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            電力操作電源兩種控制方式的比較

            作者: 時間:2011-03-08 來源:網絡 收藏

            RC為濾波電容的串聯(lián)等效電阻;

            R為負載電阻。

            由圖2可得電壓環(huán)單環(huán)的開環(huán)傳遞函數為:

            Tvo1(s)=HFMGV(s)GdV(s)(4)

            由圖3可得電流環(huán)單環(huán)的開環(huán)傳遞函數為:

            Tio1(s)=KiFMGi(s)Gdi(s)(5)

            將如圖1所示的實際電路參數代入式(4)和(5),其中Uin=515V,Upp=3.5V,Ki=0.1。做出波特圖。圖4為電壓環(huán)開環(huán)波特圖,其剪切頻率為1.5kHz,相位裕量為28°。圖5為電流環(huán)開環(huán)波特圖,其剪切頻率為10kHz,相位裕量為81°。

            2.2串級型雙環(huán)控制方式

            這種控制方式的電路原理圖如圖6所示,它在結構上將兩個單環(huán)串聯(lián)起來,同樣也能實現(xiàn)電路恒壓和恒流兩種工作方式。當D3導通時,電路工作在恒流模式,此時,電壓環(huán)不起作用,電路相當于單環(huán)控制,其電路方框圖和傳遞函數同圖1所示電路工作在恒流模式是一樣的,不再重復。當D3截止時,電路工作在恒壓模式下,電路采用串級雙環(huán)控制,電流環(huán)作為電壓環(huán)的內環(huán),電壓環(huán)PI調節(jié)器的輸出UV2作為電流環(huán)PI調節(jié)器的給定。其電路方框圖如圖7所示,在設計參數時,先設計電流環(huán)的調節(jié)器,獲得穩(wěn)定的內環(huán),然后得到電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數Tic(s),并將其作為電壓環(huán)的一個環(huán)節(jié),如圖8所示,然后設計電壓環(huán)的調節(jié)器。這種控制方式的最大的優(yōu)點是很好地解決了電路的限流問題,使電路具有最快的限流響應速度。但是這種控制方式的實際限流給定是限流值Uiref加上D3的管壓降,因為D3的管壓降與通過它的電流有關,所以這種控制方式的穩(wěn)流精度不如前面那種控制方式,但可以通過調節(jié)電阻R3,減小D3管壓降的變化量,以提高這種控制方式的穩(wěn)流精度。

            圖8電壓環(huán)雙環(huán)控制方式下的等效電路方框圖

            圖6串級型雙環(huán)控制方式的電路原理圖

            圖7電壓環(huán)雙環(huán)控制模式下的電路方框圖

            圖9雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開環(huán)波特圖

            圖7和圖8中,Z(s)為負載和輸出電容支路的并聯(lián)阻抗:Z(s)=(6)

            其它函數在上面已經定義,就不再復述。

            根據圖7,得到電流環(huán)(內環(huán))的閉環(huán)傳遞函數為:Tic(s)=(7)

            然后由等效方框圖圖8可得,電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數為:

            Tvo1(s)=HGV(s)Tic(s)Z(s)(8)

            為了便于比較兩種控制系統(tǒng)特性,串級型雙環(huán)控制方式下的控制參數與并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下的控制參數一致。將如圖6所示的實際電路參數代入式(8),其中Uin=515V,Upp=3.5V,Ki=0.1。得到串級型雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開環(huán)波特圖,如圖9所示。其剪切頻率為378Hz,相位裕量為98°,穩(wěn)定裕量為59dB。

            3兩種控制方法的比較

            31串級型雙環(huán)控制方式具有更快的限流響應速度

            在并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下,當系統(tǒng)的工作狀態(tài)由恒壓模式切換到恒流(限流)模式時,由于存在一個切換的過渡過程,往往會導致限流速度太慢,甚至發(fā)生兩個環(huán)交互作用,互相干擾而導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因為當電路工作在恒壓模式時,此時的輸出電感電流平均值比限流設定值低,所以電流環(huán)PI調節(jié)器正向飽和輸出UC1,這時負載突然增大,并且電感電流平均值大于限流值,但電路并不是立即進入限流狀態(tài),而是要等到UC1的輸出從正向飽和狀態(tài)退出并且降到比電壓環(huán)PI調節(jié)器輸出UV1低時,此時DC1才導通,限流環(huán)才開始起作用。這樣就會有可能帶來兩個問題:一是如果這段時間太長,系統(tǒng)有可能因為不能及時限流而導致過流保護;二是如果電流環(huán)和電壓環(huán)的響應速度比較接近時,則在這個過渡過程中有可能兩個環(huán)交錯作用,互相干擾,導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。圖10所示波形是當兩臺模塊并聯(lián)運行時,關掉一臺模塊,另一臺模塊過流保護時輸出濾波電感電流的波形,其波形是采用霍爾傳感器得到的,檢測系數為20:1,通道1為模塊1輸出濾波電感電流波形,通道2為模塊2輸出濾波電感電流波形,實驗條件為:兩臺并聯(lián)工作輸出42A,模塊的限流值為25A。此時關掉模塊1,對于模塊2相當于突然增加一倍負載,由圖中可見,由于模塊2的限流環(huán)不能及時作用,導致其過流保護。

            圖11顯示了通道1為電壓環(huán)PI調節(jié)器輸出UV1,通道2為電流環(huán)PI調節(jié)器輸出UC1。負載沒有突變時,系統(tǒng)工作在電壓環(huán)單環(huán)控制模式,此時UV1決定電路的占空比;UC1飽和輸出,(在實驗電路中為了加快其響應速度,將它限幅在6V)電流環(huán)不工作。當負載突增,輸出電壓下降,因此UV1上升,當電感電流平均值超過限流值時,UC1下降,但在電路中由于電壓環(huán)和電流環(huán)的速度接近,使它們在過渡過程中交錯作用,導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

            而系統(tǒng)采用串級型雙環(huán)控制方式時則不會有此類問題,因為在這種情況下,電路工作在恒壓模式時,說明電壓環(huán)PI調節(jié)器的輸出小于限流環(huán)設定,D3截止,但電流環(huán)作為內環(huán)仍然在工作著。同樣如果此時負載突然增加,則由于輸出電壓降低,所以電壓環(huán)的PI調節(jié)器輸出增加,當UV2大于限流值時,D3導通,系統(tǒng)則工作在恒流模式。從電路結構中看,這種控制方式是對電壓環(huán)PI調節(jié)器的輸出進行限幅,限幅值就是電流環(huán)的限流值Uiref,這樣一旦電壓環(huán)PI調節(jié)器的輸出大于限流值Uiref,系統(tǒng)就立即進入限流狀態(tài),從而使系統(tǒng)具有最快的限流響應速度。圖12是當兩臺模塊并聯(lián)運行時,關掉一臺模塊,另一臺模塊快速限流時的輸出濾波電感電流波形。通道1、通道2分別為模塊1、模塊2的輸出濾波電感電流,電流檢測系數為20:1。此時模塊的限流值和保護值不變。同樣兩臺模塊也是并聯(lián)工作,輸出42A。然后關掉模塊1,由圖12可見,采用串級型雙環(huán)控制后,模塊2快速限流,并且無超調。

            32串級型雙環(huán)控制方式具有更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性能

            圖10并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下突變負載引起過流保護

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