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數碼發電機整流穩壓電源設計
引言
數碼發電機是近幾年中發展起來的一個新的發電機產品，它是一種便攜式發電機。中頻發電機體積小、重量輕，是與之相配套的理想的發電機。但是中頻發電機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]，給整流器的設計帶來了一定的困難。傳統的整流方案大多針對定頻、定壓輸入，適應的電壓頻率變化范圍都不大[2]。本文針對此情況設計了一種寬頻率、寬電壓的適用于數碼發電機的整流方案。
本系統采用前饋控制結合PID 控制的復合控制策略，在前級整流器中加入前饋控制可以有效的減少響應時間及降低超調量。出于電壓穩定及經濟狀態的考慮，可在系統中加入油門控制。實驗表明設計的整流器和中頻發電機配合良好，輸出工頻電壓達到設計要求。
1 整流器總體結構設計
為了得到穩定的市電，中頻發電機發出的三相電經過三相半控橋整流后得到穩定的直流電，經電容濾波后再通過逆變得到我們所需要的市電[3]。由于中頻發電機所發的三相電為寬頻率、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[1]中所使用的拓撲結構，雖然也能得到穩定的直流輸出電壓，但是直流電壓趨于穩定所用的時間相對較長并且系統的超調量也會比較大。經過分析本文給出了如所示的數碼發電機的前級整流電路。
中在三相電輸入端加入電壓及頻率檢測構成前饋控制，就能及時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角度的大小從而輸出更加穩定的直流電壓。由于發電機所發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 控制器將本系統組成閉環控制系統，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，當采用上述控制無法保證直流側電壓穩定時，可以通過油門控制來調節發電機輸出，進而保證直流側電壓的穩定。油門控制是通過控制步進電機[4]調節發電機油門的大小實現的。
采用定時方式進行整流器的移相控制時，需要給控制器提供各晶閘管控制起始定時時刻的方波信號，這一方波的頻率應與電源頻率相同，即應與電源電壓同步。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，分別對應每一相的自然換相時刻，本文選用文獻[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，根據參考文獻[6]本文選用電容方式進行濾波。
2 數學模型
本設計采用由晶閘管構成的三相半控橋式模塊，忽略晶閘管壓降，設發電機的輸入電壓幅值為U ，觸發角度為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，在參考工作點附近進行局部線性化處理，展開成泰勒級數并忽略高次項則得：
晶閘管整流裝置由觸發電路控制，在分析系統時把它們處理成一個環節。這一環節的輸入量是觸發電路的控制電壓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s K 看成常數，則整個晶閘管觸發與整流裝置可以看成是一個具有純滯后的放大環節，其滯后效應由晶閘管的失控時間決定[7]。
3 控制器設計
PID 控制是負反饋控制，在實際中，被控對象總是存在慣性，負反饋控制的輸出總是落后于參考信號的變化，當我們要求系統的被控量迅速平穩地跟隨參考信號變化，并準確地復現其變化規律時，將不能滿足要求，而在加有前饋控制器的復合控制中，前饋控制器就直接根據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—反饋復合控制器的兩者結合方式使得控制結果具有及時而又精確的特點。
3.1 前饋控制
對于所示的前饋—反饋控制系統，依據“全補償原理”，由參考文獻[8]可得出前饋補償函數：上式稱為對擾動引起的誤差進行完全補償的條件，或稱為對輸出實現不變性的條件�？梢钥闯觯耆a償擾動對輸出的影響，對擾動量進行測量，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 環節的傳遞函數。
3.3 油門控制
對于數碼發電機來說，當負載由重載切換到輕載時，如果發電機的油門開度不減小的話，則會導致發電機電壓突然上升，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始終運行在最佳經濟狀態，從而節省油耗。
對于油門控制可以采用模糊控制策略，即當整流輸出電壓遠小于（遠大于）給定電壓時，可以快速增大（減�。┯烷T開度， 使發電機輸出電壓快速增大；當整流輸出電壓小于（大于）給定電壓不多時，可以較慢地增大（減小）油門開度，使發電機輸出電壓較慢的增大。當整流輸出電壓與給定電壓相接近時，可保持油門開度，由PID 控制器保持直流側電壓穩定。
4 實驗結果
利用本文所提出的整流控制策略研制出了一臺數碼發電機電源，數碼發電機的后級逆變環節采用開環控制策略，在三相中頻發電機中進行了實驗。實驗采用了DSP 芯片TMS320LF2407A 作為主控制器，利用了它計算速度快的優點。1KVA 實驗測試結果如所示，電源的輸入為：300Hz，峰值430V。輸出直流244V(要求穩壓值245V) 。電源的輸入為：500Hz，峰值630V。輸出直流247V(要求穩壓值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 結論
本系統采用前饋控制結合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時間及降低超調量。而且本系統所采用的前饋控制可以減輕PID 控制的負擔，系統的開環增益可以取得小一些，有利于系統的穩定性。在系統中加入油門控制不僅可以調節電壓輸出，還可以使系統始終運行在最佳經濟狀態節省油耗。實驗證明，筆者所研制的數碼發電機工作穩定可靠，滿足了用電設備的要求，不僅解決了寬壓寬頻數字觸發器的技術難題，而且所設計的電路簡單，抗干擾能力強，性價比高，具有較高的工程應用參考價值。
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[參考文獻] (References)
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