AC-DC电力变换装置的设计

1、中北大学信息商务学院2014届毕业设计说明书1 概述1.1 研究背景及意义 AC/DC 电力变换装置是利用电力电子器件将交流电变换为直流电的装置，也称为整流装置。整流是电力电子技术中出现最早的一种，其形式多种多样，各具特色。整流技术经历了交流电机-直流电机系统、汞弧整流器、可控硅整流系统等发展过程。整流装置在这期间体积越来越小，效率越来载高。如今，AC/DC 电力变换技术广泛应用于各行各业，如冶金、化工、电源技术等。AC/DC变换是将交流变换为直流，AC/DC转换器就是将交流电变为直流电的设备，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。

2、AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的。为了提高 AC/DC 电力变换装置的性能，以不断满足人们日益增长的各种需求，控制理论被广泛应用于整流技术中。AC/DC 电力变换装置应用广泛。例如在船舶电力系统中，AC/DC 电力变换装置将发电机产生的电能进行处理，将其产生的三相交流电变换为电压大小可控的直流电能，再继续分配到后续的负载中。为了使变换后的电能满足后续负载的需要，AC/DC 电力变换装置必须对输出的直流电压进行稳定、准确、快速的控制。所以，AC/DC 电力变换装置的控制技术对整个整流系统，甚至整个船舶电力系统的正常工作有重

3、大的意义。而控制技术反过来也促进了 AC/DC 电力变换技术，仍至整个电力电子技术的发展。由于人类生活水平及工业生产水平的提高，电网中的用电设备日益增加，而不同的用电设备需要不同性质的电能。电力电子技术就是将一种电力变换为另一种电力，以满足不同负载的要求。电力变换依靠控制电力电子器件来实现，所以研究其控制技术有重要的实际意义。1.2 国内外发展与现状1.2.1 电力电子技术的发展与现状 一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。 1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和

4、无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，水银整流器广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在晶闸管出现以后的相当长一段时期内，所使用的电路形式仍为是这些形式。 1947年，美国著名的贝尔实验室发明了晶闸管，引发了电子技术的一场革命。晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力

5、电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。 20世纪70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之

6、为斩波控制方式，简称斩控方式。在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。 目前，电力电子集成技术的发展十分迅速，除以PIC为代表的单片集成技术外，电力电子集成发展的焦点是混合集成技术，即把不同的单个芯片集成封装在一起。

7、除单片集成和混合集成外，系统集成也是电力电子集成的一个重要方面，特别是对于超大功率集成技术更是如此。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。1.2.2 电力电子技术发展动向 在人类文明和技术发展的整个历史进程中，能源和动力发挥着至关重要的作用。电能作为一种特殊形式的二次能源，具有清洁、便于传输和控制的特点，已经成为现代主要的能量载体。现代社会的各行各业都依赖于优质、稳定的电能供应。但是公用电网提供的仅是频率、电压为某一固定值的电源。由于用电设备的类型、功能千差万别

8、，虽然它们都用电工作，但对电能的电压、频率数值的要求却大不相同。电力电子技术就是利用电力开关与相应的控制技术，将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、电压、波形的电能，使用电设备处于各自理想的最佳工况，以获得最大的技术经济效益，或满足用电负载的特殊工况要求。电力电子技术产生于 20 世纪后半叶，现在已广泛应用于一般工业、交通运输、电力系统、家用电器等领域。以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。目前，在1KW以下，甚至几十万以下的功率范围内，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。这已经成为一个重要的发展驱使，值得引起人们的注意。电力电子装置特供给负载的是各种不同直流电源、恒频交

9、流电源以及变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究就是电源技术。此外，电力电子技术对节省电能也有重要的意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此电力电子技术也可以称为技能技术。总之，电力电子技术的应用范围十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。1.2.3 AC/DC电力变换装置现状目前，AC/DC 电力变换技术根据电力电子器件和电路拓扑结构的不同，基本上可以分

10、为二极管整流电路、晶闸管整流电路、斩控整流电路与 PWM 整流电路四种。这四种整流电路的基本拓扑结构如图 1.1 所示。 二极管整流 晶闸管整流 斩波整流 PWM整流 图1.1 AC/DC 电力变换技术的基本类型 二极管整流电路采用二极管作为开关器件，由于其不可控性，很少单独使用。斩控整流电路是二极管整流与直流斩波技术的结合，由于其可靠性差，成本高，目前只应用于小功率场合，大功率的应用十分有限。PWM 整流电路采用 IGBT 等全控型器件作为电路的开关器件，其优点是功率因数高，引入的电流谐波含量低，被公认为是最有前途的一种整流技术，其控制技术是当今各国学者研究的热点，在中小功率领域已显现出其优

