带电流检测的非互补控制交流调压的控制方式

王鲁杨，郝 静，陈 炯，王禾兴

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

我国某些地区电网供电质量较差，电网电压波动范围较大.电网电压波动不仅会对计算机、通信设备等敏感性负载造成很大的影响，如有效数据丢失、通信中断等，而且还会造成大量的电能浪费和设备寿命的降低.因此，调节电网电压对各种负载的正常运行非常重要.目前，工频交流调压器在工业加热、照明控制、感应电机的软启动、风机和水泵的速度控制等方面得到了广泛应用，大多采用的是传统的相控式交流调压器，开关器件为晶闸管.其优点是控制电路简单、功率容量大，缺点是当控制角增大时，功率因数减小，电流中谐波的幅值相对大，滤波器体积大［1］.采用PWM型斩控式交流调压器可以克服上述缺点.本文对带电流检测的非互补控制方式的斩波交流调压电路进行说明，并进行相应的仿真分析.分析表明，带电流检测的非互补控制方式可以很好地解决感性负载的失控区域问题，可使系统适用于各种负载.

1 非互补控制交流调压电路

斩控式交流调压的主电路如图1所示.

图1 斩控式交流调压主电路结构

当图1中的主开关S1和续流开关S2采用单个可控器件时，为防止电源短路，S1与S2的工作应该是互补的，但对两个开关进行互补控制时，极易出现开关的共态导通和共态关断现象.依靠在控制信号中设置死区时间不能完全解决此问题，必须为开关设置缓冲电路.设置死区时间和缓冲电路，对大容量电路来说不太合适，因此在斩控式交流调压电路中采用双可控器件的非互补控制方式，可以规避上述缺点［2］.其特点是正反相开关的工作方式可以分别控制，可以适用于任何负载.图2为双可控器件斩控式交流调压的主电路.

图2 双可控器件方式斩控式交流调压电路

2 非互补控制交流调压电路电流检测问题

非互补控制交流调压电路控制信号的时序如图3a所示.

图3a是应用MATLAB［3］对斩控式交流调压电路进行仿真时，对图2所示主电路中4个开关设置的控制信号，从上至下的4个波形依次为V1，V2，V3，V4的栅源电压 ug1，ug2，ug3，ug4.为了说明问题，载波频率设为500 Hz，调制波频率为50 Hz，控制信号占空比为0.5.图3b是图2所示主电路带电阻性负载时的仿真输出电压u0，网侧电流i1，输出电流i0的波形.网侧电压幅值为100 V，负载电阻为 2 Ω.

图3 无电流检测的非互补控制

在调制信号的前半个周期，ug2和ug4皆为高电平，主开关V1轮流通断:当ug1为高电平时，V1导通，u0=u1，V2和V4处于反向阻断状态;当ug1为低电平时，V1关断，负载电流中断，u0=0.在调制信号的后半个周期，ug1和ug3皆为高电平，主开关V2轮流通断:当ug2为高电平时，V2导通，u0=u1，V1和V3处于反向阻断状态;当ug2为低电平时，V2关断，负载电流中断，u0=0.通过改变控制信号的占空比可以改变输出电压的有效值.

当斩控式交流调压电路带阻感负载(2 Ω，20 mH)时，依然采用图3a所示的非互补控制信号，其工作波形如图4所示.3个波形依次是仿真输出电压u0，网侧电流i1，输出电流i0.

图4 无电流检测非互补控制阻感负载工作波形

由图4可知，阻感负载情况下电流相位滞后于电压.在电压u0过零后、电流i0过零前这段时间里，u0≡u1，即 u0失控.无论 ug1和 ug2的电平如何变化，电路开关状态不变.原因是u0与i0异号，输出功率p0=u0i0＜0，负载储能通过交流调压电路向电源反馈，而在电压u0过零后，原先按载波频率通断的主开关V1(或V2)的控制信号变为高电平，使其常通，使得与其反向并联的开关V2(或V1)处于反向阻断状态，电路的开关状态并没有形成对输入波形的斩波控制，故出现了失控现象.只有当电流i0过零后，u0与i0同号，输出功率p0=u0i0＞0时，失控现象消失.仿真结果表明，输出电压失控后在网侧电流、输出电压、输出电流中含有大量的奇次谐波，如图5所示.

