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数码发电机整流稳压电源设计
引言
数码发电机是近几年中发展起来的一个新的发电机产品，它是一种便携式发电机。中频发电机体积小、重量轻，是与之相配套的理想的发电机。但是中频发电机输出的三相交流电的频率在400-760Hz 间变化，电压在300-540V 间变化[1]，给整流器的设计带来了一定的困难。传统的整流方案大多针对定频、定压输入，适应的电压频率变化范围都不大[2]。本文针对此情况设计了一种宽频率、宽电压的适用于数码发电机的整流方案。
本系统采用前馈控制结合PID 控制的复合控制策略，在前级整流器中加入前馈控制可以有效的减少响应时间及降低超调量。出于电压稳定及经济状态的考虑，可在系统中加入油门控制。实验表明设计的整流器和中频发电机配合良好，输出工频电压达到设计要求。
1 整流器总体结构设计
为了得到稳定的市电，中频发电机发出的三相电经过三相半控桥整流后得到稳定的直流电，经电容滤波后再通过逆变得到我们所需要的市电[3]。由于中频发电机所发的三相电为宽频率、宽电压的三相电，因此对前级整流电路的要求比较高。由于输入三相电的频率及电压变化及其频繁，如果采用文献[1]中所使用的拓扑结构，虽然也能得到稳定的直流输出电压，但是直流电压趋于稳定所用的时间相对较长并且系统的超调量也会比较大。经过分析本文给出了如所示的数码发电机的前级整流电路。
中在三相电输入端加入电压及频率检测构成前馈控制，就能及时有效的检查出电压及频率的变化，控制器便可在输出电压U 变化之前控制油门开度或者触发角度的大小从而输出更加稳定的直流电压。由于发电机所发出的三相电各相间的电压、频率相等，所以只检查两相间的电压、频率即可。通过电压传感器检查U 的大小，然后通过PID 控制器将本系统组成闭环控制系统，从而更精确更迅速的控制输出直流电压。油门控制采用模糊控制策略，当采用上述控制无法保证直流侧电压稳定时，可以通过油门控制来调节发电机输出，进而保证直流侧电压的稳定。油门控制是通过控制步进电机[4]调节发电机油门的大小实现的。
采用定时方式进行整流器的移相控制时，需要给控制器提供各晶闸管控制起始定时时刻的方波信号，这一方波的频率应与电源频率相同，即应与电源电压同步。所以，一般将此方波信号称为同步信号。三相同步信号电路要求获取三组同步脉冲信号，分别对应每一相的自然换相时刻，本文选用文献[5]中所提到的同步电路。整流电路的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，波形中含有较大的脉动成分，称为纹波。为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压，根据参考文献[6]本文选用电容方式进行滤波。
2 数学模型
本设计采用由晶闸管构成的三相半控桥式模块，忽略晶闸管压降，设发电机的输入电压幅值为U ，触发角度为α ，三相半控整流桥输出的平均电压为U ，则：
U =1.17U(1+ cosα )
以U 及α 作输入变量，以d U 作输出，在参考工作点附近进行局部线性化处理，展开成泰勒级数并忽略高次项则得：
晶闸管整流装置由触发电路控制，在分析系统时把它们处理成一个环节。这一环节的输入量是触发电路的控制电压Uct，输出量是理想空载整流电压d U 。如果把它们之间的放大系数s K 看成常数，则整个晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节，其滞后效应由晶闸管的失控时间决定[7]。
3 控制器设计
PID 控制是负反馈控制，在实际中，被控对象总是存在惯性，负反馈控制的输出总是落后于参考信号的变化，当我们要求系统的被控量迅速平稳地跟随参考信号变化，并准确地复现其变化规律时，将不能满足要求，而在加有前馈控制器的复合控制中，前馈控制器就直接根据参考信号变化的大小和方向，加快对被控对象的控制，因此采用前馈—反馈复合控制器的两者结合方式使得控制结果具有及时而又精确的特点。
3.1 前馈控制