11、良的性能。但由于其复杂性与不成熟性，PWM 整流电路目前在大功率场合还很少应用。 晶闸管整流电路由于其可靠性高、效率高、控制方便、价格便宜，是目前使用最广泛的一种整流技术。特别是在大功率领域中，晶闸管整流技术已成为高性价比的最佳方案。晶闸管整流电路的缺点是其引入的电流谐波较大，在深控条件下，功率因数较低。为提高系统性能，往往需要在网侧安装滤波装置与无功补偿装置。在大功率场合，常应用带平衡电抗器的双反星形可控整流电路和多重化整流电路。其中，多重化整流电路是指按一定的规律将两个或多个相同结构的整流电路（如三相桥）进行组合。例如目前广泛使用的十二脉波整流电路，二十四脉波整流电路等。根据具体的应用需求

12、，可以灵活选择并联结构或串联结构来得到大电流或大电压。 在 AC/DC 电力变换装置的控制方面，大部分采用 PI 或 PID 的控制策略。随着负载对系统要求的提高，智能控制、变结构控制等许多先进的控制理论被引入到 AC/DC 电力变换装置中。例如采用模糊滑模变结构控制方法对三相整流器进行控制；采用单神经元自适应 PID 的控制方法来增强大功率整流电源的鲁棒性；将模糊控制引入到 PWM 整流系统中。在船舶电力系统中，负载种类繁多且工况变化复杂，导致系统参数经常随时间变化，这必然会影响 AC/DC 电力变换装置的控制性能。所以将先进控制理论引入 AC/DC 电力变换控制系统，制定合理的控制策略来克

13、服参数变化引起的系统干扰，有一定的实际意义。电力变换控制触发电路作为控制策略实现的载体，是整个系统的核心。由于电子信息技术及微电子技术的不断发展，控制电路已经从分立元件电路发展为集成元件电路，从模拟电路发展为数字电路。目前，有许多专用集成芯片被广泛采用，例如晶闸管触发控制专用的 KJ004 与 TCA785。使用专用集成芯片不仅简化了电路设计，还增强了电路的可靠性。但是，专用集成芯片的缺点是控制精度低、触发脉冲不对称度高、灵活性较差。所以，以单片机、DSP 为代表的微控制器为基础的数字控制电路正在逐步取代分立元件电路与专用集成芯片电路。采用微控制器的控制电路控制精度高、灵活性强。由于现代生产对

14、系统控制性能的要求日益提高，促使以微控制器为核心的控制电路的设计引起了许多学者的关注。1.2.4 本课题研究的主要内容 一、AC/DC电力变换装置原理分析。对十二脉波整流电路的工作原理进行了分析，并对 AC/DC电力变换控制系统的各个环节进行了数学建模分析。 二、AC/DC电力变换装置控制策略设计。在AC/DC电力变换装置的滤波参数设计的基础上，结合开环分析设计合理的控制策略，并在MATLAB/Simulink 环境下对所设计的控制算法进行仿真研究。 三、AC/DC电力变换装置硬件设计。基于TMS320F2812 进行AC/DC 电力变换装置的控制电路设计。2电力变换装置以及工作原理2.1整流

15、电路类型 电力网供给用户的是交流电，而各种无线电装置需要用直流电。整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。2.11半波整流电路 图2.1半波整流电路图上图是一种最简单的整流电路。它由电源变压器B 、整流二极管D 和负载电阻Rfz组成。变压器把市电电压（多为220伏）变换为所需要的交变电压e2 ，D 再把交流电变换为脉动直流电。下面从波形图上看着二极管是怎样整流的。图2.2半坡整流电路波形图变压器砍级电压e2，是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压，它的波形如图5-2（a）所示。在0K时间内，e2为正半周即变压器上端为正下端为负。

16、此时二极管承受正向电压面导通，e2通过它加在负载电阻Rfz上，在2 时间内，e2为负半周，变压器次级下端为正，上端为负。这时D 承受反向电压，不导通,Rfz上无电压.在2 时间内,重复0时间的过程，而在34时间内，又重复2 时间的过程。这样反复下去，交流电的负半周就被"削"掉了，只有正半周通过Rfz，在Rfz上获得了一个单一右向（上正下负）的电压，如图5-2（b）所示，达到了整流的目的。但是，负载电压Usc以及负载电流的大小还随时间而变化，因此，通常称它为脉动直流。2.22全波整流电路如果把整流电路的结构作一些调整，可得到一种能充分利用电能的全波整流电路。下图是全波整流电路

