壓的波動(dòng)和負(fù)載的變化而變化，而輸出電壓的不穩(wěn)定可能會(huì)引起電子線(xiàn)路系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至根本無(wú)法正常工作。精密電子測(cè)量?jī)x器、自動(dòng)控制、計(jì)

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(jiǎn)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(dòng)或負(fù)載（電流）變化時(shí)，該穩(wěn)壓電路能自動(dòng)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(jì)要根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)來(lái)進(jìn)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(mǎn)載）：+/-1%。 電壓暫態(tài)波動(dòng)范圍：+/-15%。 暫態(tài)

36、電壓恢復(fù)時(shí)間：0.1s。3.2 濾波電路參數(shù)設(shè)計(jì) 由于控制系統(tǒng)輸出直流電壓的范圍是 800V1000V，對(duì)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(mǎn)足負(fù)載要求。所以濾波電路參數(shù)的選取是實(shí)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(shí)，輸出給負(fù)載的電壓紋波系數(shù)為2%，可按以下步驟計(jì)算來(lái)得到合適的電容值和電感值。設(shè)置輸出電壓為1000V時(shí)，系統(tǒng)性能指標(biāo)規(guī)定濾波后輸出電壓脈動(dòng)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(shí)，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(zhǎng) f=3mH時(shí)，所需要的電容值較小，而且電壓脈動(dòng)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(guò)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(shí)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(shí)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(guò)誤差、誤差的變化率與誤差積累的線(xiàn)性組合，輸出控制量給控制對(duì)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(dòng)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(lái)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(guò)電壓表的測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)作為控制系統(tǒng)的給定信號(hào)。輸入量經(jīng)過(guò)均值計(jì)算后，與給定信號(hào)進(jìn)行比較，并將差值信號(hào)輸入到

39、 PID 控制器中。PID 控制器輸出控制電壓，經(jīng)過(guò)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(xiàn)在以上所述仿真模型的基礎(chǔ)上，設(shè)置控制參數(shù)，運(yùn)行仿真程序，得到控制系統(tǒng)的各個(gè)仿真曲線(xiàn)。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(shí)，控制系統(tǒng)的輸出如圖3.6所示?？梢?jiàn)，在經(jīng)過(guò)PID校正后，控制系統(tǒng)的輸出無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.4s滿(mǎn)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(shí)，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(duì)原先的負(fù)載阻值又不太合適。因此，為了滿(mǎn)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(duì)用的不同的負(fù)載，需要不同的PID參數(shù)才能滿(mǎn)足條件，才能獲得理想的控制效果。但這種情況對(duì)于這對(duì)大工作量控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常不方便。為了使AC/DC 電力變換裝置滿(mǎn)足穩(wěn)定工作并有良好的動(dòng)態(tài)性能，就必須要隨時(shí)調(diào)節(jié)控制器的PID參數(shù)，才能滿(mǎn)足控制的需要。所以傳統(tǒng)的PID控制器已不能滿(mǎn)足系統(tǒng)控制的要求，必須尋求更先進(jìn)的控制策略，來(lái)克服負(fù)載變化所帶來(lái)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(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)，以先驗(yàn)知識(shí)和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)為控制規(guī)則的只能控制方法，它無(wú)需知道系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，只需要現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和操作數(shù)據(jù)。模糊算法對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)比較適用，它是處理時(shí)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(wú)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(shí)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(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)

42、PID調(diào)節(jié)。當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)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(jì)算出控制量進(jìn)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(lái)，該算法具有如下優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單，使用方便。PID控制是由P、I、D三個(gè)環(huán)節(jié)組合而成，其基本組成原理比較簡(jiǎn)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(qiáng)?？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(chǎng)合。按PID控制進(jìn)行工作的自動(dòng)調(diào)節(jié)器早已商品化，在具體實(shí)現(xiàn)上經(jīng)歷了機(jī)械式、液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電子式等發(fā)展

43、階段，但始終沒(méi)有脫離PID控制的范疇。即使目前最先進(jìn)的過(guò)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(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。比例控制是為了及時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢(shì)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(duì)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(guò)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(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)特性變壞

44、。因此，比例調(diào)節(jié)常與無(wú)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(hào)的積分成正比關(guān)系。能對(duì)誤差進(jìn)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(shí)設(shè)定值的無(wú)靜差跟蹤。只要存在偏差，則它的控制作用就會(huì)不斷增加。只有在偏差e（t）=0時(shí)，積分值變成常數(shù)，控制輸出才是一個(gè)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(shí)間常數(shù)對(duì)積分部分的作用影響極大。當(dāng)Ti較大時(shí)，則積分作用較弱，這時(shí)，系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程不易產(chǎn)生振蕩，但是消除偏差所需要的時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng)Ti較小時(shí)，則積分作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程中油可能會(huì)產(chǎn)生振蕩，但消除偏差所需要的時(shí)間較短。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系

45、統(tǒng)，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)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(xiàn)法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)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(jìn)行PID控制器的參數(shù)整定步驟如下：（1）首先預(yù)選擇一個(gè)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(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)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(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。3.4.2 PID控制算法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，由計(jì)算機(jī)實(shí)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(jì)算機(jī)實(shí)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(shí)的偏差值；E（k-1)為第k-1次采樣時(shí)的偏差值；k為采樣序號(hào)，k=0,1,2,;P(k)為第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。由于式（3-4）的輸出值