图5 无电流检测非互补控制阻感负载谐波分析

当负载为容性时，也会出现失控现象［4，5］.为消除非互补控制交流调压电路非阻性负载下的失控现象，应对输出电流进行检测，然后根据输出电压u0和输出电流i0的极性来决定控制信号的时序分布，实现对失控区的斩波控制.

3 电流检测的逻辑控制

根据上述分析，阻感负载下失控的原因是电压u0过零后，原先按载波频率通断的主开关V1(或V2)的控制信号变为高电平，使其常通，而续流开关V4(或V3)的控制信号变为低电平，使其不能导通续流.为消除失控现象，在电压u0过零后、电流i0过零前的这段时间里，应使V4(或V3)按载波频率通断，负载通过V4(或V3)续流.输出电压u0不再恒等于u1，同时令V2(或V1)的控制信号变为低电平，避免其导通;V1(或V2)和V3(或V4)的控制信号依旧.在电流i0也过零后，u0与i0同号时输出功率p0=u0i0＞0，控制信号依旧.时序与无电流检测时相同，见图3a.

图4中，当电压大于零、电流小于零时，图2中的主开关V1关断，V2和V3导通，如果续流开关V3关断，负载电流沿V2和VD2流向电源，u0=u1(u1为输入电压);如果V3导通，电流沿V3和VD3续流，u0=0.当电压小于零、电流大于零时，主开关V2关断，V1和V4导通，如果续流V4关断，负载电流沿V1和VD1流向电源，u0=u1;如果V4导通，电流沿V4和VD4续流，u0=0.因此，当电压和电流方向不一致时仍能对电压进行斩波控制，可以消除调压失控现象.

电流检测的目的，是为了提取输出电压的符号函数和输出电流的符号函数，以得到控制信号C和C':

而要满足消除失控对 V1，V2，V3，V4控制信号的要求，则各开关管的控制信号逻辑分别为:

根据各开关管控制信号逻辑搭建的电流检测非互补控制交流调压电路仿真模型如图6所示.各开关管的逻辑控制信号 u'g1，u'g2，u'g4，u'g3，输出电压u0，网侧电流i1，输出电流i0的仿真波形如图7所示(其载波频率为500 Hz).

由图7可知，在电压u0过零后、电流i0过零前的这段时间里，主开关V2(或V1)的控制信号u'g2(或u'g1)≡ 0而常断，在 u'g4(或 u'g3)=0时u'g1(或u'g2)为高电平，输出电流i0经V1(或V2)反向流向电源，输出电压u0=u1.由于续流开关V4(或V3)的控制信号u'g4(或u'g3)不再恒等于零，为正脉冲列，使得续流开关V4(或V3)可以导通续流，输出电压u0不再恒等于u1，从而消除了输出电压u0的失控现象.

图6 电流检测非互补控制交流调压电路

图7 有电流检测非互补控制交流调压仿真结果

对输出电压u0，网侧电流i1，输出电流i0的FFT分析结果如图8所示.其仿真分析结果表明，各电量只含有和开关频率相关的谐波分量，不含有低次谐波.

图8 有电流检测非互补控制阻感负载谐波分析

4 结论

(1)在使用非互补式控制方式的过程中，如果负载为感性或容性时，若还按照阻性负载进行控制，会出现失控区域，导致输出电压和电流波形畸变.

(2)本文设计的电流检测非互补控制逻辑正确，通过对负载电流的检测，无论斩控式交流调压电路带有何种负载，都能有效消除输出电压的失控现象，使网侧及负载侧只含有和开关频率相关的谐波分量，不含有低次谐波.在较高的开关频率条件下，采用小容量的滤波器就可滤除谐波.

［1］王兆安，刘进军.电力电子技术［M］.第5版.北京:机械工业出版社，2010:145-146.

［2］林渭勋.现代电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社，2006:257-258.

［3］林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真［M］.北京:中国电力出版社，2009:86-87.

［4］李真，董保华，任慧，等.新型斩控式正弦波舞台调光器的研究与实现［J］.中国传媒大学学报自然科学版，2010，17(2):66-69.

［5］余训玮，邹云屏，张杰，等.交流斩波调压技术在正弦波调光设备中的应用［J］.通信电源技术，2007，24(2):43-45.