17、的电原理图。 图2.3 全波整流电路图 全波整流电路，可以看作是由两个半波整流电路组合成的。变压器次级线圈中间需要引出一个抽头，把次组线圈分成两个对称的绕组，从而引出大小相等但极性相反的两个电压e2a、e2b，构成e2a、D1、Rfz与e2b、D2、Rfz，两个通电回路。 图2.4 全波整流电路波形图 全波整流电路的工作原理，可用图2.4所示的波形图说明。在0间内，在e2a对Dl为正向电压,D1导通,在Rfz上得到上正下负的电压；e2b对D2 为反向电压，D2不导通（见图在-2时间内，e2b对D2为正向电压，D2导通，在Rfz上得到的仍然是上正下负的电压；e2adui D1为反向电压,D1不导

18、通（见下图如此反复，由于两个整流元件D1、D2 轮流导电，结果负载电阻Rfz上在正、负两个半周作用期间，都有同一方向的电流通过，如图所示的那样，因此称为全波整流，全波整流不仅利用了正半周，而且还巧妙地利用了负半周，从而大大地提高了整流效率（Usc 0.9e2，比半波整流时大一倍）。2.23桥式整流电路桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。 图2.5 桥式整流电路图 桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，D1，D3导通；对D2、D4 加反

19、向电压，D2、D4 截止。电路中构成e2 、Dl、Rfz 、D3通电回路。在Rfz上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时,对D2、D4 加正向电压，D2、D4 导通；对D1、D3 加反向电压，D1、D3 截止。电路中构成e2、D2 Rfz、D4 通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。上述工作状态分别如图2.5所示。 如此重复下去，结果在Rfz,上便得到全波整流电压.其波形图和全波整流波形图是一样的。从图2.5中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值,比全波整洗电路小一半。 2.2整流电路的原理 整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压

20、较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。习惯上称单向脉动性直流电压。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。

21、电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种，倍压整流电路用于其它交流信号的整流，例如用于发光二极管电平指示器电路中，对音频信号进行整流。前三种整流电路输出的单向脉动性直流电特性有所不同，半波整流电路输出的电压只有半周，所以这种单向脉动性直流电主要成分仍然是50Hz的；因为输入交流市电的频率是50Hz，半波整流电路去掉了交流电的半周，没有改变单向脉动性直流电中交流成分的频率；全波和桥式整流电路相同，用到了输入交流电压的正、负半周，使频率扩大一倍为100Hz，所以这种单向脉动性直流电的交流成分主要成分是100Hz的，这是因为整流电路将输入交流电压的一个半周转换了极性，使输出

22、的直流脉动性电压的频率比输入交流电压提高了一倍，这一频率的提高有利于滤波电路的滤波。在电源电路的三种整流电路中，只有全波整流电路要求电源变压器的次级线圈设有中心抽头，其他两种电路对电源变压器没有抽头要求。另外，半波整流电路中只用一只二极管，全波整流电路中要用两只二极管，而桥式整流电路中则要用四只二极管。根据上述两个特点，可以方便地分辨出三种整流电路的类型，但要注意以电源变压器有无抽头来分辨三种整流电路比较准确。在半波整流电路中，当整流二极管截止时，交流电压峰值全部加到二极管两端。对于全波整流电路而言也是这样，当一只二极管导通时，另一只二极管截止，承受全部交流峰值电压。所以对这两种整流电路，要求

23、电路的整流二极管其承受反向峰值电压的能力较高；对于桥式整流电路而言，两只二极管导通，另两只二极管截止，它们串联起来承受反向峰值电压，在每只二极管两端只有反向峰值电压的一半，所以对这一电路中整流二极管承受反向峰值电压的能力要求较低。在全波和桥式整流电路中，都将输入交流电压的负半周转到正半周或将正半周转到负半周，这一点与半波整流电路不同，在半波整流电路中，将输入交流电压一个半周切除。 分析上述整流电路时，主要用二极管的单向导电特性，整流二极管的导通电压由输入交流电压提供。 2.3十二脉波整流电路 整流电路的移相多重联结分为并联多重联结和串联多重联结。这两种联结方式带来的效果是相同的，下面只讨论串联

24、多重联结的整流电路，其构成方式见表1。 直流侧脉波数交流侧移相角联结重数 12 30°二重18 20°三重 24 15° 四重 30 12°五重 36 10°六重表2.1 串联多重联结的构成 十二脉波整流电路如图2.1所示，该电路由2个三相整流桥串联组成，用晶闸管作为电力开关器件。变压器一次侧的输入为三相交流电源，分别通过 Y-Y 连接方式与Y-连接方式，使二次侧输出六相交流电源。其主电路的开关器件为晶闸管，变压器二次侧由两个绕组构成，绕组采用 Y 形接法，绕组采用形接法，从而使绕组的相电压滞后于绕组的相电压30°，使得直流侧输出电压

