AC/DC/AC调频式谐振高压试验电源控制策略探讨

樊晓芹

【摘 要】传统的调频式谐振高压试验电源一般是通过模拟器产生正弦信号的，电路形式较为复杂，难以得到有效的维护，由此提出了大大功率开关器件所形成的多级放大电路得出所需要的正弦信号，该新型调频式谐振高压试验电源针对电压调节提出了自适应PI以电网电流为内环以及直流电容电压为外环的闭环控制模式，而对于电压调节通过三相PMW整流器实现的。同时针对频率调节提出了相关的电源控制策略，为类似调频式谐振高压电源的控制策略的制定提供了可供参考的经验。

【关键词】PMW 整流电路；调频式；谐振；高压；试验；电源控制；策略

Frequency Tuned Resonant Test Power Supply，FTRTPS，调频式谐振试验电源的耐压特定较好且试验范围较大，运行的效率较高。试验的装置重量、自身的体积都相对较小，试验样品所呈现出来的电压波形较好，当试样被击穿后能实现自动脱谐保护等特征。通过大功率开关器件所构成的电路实现了对传统模拟信号源以及功率放大电路进行了替代，从而直接产生了大功率的标准正弦波。

一、新型调频式谐振电源系统概述

新型新型调频式谐振电源系统的结构如下图所示。其主要由三相PWM整流电路、H桥逆变电路、滤波器输出、DSP控制器、检测单元、及人机接口部分构成，RL是试验过程中回路谐振电感等效内阻，而T为中间励磁升压变压器；C是试验回路等效电容，等效电容包括被测试样品电容和试验回路谐振电容。整个谐振试验电源输出的电压调节是通过三相PWM整流电路输出一侧的电容电压大小的控制实现的，当试验回路等效电容稳定在设定值时，系统则开始调节频率，频率的调节是通过逆变电路开关的控制实现的。最终将输出滤波器滤除系统输出信号中的毛刺由此得出了所需要的正弦波形。

系统中的检测装置结构为温度传感器以及电流型、电压型霍尔传感器，为了有效提高检测装置的抗干扰的能力，相应的信号通过光纤传递到DSP控制器MAXl25采集单元，而整个系统通过4×4键盘设置了实验参数，包括光标的移动、取消和确定等功能。尺寸为10.4英寸、分辨率为640x480的液晶通过并行的I/O接口实现了与DSP控制器连接作为人机操作终端进行显示。

公式中的Q为谐振电路品质因数，通过上述公式可了解到，被测试的样品两端得出被放大Q倍的电压，甚至可达到几十至上百万伏，由此通过放大电压对被测试样品进行交流耐压或者局部放电的试验。

二、设计电压调节自适应PI控制器

PWM整流器在一定程度上要建立简化以及精确的数学模型存在一定的障碍，而传统的电压调节自适应控制器无法得到满意度设计效果。由此本试验中选择自适应PI控制模式。

U*dc、Udc是直流侧电容C3所定出的参考以及实时电压；idis是所引入的电流扰动量；而i*a、i*b以及i*c分别为整流器网侧的三相电流的参考信号，其是由外环和内环所构成的。直流侧电容C3所给出的参考电压U*dc与实际电压Udc比较并通过自适应PI电压调节器在调节完成上之后实现了与电流扰动量idis的减数所形成的直流电流量I*s。为了保证网侧功率因素为1，也就是为了保证电压与电流具有同等相位，通过锁相电路PLL所得出标准的三相交流电源电压的相位与直流电流量相乘所得出整流器网侧三相电流的参考信号。

若是实现同步旋转的坐标系d轴与电网电压a相一致，也就是实现了电压的定向，那么i*a、i*b在通过变换之后可得知i*q的值为零。也就是控制整流器网侧三相的实际电流在经过变换之后的iq为零。由此实现了网侧功率因素为1的要求和标准。此时，对直流侧的电容C3的实时电压的调节主要与d-q变化d轴电流id相关。电压自适应PI的控制算法如下所示：

电流自适应PI控制的控制过程与电压自适应器的PI控制模式相似，是通过两个电流控制器的输出在经过d—q反变换过后与三角载波通过调制而得出的开关控制信号。

三、设计自动调频控制器

1、比例积分锁相的自动调频控制

相应比例积分锁相自动调频的框架图如下所示。在整个逆变电路当中，其死区是通过硬件电路来完成和实现的。相应系统的自动调频的范围将达到30-300 Hz。下图所示中的谐振电容C的两端电压滤波器输出电压U0是通过霍尔电压互感器测量之后通过抗干扰能力较强的光纤无失真传递到DSP控制器的MAXl25采集单元，并且通过零转换电路将其转换为方波信号。在经过XOR异或逻辑门的比较之后，将得出Uc、U0相位差，Rf以及Cf低通滤波器在对交流纹波滤除之后，将相位差变为无纹波平均化的电流电压信号Xf。PI控制与Rf以及Cf类似，能对噪声以及高频分量存在抑制作用，同时还对相位校正的速度以及精度进行了有效控制，能对动态以及静态的性能起到了决定作用。PI控制器的输出信号通过压控振荡器得出所期望得到的振荡频率信号，在通过三角载波调制之后，通过光电隔离以及放大后实现对1GBT的驱动。

2、控制模型

上述公式中的τf即为RfCf，表示的是滤波器的时间常数。

公式中的W0为，L、C均为谐振电杆定容，而RL则为谐振电感内阻。通过一系列的公式推导可得出控制的计算模型。

四、结语

研究了大功率开关器件IGBT实现对试验所产生的正弦波进行了分析，相应的体系结构较为简单、元器件的数目较少且便于维护，电压调节是通过三相PWM整流电路实现的。电压调节根据自适应PI电流内环、电压外环双环闭环控制方式，使用比例积分锁相自动调频实现了频率的调节，同时根据相应的谐振电路特点分析以及推导了控制模型。实践表明所提出的电压以及频率调节的方法具有较好的动态以及静态的性能和跟踪的效果，同时也具有较强的抗干扰能力。

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