永磁同步直流电机可控整流器的设计与研制

Swagata沙玛¹萨塔布迪·卡利塔¹Himakshi Mishra¹桑塔努·夏尔马²

印度提斯浦尔纳帕姆市提斯浦尔大学ECE系研究生
印度提斯浦尔纳帕姆市提斯浦尔大学ECE系副教授

摘要

本文介绍了利用mosfet驱动PMDC电机的对称角控制(SAC)和消光角控制(EAC)整流器的设计、仿真和研制。利用这些方法可以提高功率因数，减少或消除某些低次谐波。并对不同消光角下的输入电流进行了谐波分析。文中还讨论了可控整流器的功率因数、位移因数等各项性能参数。比较了消光角、发射角和对称角在不同角度下的功率因数。

关键字

可控整流器、功率因数、位移因数、对称角控制、消角控制。

介绍

在电力电子系统中，被广泛用于控制输出直流电压的是可控整流器;通过发射角控制、对称角控制和消角控制等方法，从固定直流电压获得可变直流电压。这些类型的整流器是相当简单和便宜，并大量用于直流电机速度控制系统，广泛应用于钢厂，造纸厂等。

已经提出了相角控制(PAC)技术用于PF改进的研究，并详细解释了交流电压控制器的操作[1-2]。在传统的控制器中，PAC技术可以通过改变晶闸管的发射角(α)来控制流向负载的功率。发射角(α)可由相电压[3]过零处测量。研究还表明，相位控制技术是可靠的，具有控制大功率[4]的能力。但该技术的主要缺点是发射角迟滞、输入侧特别是大发射角时功率因数滞后、负载侧和供电侧均存在高低次谐波含量[5-7]。此外，在输入端和输出端[3]-[4]、[8]-[10]均出现潮流不连续。

在静态负载下采用三相交流电压控制器的EAC技术，其输入功率因数和效率比PAC有显著提高。结果表明，EAC技术具有较高的效率和效果，而PAC技术的成本较高。在另一项研究中，采用鼠笼式单相感应电动机作为动载和静载，采用相同的方法与PAC进行对比。该技术的位移系数有所提高[12]。

本文利用功率场效应管设计和研制了对称角控制和消光角控制的可控整流器。与使用晶闸管的电路不同，这些电路不需要额外的整流电路，可以很容易地控制并具有更高的开关速度。此外，MOSFET具有多数载流子器件的优点，因此可以实现非常高的工作频率。此外，MOSFET在低电压下的优异性能使该器件适用于200V以下的应用。

消光角控制类似于相位角控制。在相角控制中，导通从所需的延迟角(α)开始，并一直持续到电流自然达到零值;而在EAC中，导通从电源电压过零开始，并在下一个过零之前以一定角度强制换相(β)。因此在消光角控制的整流器中，输入电流的基元分量将导致输入电压[12]。

因此，在EAC技术中，位移因素引线，从而导致功率因素引线。在所提出的可控整流器中，利用超前PF的这一特性来模拟容性负载。图1和图2显示了PAC和SAC的电压和电流波形。

电路参数

在电感负载情况下，电流与负载侧电压波形不相符合，导致电源功率因数差，电源和负载侧低次谐波含量高，特别是在大发射角[13]时。在对称角法中，电路在ωt=(π-β)/2处接通，在ωt=(π+β)/2处关断。所以电路对β保持开。输入电流的基波分量与输入电压相一致，因此位移系数为单位(1.0)。

本文简要介绍了直流电机的负载，然后对电路进行了各种实际观察和理论计算。从改善功率因数的角度，对采用SAC和EAC作为可变电压源的可控整流器的运行进行了评价和比较。基于MATLAB的仿真结果得到了实验验证。

电路描述及工作原理

A.对称角度控制

触发电路的输出是一个用于触发MOSFET的方波，使其在ωt= (π-β)/2至ωt= (π+β)/2的周期内保持导通状态。当触发脉冲高时，MOSFET导通，当脉冲低时，MOSFET关断。因此，产生一个在ωt= (π-到ωt= (π+β)/2周期内保持高电平的方波来触发MOSFET。