25、Ud在每个电源周期内脉动 12 次，故称为 12 脉波整流电路。 图2.6 12脉波串联整流电路原理图12 脉波整流电路的主要组成部分有：三相交流电源、三相三绕组变压器、主电路（两个三相全控晶闸管整流桥、负载）、控制电路（同步脉冲发生器）。十二脉波整流电路的特点如下：（1）Y-Y 连接方式的一、二次侧的匝数比为1:1，而 Y-连接方式的一、二次侧的匝数比为1：3；使得变压器输出的六相交流电源线电压有效值大小相等。即线电压a1c1、c1b1、b1a1、a2c2、c2b2和b2a2有效值大小相等。（2）Y-Y 连接方式的三相输出线电压比 Y-连接方式的超前30°。即 a1c1、c1b1和

26、b1a1分别比a2c2、c2b2和b2a2在相位上超前30°。（3） 上桥的共阴极与下桥的共阳极相连接，形成串联结构。两组三相整流桥工作时互不干扰，且工作原理相同。2.4 AC/DC 电力变换装置的工作原理十二脉波整流电路通过控制晶闸管的导通来实现 AC/DC 电力变换，所以晶闸管导通时刻的不同会直接影响输出给负载的直流电压值。十二脉波整流电路的晶闸管控制遵循以下的规律：（1） 在任意时刻，上桥共阳极组的晶闸管、上桥共阴极组的晶闸管、下桥共阳极组的晶闸管与下桥共阴极组的晶闸管，各有一个处于导通状态，其余的晶闸管处于关断状态，以形成向负载供电的电流回路。变压器二次侧输出的六相交流相电压

27、，有四相向负载供电。在十二脉波整流电路正常工作的任意时刻，不同时刻导通的晶闸管不同，参与供电的交流电源不同。并且输出给负载的直流电压等于上下两桥输入的交流线电压之和。（2）12 个晶闸管的导通顺序为： VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-VT7-VT8-VT9-VT10-VT11-VT12。通过在门极与阴极间施加触发脉冲信号，使晶闸管由关断状态进入导通状态。电路在稳态工作时，触发脉冲必须满足以下的相位关系：共阳极组或共阴极组的晶闸管，在一个交流电源周期中，每一个晶闸管导通状态持续的时间为120°。（3） 任意一个晶闸管从自然换相点开始到施加触发脉冲的这段时间，被称为控制角

28、，一般用角度表示。晶闸管的导通情况如表2.2所示。表2.2 控制角为 0 度时晶闸管的导通情况 （4）输出直流电压在一个电源周期有12个时段，每一个时段持续的时间为 30 度。负载电压波形每进入一个新的时段，就要有触发脉冲产生，使电路产生一次换相。每个晶闸管在导通状态期间会经历3次换相，在整流合闸启动过程或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的4个晶闸管均有触发脉冲，即在某一晶闸管第一次被触发的同时，还需对其序号前面的3个晶闸管分别施加触发脉冲。为此，可采用两种方法：一种是采用四窄脉冲触发，相邻脉冲的前沿相差30°；另一种方法是采用大于120°的宽脉冲触发。 （

29、5）改变晶闸管的触发时刻，即改变控制角，输出直流电压的大小与脉动幅度也随着变化。控制角越大，输出的直流电压平均值越小，直流脉动系数越大。可见，调节控制角就可以控制输出直流电压的大小。 在设计十二脉波整流电路的控制系统时，控制器的任务就是根据系统给定与输出反馈信息，自动调节控制角的大小，使系统输出给负载的直流电压符合给定要求，并按照负载要求随时调节。2.5 十二脉波整流电路的控制系统建模在十二脉波整流电路控制系统中，被控对象为十二脉波整流电路。由于十二脉波整流电路的输出是直流电压，并且通过控制角来调节输出，所以负载的电压就是系统的控制量，控制角的大小就是控制器的输出，用表示。因此，十二脉波整流控

30、制系统可以设计为如图 2.7 所示的形式。图2.7 十二脉波整流电路控制系统框图在该控制系统中，将输出给负载的直流电压作为反馈量与给定电压作比较，其差值作为控制器的输入，控制器根据给定电压与反馈电压的偏差，调节控制角的大小，使偏差逐渐减小，从而实现对系统的控制。由图2.7的控制系统图可知，整个系统由多个环节组成，分别是电力变换环节、控制调制环节与滤波器环节等。下面就分别对各个环节进行分析。2.51电力变换环节十二脉波整流电路可以实现 AC/DC 电力变换。电路输出的直流电压大小与控制角和输入的交流电压大小有关。根据图2.7，输出给负载的电压就是四个交流相电压相加后的结果，控制角决定了由交流电压