47、與閥門(mén)開(kāi)度的位置一一對(duì)應(yīng)，因此，通常把式（3-4）稱(chēng)為位置型PID算式。 由式（3-4）可以看出，要先計(jì)算P（k），不僅需要本次與上次的偏差信號(hào)E（k）和E（k-1），而且還要在積分項(xiàng)中把歷次的偏差信號(hào)E（j）進(jìn)行相加。這樣，不僅計(jì)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(jìn)行控制很不方便。為此，做如下改動(dòng)16。 根據(jù)遞推原理，可寫(xiě)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(jì)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(jì)算要簡(jiǎn)單的多。 （2）在很多控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)是采用步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器盡心控制的，所以，只要給一個(gè)增量信號(hào)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(yǔ)言變量及模糊邏輯推理的知識(shí)來(lái)模擬人的模糊思維方法,用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)與操作者相同的控制。該理論以模糊集合、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯為基礎(chǔ),用比較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)形式直接將人的判斷、思維過(guò)程表達(dá)出來(lái),從而逐漸得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域包括圖像識(shí)別、自動(dòng)

49、機(jī)理論、語(yǔ)言研究、控制論以及信號(hào)處理等方面。在自動(dòng)控制領(lǐng)域,以模糊集理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的模糊控制為將人的控制經(jīng)驗(yàn)及推理過(guò)程納入自動(dòng)控制提供了一條便捷途徑。模糊控制的特點(diǎn)是：（1）模糊控制不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是以人對(duì)被控對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)的控制器，故無(wú)需知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。（2）模糊控制是一種反映人類(lèi)智慧的智能控制方法。模糊控制采用人類(lèi)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(lèi)智能活動(dòng)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(yǔ)言來(lái)表示的。（4）構(gòu)造容易。模糊控制規(guī)則易于

50、軟件實(shí)現(xiàn)。（5）魯棒性和適應(yīng)性好。通過(guò)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則可以對(duì)復(fù)雜的對(duì)象進(jìn)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(shí)庫(kù)、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(shí)，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(dòng)。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?yàn)槟：刂瓶梢詫?shí)現(xiàn)任意的非線(xiàn)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(gè)積分環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行控制角變化量的累加，來(lái)輸出實(shí)際的控制角。改進(jìn)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(jì) 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(gè)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(gè)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(gè)模糊集合用隸屬函數(shù)表示。這樣，每一個(gè)輸入量或輸

52、出量都可以通過(guò)隸屬函數(shù)計(jì)算出其隸屬于各個(gè)集合的程度是多少。2、模糊控制規(guī)則在進(jìn)行控制規(guī)則的設(shè)置時(shí)，要利用工程人員的操作經(jīng)驗(yàn)。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(jìn)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(lái)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(lái)增大輸出電壓。對(duì)以上的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，得到表 3.1 所示的語(yǔ)言控制規(guī)則?？刂破髟谶\(yùn)行過(guò)程中會(huì)不斷地查詢(xún)表 3.1 所示的控制規(guī)則，對(duì)每一個(gè)控制器輸入計(jì)算出相應(yīng)的輸出隸屬度。表 3.1 語(yǔ)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(guò)以上所述設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，會(huì)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(lái)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(gè)受控開(kāi)關(guān)，使系統(tǒng)在模糊控制與 PI 控制這兩個(gè)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(kāi)關(guān)切向模糊控制器，系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時(shí)采用表3.1所示的規(guī)則進(jìn)行控制動(dòng)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(dòng)，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(shí)現(xiàn)控制算法，大大方便了工程人員的設(shè)計(jì)。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(xiàn)啟動(dòng)仿真程序，便得到系統(tǒng)的輸出動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)。圖3.11為不同負(fù)載情況下，控制系統(tǒng)的輸出曲線(xiàn)。圖3.11 不同負(fù)載情況下，模糊 PI 控制輸出曲線(xiàn) 通過(guò)曲線(xiàn)可知，模糊控制器不會(huì)依賴(lài)于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，控制器不會(huì)收到的影響。從圖3.12的曲線(xiàn)可以得知，負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出曲線(xiàn)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(duì)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(xiàn)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(xiàn)比較。其中實(shí)線(xiàn)為模糊PI控制時(shí)系統(tǒng)的輸出曲線(xiàn)，虛線(xiàn)為PID控制時(shí)系統(tǒng)的輸出曲線(xiàn)。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(dòng)態(tài)性能有很大改善。圖3.13 仿真曲線(xiàn)比較 由于負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)波特圖也產(chǎn)生變化。PID 控制器無(wú)法克服系統(tǒng)參數(shù)變化所帶來(lái)的干擾。而模糊控制器由于不依賴(lài)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(duì)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(dòng)能力強(qiáng)，動(dòng)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(jì)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(hào)處理器是針對(duì)數(shù)字控制所設(shè)計(jì)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(jī)控制(digital motor control, DMC)、控制(data acquisition and control, DAQ)等領(lǐng)域。針對(duì)應(yīng)用最佳化，并有效縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，F(xiàn)28x 核心支持全新CCS環(huán)境C compiler，提供C 語(yǔ)言中直接嵌入?yún)R編語(yǔ)言的程序開(kāi)發(fā)介面，可在C 語(yǔ)言的環(huán)境中搭配匯編語(yǔ)言來(lái)撰寫(xiě)程序。值得一提的是，F(xiàn)28x DSP 核心支持特殊的IQ-math 函式庫(kù)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員可以使用便宜的定點(diǎn)數(shù)DSP 來(lái)發(fā)展所需的浮點(diǎn)運(yùn)算算法。F28x 系列DSP預(yù)計(jì)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(jì)控制電路根據(jù)輸入的交流同步信號(hào)來(lái)確定控制角的基準(zhǔn)，再通過(guò)反饋的直流電壓信號(hào)來(lái)確定當(dāng)前觸發(fā)脈沖的控制角。同時(shí)，控制電路將