AC/DC/AC調頻式諧振高壓試驗電源控制策略探討

樊曉芹

【摘 要】傳統的調頻式諧振高壓試驗電源一般是通過模擬器產生正弦信號的，電路形式較為復雜，難以得到有效的維護，由此提出了大大功率開關器件所形成的多級放大電路得出所需要的正弦信號，該新型調頻式諧振高壓試驗電源針對電壓調節(jié)提出了自適應PI以電網電流為內環(huán)以及直流電容電壓為外環(huán)的閉環(huán)控制模式，而對于電壓調節(jié)通過三相PMW整流器實現的。同時針對頻率調節(jié)提出了相關的電源控制策略，為類似調頻式諧振高壓電源的控制策略的制定提供了可供參考的經驗。

【關鍵詞】PMW 整流電路；調頻式；諧振；高壓；試驗；電源控制；策略

Frequency Tuned Resonant Test Power Supply，FTRTPS，調頻式諧振試驗電源的耐壓特定較好且試驗范圍較大，運行的效率較高。試驗的裝置重量、自身的體積都相對較小，試驗樣品所呈現出來的電壓波形較好，當試樣被擊穿后能實現自動脫諧保護等特征。通過大功率開關器件所構成的電路實現了對傳統模擬信號源以及功率放大電路進行了替代，從而直接產生了大功率的標準正弦波。

一、新型調頻式諧振電源系統概述

新型新型調頻式諧振電源系統的結構如下圖所示。其主要由三相PWM整流電路、H橋逆變電路、濾波器輸出、DSP控制器、檢測單元、及人機接口部分構成，RL是試驗過程中回路諧振電感等效內阻，而T為中間勵磁升壓變壓器；C是試驗回路等效電容，等效電容包括被測試樣品電容和試驗回路諧振電容。整個諧振試驗電源輸出的電壓調節(jié)是通過三相PWM整流電路輸出一側的電容電壓大小的控制實現的，當試驗回路等效電容穩(wěn)定在設定值時，系統則開始調節(jié)頻率，頻率的調節(jié)是通過逆變電路開關的控制實現的。最終將輸出濾波器濾除系統輸出信號中的毛刺由此得出了所需要的正弦波形。

系統中的檢測裝置結構為溫度傳感器以及電流型、電壓型霍爾傳感器，為了有效提高檢測裝置的抗干擾的能力，相應的信號通過光纖傳遞到DSP控制器MAXl25采集單元，而整個系統通過4×4鍵盤設置了實驗參數，包括光標的移動、取消和確定等功能。尺寸為10.4英寸、分辨率為640x480的液晶通過并行的I/O接口實現了與DSP控制器連接作為人機操作終端進行顯示。

公式中的Q為諧振電路品質因數，通過上述公式可了解到，被測試的樣品兩端得出被放大Q倍的電壓，甚至可達到幾十至上百萬伏，由此通過放大電壓對被測試樣品進行交流耐壓或者局部放電的試驗。

二、設計電壓調節(jié)自適應PI控制器

PWM整流器在一定程度上要建立簡化以及精確的數學模型存在一定的障礙，而傳統的電壓調節(jié)自適應控制器無法得到滿意度設計效果。由此本試驗中選擇自適應PI控制模式。

U*dc、Udc是直流側電容C3所定出的參考以及實時電壓；idis是所引入的電流擾動量；而i*a、i*b以及i*c分別為整流器網側的三相電流的參考信號，其是由外環(huán)和內環(huán)所構成的。直流側電容C3所給出的參考電壓U*dc與實際電壓Udc比較并通過自適應PI電壓調節(jié)器在調節(jié)完成上之后實現了與電流擾動量idis的減數所形成的直流電流量I*s。為了保證網側功率因素為1，也就是為了保證電壓與電流具有同等相位，通過鎖相電路PLL所得出標準的三相交流電源電壓的相位與直流電流量相乘所得出整流器網側三相電流的參考信號。

若是實現同步旋轉的坐標系d軸與電網電壓a相一致，也就是實現了電壓的定向，那么i*a、i*b在通過變換之后可得知i*q的值為零。也就是控制整流器網側三相的實際電流在經過變換之后的iq為零。由此實現了網側功率因素為1的要求和標準。此時，對直流側的電容C3的實時電壓的調節(jié)主要與d-q變化d軸電流id相關。電壓自適應PI的控制算法如下所示：

電流自適應PI控制的控制過程與電壓自適應器的PI控制模式相似，是通過兩個電流控制器的輸出在經過d—q反變換過后與三角載波通過調制而得出的開關控制信號。

三、設計自動調頻控制器

1、比例積分鎖相的自動調頻控制

相應比例積分鎖相自動調頻的框架圖如下所示。在整個逆變電路當中，其死區(qū)是通過硬件電路來完成和實現的。相應系統的自動調頻的范圍將達到30-300 Hz。下圖所示中的諧振電容C的兩端電壓濾波器輸出電壓U0是通過霍爾電壓互感器測量之后通過抗干擾能力較強的光纖無失真?zhèn)鬟f到DSP控制器的MAXl25采集單元，并且通過零轉換電路將其轉換為方波信號。在經過XOR異或邏輯門的比較之后，將得出Uc、U0相位差，Rf以及Cf低通濾波器在對交流紋波濾除之后，將相位差變?yōu)闊o紋波平均化的電流電壓信號Xf。PI控制與Rf以及Cf類似，能對噪聲以及高頻分量存在抑制作用，同時還對相位校正的速度以及精度進行了有效控制，能對動態(tài)以及靜態(tài)的性能起到了決定作用。PI控制器的輸出信號通過壓控振蕩器得出所期望得到的振蕩頻率信號，在通過三角載波調制之后，通過光電隔離以及放大后實現對1GBT的驅動。

2、控制模型

上述公式中的τf即為RfCf，表示的是濾波器的時間常數。

公式中的W0為，L、C均為諧振電桿定容，而RL則為諧振電感內阻。通過一系列的公式推導可得出控制的計算模型。

四、結語

研究了大功率開關器件IGBT實現對試驗所產生的正弦波進行了分析，相應的體系結構較為簡單、元器件的數目較少且便于維護，電壓調節(jié)是通過三相PWM整流電路實現的。電壓調節(jié)根據自適應PI電流內環(huán)、電壓外環(huán)雙環(huán)閉環(huán)控制方式，使用比例積分鎖相自動調頻實現了頻率的調節(jié)，同時根據相應的諧振電路特點分析以及推導了控制模型。實踐表明所提出的電壓以及頻率調節(jié)的方法具有較好的動態(tài)以及靜態(tài)的性能和跟蹤的效果，同時也具有較強的抗干擾能力。

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