31、的哪个部分进行相加。并且工作在连续方式下的十二脉波整流电路在交流电源周期 T 内有12段相同部分的输出电压波形。因此在时间 T/12 内简单求取输出电压的平均值就可以得到平均输出电压。 2.52 控制调制环节控制调制环节由控制器与调制器组成。控制器根据给定信号与反馈信号的差值，利用相应的控制策略计算出输出的控制电压。由于控制角与输出直流电压呈反比例的关系，为了使控制电压与输出直流电压呈正比例关系，以便于控制，还需要调制环节将控制电压转换为控制角，并输入到十二脉波整流电路中。调制环节的原理图如图2.8所示。图2.8 调制环节原理图 在图2.8中，r(t)为调制信号。该信号为周期性的直角三角波信号

32、。三角波的周期与交流电源的周期相同；三角波的宽度一般设置为控制角的移相范围大小；而三角波的高度与控制电压的最大值相同。控制电压与三角调制波的交点就是触发脉冲的起始点。这样，每一个控制电压值就有一个控制角与之对应。2.53 滤波环节在信息电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。同样的，在电力电子电路中，为了使负载正常工作，有时对直流电源的要求也比较高。常用的直流电源的特性指标包括：最大输出电压、最大输出电流、输出电压范围。而质量指标包括：稳压系数、温度系数、纹波系数等。其中纹波系数是指直流电压波峰波谷的差值与平均电压之比，是最主要的质量指标。纹波系数越小，输出电压越稳定。 而在十二脉波整流

33、电路中，输出的直流电压在每个电源周期有十二次波动，并且控制角越大，纹波系数越大，直流电源的质量也就越差。为了提高系统输出的直流电能质量，有必要对系统的输出进行滤波处理。根据滤波要求及应用场合的不同，可将滤波电路分为感性输入直流滤波电路和容性输入直流滤波电路。容性输入直流滤波电路如图2.10所示，该电路等效于与负载并联的一个电容。 图2.10 容性输入直流滤波电路容性直流滤波电路能够滤除电压纹波，提供非常有效的工作性能，但它们需要额外的开通和重复峰值电流。因此，容性直流滤波电路只能应用在功率小的场合。感性直流滤波电路能够滤除直流电流的纹波。在大功率应用场合，更多的使用感性。直流滤波电路。因为直流

34、电流脉动系数的减小，能获得更有效的变压器运行性能。图2.11所示结构为最简单的感性输入直流滤波电路，其等效于与负载串联的电感。当电感足够大时，整流电路的输出电流就可以维持一个稳定的数值。在重载的情况下，感性滤波电路的作用要比在轻载情况下更加有效。 图2.11 感性输入直流滤波电路 在十二脉波整流电路系统中，由于其大功率、高电压，宜采用容性滤波电路与感性滤波电路的结合，即L型滤波电路，也称为LC滤波电路。2.54 稳压电路 经整流和滤波后的输出电压往往会随交流电源电压的波动和负载的变化而变化，而输出电压的不稳定可能会引起电子线路系统工作不稳定，甚至根本无法正常工作。精密电子测量仪器、自动控制、计

35、算装置及晶闸管的触发电路等都是要求直流电源具有很高的稳定性。因此，在滤波电路之后，往往需要增加稳压电路。 采用稳压管稳压电路是最简单的直流稳压电路，如同2.13中，稳压电路由限流电阻R和稳压管DZ构成。当电源电压出现波动或负载（电流）变化时，该稳压电路能自动维持负载电压Uo的基本稳定。图2.13 稳压管稳压电路3 AC/DC 电力变换装置控制策略研究3.1 控制系统性能指标 控制策略的参数设计要根据系统的性能指标来进行，下面列出 AC/DC 电力变换系统直流侧的部分性能指标： 输出电压范围：800V1000V 可调。 电压调节（空载-满载）：+/-1%。 电压暂态波动范围：+/-15%。 暂态

