電氣試驗高壓直流電源研究

安徽理工大學電氣與信息工程學院 王 曄

以電氣試驗高壓直流電源裝置為研究目的，研究設計一款開關型高壓直流電源裝置，主電路采取“交-直-交-直”的設計思路。輸入整流環節采用12脈波整流電路；逆變環節選取全橋逆變電路，將直流轉變為交流方波，提供給高頻變壓器升壓；加入一級Buck斬波電路作為閉環控制的控制對象；為了保證輸出電壓準確穩定、提高系統魯棒性，采用模糊PID算法控制。通過仿真軟件搭建電路拓撲結構，同研究分析和比較仿真數據，找到最佳方案。

電氣系統的安全運行不僅關乎生產效益，也關乎工作人員生命安全。隨著電力電子技術和電子電路元件的不斷發展，開關型高壓直流電源技術日趨成熟。本文結合電氣試驗工作的實際要求，提出一種耐壓試驗電源設計，可以提高輸出電壓的精確度、穩定性、提高系統的魯棒性。

1 直流高壓電源的基本原理

高壓直流電源以380V的工頻交流電作為輸入，經過整流濾波環節得到平滑的直流電；后級可加入斬波環節作為控制環節；由單片機或芯片通過PWM方式調節開關元件占空比，進而控制輸出電壓；其后級為逆變電路，最后通過高頻升壓變壓器與倍壓整流電路升壓得到需要的輸出電壓值。

2 高壓直流電源拓撲選擇

結合本文研究目的，本文采用開關型高壓直流電源作為電氣試驗所需高壓直流的產生方式。

本文研究設計的高壓直流電源以380V工頻交流電作為輸入，采用“交-直-交-直”的電能轉換方式，電路在輸入與輸出環節分別有兩次整流。

本論文研究的高壓直流電源，結合具體應用場合，要求輸出達到50kV的高壓，輸入與輸出兩個整流環節以及逆變環節對電路整體性能有著重大的影響，通過對各種電路拓撲的比較和分析，決定采用12脈波整流電路作為高壓直流電源的整流環節，減小了脈動幅值，有利于后級濾波；控制環節采用Buck斬波電路，由于Buck環節作為閉環控制的被控對象，因而逆變電路的多組驅動電路只需要固定的頻率與脈寬，這也簡化了電路控制。電路整體結構原理如圖1所示。

圖1 電路整體結構原理圖

3 模糊控制器設計

模糊控制器主要組成部分有：輸入接口、數據庫、模糊規則、模糊推理以及解模糊等環節。

輸入的精確信號經過模糊化處理后，可以將模糊變量e劃分為：

圖2所示為模糊PID控制器的各個環節和工作原理，將輸入信號模糊化，按照模糊規則運算之后，模糊的控制量轉換為精確的控制量。

圖2 基于模糊PID控制器結構圖

4 仿真驗證

通過仿真分析可知，12脈搏整流電路輸出平滑的直流電，脈動遠小于傳統全橋整流電路。整流環節輸出電壓波形和系統閉環控制輸出波形如圖3、圖4所示。

圖3 整流環節輸出電壓波形

圖4 系統閉環控制輸出波形

通過比較不同控制算法的輸出波形可看出，模糊PID不僅更快使輸出電壓達到設定值，而且避免了起始超調尖峰電壓，保護了設備安全。

通過仿真驗證可得，通過電路拓撲設計與模糊PID算法的共同作用，提高了輸出電壓的穩定性與準確性，提高了系統的魯棒性。對于保護電氣試驗中被試設備的絕緣不受損害、保證電氣試驗數據的準確可靠具有現實意義。