对于所示的前馈—反馈控制系统，依据“全补偿原理”，由参考文献[8]可得出前馈补偿函数：上式称为对扰动引起的误差进行完全补偿的条件，或称为对输出实现不变性的条件。可以看出，要完全补偿扰动对输出的影响，对扰动量进行测量，形成前馈控制通道是先决条件。
3.2 反馈控制
本文的 PID 算法采用PD 算法，其PD 环节的传递函数。
3.3 油门控制
对于数码发电机来说，当负载由重载切换到轻载时，如果发电机的油门开度不减小的话，则会导致发电机电压突然上升，这会对电容等器件造成很大压力，因此需加入油门控制。并且加入油门控制还可以使系统始终运行在最佳经济状态，从而节省油耗。
对于油门控制可以采用模糊控制策略，即当整流输出电压远小于（远大于）给定电压时，可以快速增大（减小）油门开度， 使发电机输出电压快速增大；当整流输出电压小于（大于）给定电压不多时，可以较慢地增大（减小）油门开度，使发电机输出电压较慢的增大。当整流输出电压与给定电压相接近时，可保持油门开度，由PID 控制器保持直流侧电压稳定。
4 实验结果
利用本文所提出的整流控制策略研制出了一台数码发电机电源，数码发电机的后级逆变环节采用开环控制策略，在三相中频发电机中进行了实验。实验采用了DSP 芯片TMS320LF2407A 作为主控制器，利用了它计算速度快的优点。1KVA 实验测试结果如所示，电源的输入为：300Hz，峰值430V。输出直流244V(要求稳压值245V) 。电源的输入为：500Hz，峰值630V。输出直流247V(要求稳压值245) 。可以看出，在频率电压大范围变化下，输出值与理想值偏差小于1%。
5 结论
本系统采用前馈控制结合PID 控制的策略，在前级整流器中加入前馈控制可以有效的减少响应时间及降低超调量。而且本系统所采用的前馈控制可以减轻PID 控制的负担，系统的开环增益可以取得小一些，有利于系统的稳定性。在系统中加入油门控制不仅可以调节电压输出，还可以使系统始终运行在最佳经济状态节省油耗。实验证明，笔者所研制的数码发电机工作稳定可靠，满足了用电设备的要求，不仅解决了宽压宽频数字触发器的技术难题，而且所设计的电路简单，抗干扰能力强，性价比高，具有较高的工程应用参考价值。
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[参考文献] (References)
[1] 胡书举，王峰，裴云庆，等. 中频发电机用逆变电源的研制[J]. 电工技术杂志 , 2004 (2) : 64 - 68 .
[2] 耿恒山，薛美云，耿跃华，等. 基于AT89C2051 单片机的嵌入式晶闸管触发器[J].电力电子技术 , 2004,38(5) : 77 - 79 .
[3] 苏玉刚，陈渝光. 电力电子技术[M ]. 重庆：重庆大学出版社，2003 .
[4] P.John Clarkson Closed Loop Control of Stepping Motor System[J]. IEEE Transactions on IndustryApplication,Vol.24 No.4 July/Aug 1994，P685～691.
[5] Di Odoardo, Geraci, Ripamonti, Seminari. Nuclear Science. A fully digital architecture for trigger circuits inprogrammable logic[J].Nuclear Science,IEEE Transactions on Volume 49, Issue 6, Part 2, 2002(12) :3314-3321.
[6] 徐立刚，陈乾宏，朱祥，等. 单相整流滤波电容纹波电流的数学模型与分析[J]. 电力电子技术.2012 .43(3):51-53.
[7] 刘松，电力拖动自动控制系统[M ]. 北京：清华大学出版社，2006.
[8] 涂植英，何均正. 自动控制原理[M ]. 重庆：重庆大学出版社，2004.
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