36、电压恢复时间：0.1s。3.2 滤波电路参数设计 由于控制系统输出直流电压的范围是 800V1000V，对滤波器的要求就是在这段电压输出范围内，滤波后的输出电压均能满足负载要求。所以滤波电路参数的选取是实现这一性能指标的关键。在十二脉波整流电路控制系统中，如果要求输出电压范围在 8001000V 时，输出给负载的电压纹波系数为2%，可按以下步骤计算来得到合适的电容值和电感值。设置输出电压为1000V时，系统性能指标规定滤波后输出电压脉动幅值V=1000×2%= 20V。图3.1表示滤波前的1000V电压波形。图 3.1 输出平均值为 1000V 时，滤波前的输出电压波形 根据以上仿真

37、结果，当电感选取为L f=3mH时，所需要的电容值较小，而且电压脉动幅值也符合指标。电感选定为该值后，在此基础上，选取较大的电容值。综合以上因素，选取Lf = 3mH，Cf = 600F 作为滤波电感和电容，组成LC滤波器。通过MATLAB仿真，得到以该参数为基础的滤波电路的滤波效果由图3.2 所示。图 3.2 不同输出时的滤波效果3.3 控制系统PID控制研究 PID 控制由于易于实现、调试方便、性能良好，是目前使用最广泛的一种控制策略。PID 控制通过误差、误差的变化率与误差积累的线性组合，输出控制量给控制对象。如果三者的权重调整适当，即 PID 参数合理，可以使控制系统既有较好的动态性能

38、，也有较小的稳态误差。将PID控制器应用于十二脉波整流电路控制系统中，来研究控制系统的控制性能。3.3.1 PID 控制系统 Simulink 模型 在 MATLAB/Simulink 环境下，搭建十二脉波整流电路控制系统如图3.3所示。图3.3 PID 控制系统 Simulink 仿真图 其中整流电路的输出电压通过电压表的测量，输入到控制电路中；控制电路的输出量是控制角，输出到十二脉波同步触发器中，实现对控制角变量的控制。控制电路的结构如图3.4所示。图3.4 控制电路 Simulink 仿真图其中的阶跃信号作为控制系统的给定信号。输入量经过均值计算后，与给定信号进行比较，并将差值信号输入到

39、 PID 控制器中。PID 控制器输出控制电压，经过调制环节转换成控制角。PID 控制器的Simulink 模型如图3.5所示。其中kp、ki、kd为控制器的P、 I、D参数。要达到良好的效果，必须选择合理的参数。 图3.5 PID 控制器 Simulink 仿真图3.3.2 PID 控制系统仿真曲线在以上所述仿真模型的基础上，设置控制参数，运行仿真程序，得到控制系统的各个仿真曲线。假设负载电阻大小为Ro = 2.5，当P0.22，I=15，D0.001，给定电压为 1000V时，控制系统的输出如图3.6所示。可见，在经过PID校正后，控制系统的输出无超调，调节时间为0.4s满足指标的要求。图

40、3.6 负载电阻 Ro = 2.5 ，PID 控制输出电压波形 根据上述，负载的阻值不断增大时，也要修改PID参数才能使系统达到稳定的状态，而新的控制参数对原先的负载阻值又不太合适。因此，为了满足条件，负载的电阻每变化一次，就要修改一次控制参数。 对用的不同的负载，需要不同的PID参数才能满足条件，才能获得理想的控制效果。但这种情况对于这对大工作量控制系统来说，实现起来非常不方便。为了使AC/DC 电力变换装置满足稳定工作并有良好的动态性能，就必须要随时调节控制器的PID参数，才能满足控制的需要。所以传统的PID控制器已不能满足系统控制的要求，必须寻求更先进的控制策略，来克服负载变化所带来的影

41、响。3.4 控制系统模糊控制研究模糊控制技术室以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础，以先验知识和专家经验为控制规则的只能控制方法，它无需知道系统精确的数学模型，只需要现场操作人员的经验和操作数据。模糊算法对于时滞系统比较适用，它是处理时滞系统中难以定量化环节和不确定性的有效手段。PID控制是一种无静差的控制算法，将模糊控制技术和传统的PID控制相结合，能够有效地解决模糊控制存在与静态误差的缺陷。目前应用较为广泛的是模糊控制与PID控制的串联或者模糊控制与PID控制相并联。3.4.1 模糊控制理论概述在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称

42、PID调节。当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。直到现在为止，PID控制得到极其广泛的应用，概括起来，该算法具有如下优点：原理简单，使用方便。PID控制是由P、I、D三个环节组合而成，其基本组成原理比较简单，很容易理解它，参数的物理意义也比较明确。适应性强。可以广泛的应用于化工、热工、冶金、炼油、造纸、建材等各种生产场合。按PID控制进行工作的自动调节器早已商品化，在具体实现上经历了机械式、液动式、气动式、电子式等发展

43、阶段，但始终没有脱离PID控制的范畴。即使目前最先进的过程控制系统，其基本控制算法也仍然是PID控制。比例控制Kp,比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。比例控制是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的趋势变化。当系统误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的对象朝着减小误差的方向变化。比例系数Kp的作用在于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，但过大将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定；如果Kp取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统动、静态特性变坏

44、。因此，比例调节常与无差的积分调节或增加阻尼的微分调节共同作用。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统静差。KI为了保证被控量在稳态时设定值的无静差跟踪。只要存在偏差，则它的控制作用就会不断增加。只有在偏差e（t）=0时，积分值变成常数，控制输出才是一个常数。因而，积分部分的作用可以消除系统的偏差。积分时间常数对积分部分的作用影响极大。当Ti较大时，则积分作用较弱，这时，系统的过渡过程不易产生振荡，但是消除偏差所需要的时间较长；当Ti较小时，则积分作用较强，这时系统过渡过程中油可能会产生振荡，但消除偏差所需要的时间较短。对一个自动控制系

45、统，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器的参数整定步骤如下：（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； （2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；

46、（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。3.4.2 PID控制算法随着计算机技术的迅猛发展，由计算机实现的数字PID控制器正在逐步取代模拟PID控制器。（1）数字PID位置型控制算法是为了用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，便于计算机实现，为此将积分式和微分式近似用求和及增量式表示： （3-2） （3-3）得到数字的PID表达式: （3-4） 式中，=T为采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度；E（k）为第k次采样时的偏差值；E（k-1)为第k-1次采样时的偏差值；k为采样序号，k=0,1,2,;P(k)为第k次采样时调节器的输出。由于式（3-4）的输出值

47、与阀门开度的位置一一对应，因此，通常把式（3-4）称为位置型PID算式。 由式（3-4）可以看出，要先计算P（k），不仅需要本次与上次的偏差信号E（k）和E（k-1），而且还要在积分项中把历次的偏差信号E（j）进行相加。这样，不仅计算繁琐，而且为了保存E（j）还要占用很多内存。因此用式（3-4）直接进行控制很不方便。为此，做如下改动16。 根据递推原理，可写出第k-1次的PID输出表达式 （3-5）用（3-4）减去（3-5）可得 (3-6)式中，为积分系数；为微分系数。由（3-6）可知，要计算第k次输出值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、）计算要简单的多。 （2）在很多控制系统中，由于执行机构是采用步进电机或多圈电位器尽心控制的，所以，只要给一个增量信号即可。因此，由式（3-4）和（3-5）相减得到: 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 模糊控制所谓模糊控制,就是在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊思维方法,用计算机实现与操作者相同的控制。该理论以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑为基础,用比较简单的数学形式直接将人的判断、思维过程表达出来,从而逐渐得到了广泛应用。应用领域包括图像识别、自动

49、机理论、语言研究、控制论以及信号处理等方面。在自动控制领域,以模糊集理论为基础发展起来的模糊控制为将人的控制经验及推理过程纳入自动控制提供了一条便捷途径。模糊控制的特点是：（1）模糊控制不需要被控对象的数学模型。模糊控制是以人对被控对象的控制经验为依据而设计的控制器，故无需知道被控对象的数学模型。（2）模糊控制是一种反映人类智慧的智能控制方法。模糊控制采用人类思维中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理是人类智能活动的体现。（3）模糊控制易于被人们接受。模糊控制的核心是控制规则，模糊规则是用语言来表示的。（4）构造容易。模糊控制规则易于

50、软件实现。（5）鲁棒性和适应性好。通过专家经验设计的模糊规则可以对复杂的对象进行有效地控制17。 如图3.8所示,模糊控制器的基本结构包括知识库、模糊推理、输入量模糊化、输出量精确化四部分。图3.7 模糊控制器的基本组成框图3.5.1 模糊控制系统结构 将模糊控制器应用于十二脉波整流电路控制系统时，与 PID 控制系统相比，系统的整体结构不需要作太大改动。首先将 PID 控制器替换为模糊控制器，并将误差及误差的变化率作为模糊控制器的输入。因为模糊控制可以实现任意的非线性控制，可以把 PID控制器后面的调制环节去除，直接令模糊控制器输出整流电路的控制角。为了提高系统的控制精度，采用增量型控制器，

51、即控制器的输出为控制角的变化量。在控制器后面需要增加一个积分环节来进行控制角变化量的累加，来输出实际的控制角。改进后的控制系统如图3.8所示。 图3.8 模糊控制系统3.5.2 模糊控制器设计 1、模糊化 模糊化就是将控制器的输入与输出转化为各个模糊集合的隶属度，为模糊推理算法提供数据。合理地设置模糊隶属函数是提高模糊控制器性能的前提。在十二脉波整流电路控制系统中，可以将控制器的输入与输出，即误差、误差变化率以及控制角变化量，在一定论域上定义五个模糊集合，并分别定义为正大、正小、零、负小、负大，分别用字母表示为 PB、PS、ZE、NS、NB。每一个模糊集合用隶属函数表示。这样，每一个输入量或输

52、出量都可以通过隶属函数计算出其隶属于各个集合的程度是多少。2、模糊控制规则在进行控制规则的设置时，要利用工程人员的操作经验。根据十二脉波整流电路的工作原理，可以将控制规律进行以下概括：如果误差为负，且误差变化率为负，那么应增大控制角，来减少输出电压。如果误差为正，且误差变化率为正，那么应减小控制角，来增大输出电压。对以上的经验进行总结，得到表 3.1 所示的语言控制规则。控制器在运行过程中会不断地查询表 3.1 所示的控制规则，对每一个控制器输入计算出相应的输出隶属度。表 3.1 语言控制规则3、消除稳态误差稳态误差是模糊控制固有的缺陷，通过以上所述设计的控制系统，会有 10V 左右的稳态误差

53、。而 PI 控制可以有效地减小稳态误差，使系统的输出更加精确。因此，以将模糊控制与 PI 控制相互结合，来提高系统的控制精度。模糊控制器与 PI 控制器的结合方式如图3.9所示，该图中采用一个受控开关，使系统在模糊控制与 PI 控制这两个模态之间互相切换。图3.9 模糊控制器与 PI 控制器的切换 如果给定与反馈的误差大于 10V，则开关切向模糊控制器，系统处于动态调节状态，此时采用表3.1所示的规则进行控制动作。 4、仿真电路 在Simulink环境下搭建模糊控制仿真电路。其中十二脉波整流电路主拓扑结构不作改动，而且 MATLAB/Simulink 有现成的模糊控制模块，只需要在模块中设置相

54、应的参数就可以实现控制算法，大大方便了工程人员的设计。所以只需重新搭建控制电路即可。模糊控制电路如图3.10所示。图3.10 模糊控制电路 Simulink 仿真图3.5.3 模糊控制系统仿真曲线启动仿真程序，便得到系统的输出动态曲线。图3.11为不同负载情况下，控制系统的输出曲线。图3.11 不同负载情况下，模糊 PI 控制输出曲线 通过曲线可知，模糊控制器不会依赖于系统的数学模型，当负载变化时，控制器不会收到的影响。从图3.12的曲线可以得知，负载变化时，系统的输出曲线几乎不受影响，在PID控制器下产生了振荡，即模糊PI控制器可以克服负载变化对系统的干扰。因此，模糊PI控制器的性能要优于P

55、ID控制器。图3.12 不同负载情况下，PID 控制输出曲线图3.13为同样负载条件下，PID 控制与模糊PI控制的系统输出曲线比较。其中实线为模糊PI控制时系统的输出曲线，虚线为PID控制时系统的输出曲线。从图中可以看出，模糊PI控制的响应速度总体上优于PID控制，系统的动态性能有很大改善。图3.13 仿真曲线比较 由于负载变化时，系统的开环波特图也产生变化。PID 控制器无法克服系统参数变化所带来的干扰。而模糊控制器由于不依赖于精确的数学模型，只要隶属函数与控制规则设置合理，就可以克服负载变化对系统的影响。将模糊控制器与PI控制器相结合，控制系统不仅抗扰动能力强，动态性能也优于PID控制器

56、。第4章 AC/DC 电力变换装置硬件设计4.1 控制电路4.1.1TMS320F2812介绍德州仪器所生产的TMS320F2812 数字讯号处理器是针对数字控制所设计的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应用，如数字电机控制(digital motor control, DMC)、控制(data acquisition and control, DAQ)等领域。针对应用最佳化，并有效缩短产品开发周期，F28x 核心支持全新CCS环境C compiler，提供C 语言中直接嵌入汇编语言的程序开发介面，可在C 语言的环境中搭配汇编语言来撰写程序。值得一提的是，F28x DSP 核心支持特殊的IQ-math 函式库，系统开发人员可以使用便宜的定点数DSP 来发展所需的浮点运算算法。F28x 系列DSP预计发展至400MHz，目前已发展至150MHz 的Flash 型式。4.1.2 控制电路的设计控制电路根据输入的交流同步信号来确定控制角的基准，再通过反馈的直流电压信号来确定当前触发脉冲的控制角。同时，控制电路将