图3所示电路图中，当比较器输出为正时，MOSFET导通，当比较器输出为负时，MOSFET关断。在ON状态下，电流流过负载，我们得到如图2所示的输出。采用对称角控制方法，得到了半波控制整流器。角度可以通过改变电位器的值来调节Vref来控制。

B.消光角控制

采用两种方法设计EAC可控整流器:

i)使用AND逻辑

ii)使用MMV。

i)使用AND逻辑的电路:该方法由一个触发电路组成，该触发电路输出用于触发MOSFET的方波，使其在ωt=0至ωt=(π−β)=α的周期内保持导通状态。当触发脉冲高时，MOSFET导通，当脉冲低时，MOSFET关断。因此，产生一个在ωt=0到ωt= (π−β) =α的一段时间内保持高电平的方波来触发MOSFET。

如图5所示，将15V的交流电压与参考电压Vref (GND)进行比较，形成零点交叉检测器，产生方波输出。当比较器的输出为正时，电容器被充电。另一个方波输出是通过反转比较器输入的极性来产生的。这个方波触发MOSFET, M1，它为电容器提供了一个通过它放电的路径。

在方波的正半周期内，电容器逐渐充电至Vs。

Vc= Vs(1-e-t/RC) ------------ (1)

式中，Vs=5V, Vc为电容器内电压，RC为时间常数。

将电容器电压与参考电压进行比较，并将其输出与第一次比较的输出一起馈送到与门。然后将与门输出作为触发脉冲提供给MOSFET, M2和负载(电机)连接到漏极和交流电源，如图5所示。

由于逻辑电平电压不匹配，与门采用电阻晶体管逻辑(RTL)实现(如图6所示)。

修改后的电路图如图6所示。要使波形在8ms的时间周期内为HIGH，参考电压可通过式(1)计算为4.908 V。

ii)使用MMV的电路:该电路也包含一个触发电路，就像前面的电路一样。这里使用单稳态多谐振荡器(MMV)来产生触发MOSFET的方波。

MMV使用555定时器制成，如图8所示，其输出波形如图9所示。当555定时器在触发输入端接收到低于三分之一电压供应的信号时，脉冲开始。输出脉冲的宽度由RC网络的时间常数决定，RC网络由一个电容(C)和一个电阻(R)组成。当电容上的电压等于电源电压的2/3时，输出脉冲结束。输出脉冲宽度可以根据需要变化。

时间t的输出脉冲宽度，也就是将C充电到电源电压的2/3的时间，由

t= RCln(3)≈1.1RC -----------方程(2)

t的单位是秒，R的单位是欧姆，C的单位是法拉。

定时器产生的输出脉冲触发MOSFET，得到消光角控制波形。0 < RA < 90kΩ。

可在负载两端连接电解电容器以降低噪声。所使用的电容器的额定值为25V，最小要求额定值为24V，因为电容器充电至2v，其中v是供电电压，等于12V。

功率因数比较

对于发射角和对称角控制的整流器，是导通开始的角度，对于消角控制的整流器，是导通停止的角度。是电路导电的周期。

在对称角度下，由于位移因子在各角度下均为1，故图呈直线状;而在发射角度下，位移因子随发射角度的增大而减小。

图15显示了在感应负载条件下的整个控制范围内电源功率因数与消光角的变化。随着电路换相角度(α)的增加，功率因数也随之增加。在消光角控制方面，功率因数处于领先地位。

在对称角度控制中，功率因数随着电路发射角度的增加而减小。

谐波分析

角是消光角控制的整流器导通停止的角度。从表V可以看出，EAC的负载电流THD优于PAC，因为电感负载电路的负载电流是连续的。

结论

通过计算功率因数，绘制出射角、对称角和消光控制方法的曲线图，并对其进行比较，得出功率因数在消光角上领先，而在射角上滞后的结论。感性负载消耗无功功率，电流波形滞后于电压。容性负载产生无功功率，电流引导电压。在电感负载的情况下，为了补偿电流相对于电压的滞后，消光角将模拟电容负载。对称角情况下的功率因数在90Ã¯ÂºÂ°处变为0。另外，对称角上的电压和电流波形是相的，这使得位移因子在所有角度上都等于1。

本文介绍了单相dc-dc控制整流器的EAC技术。EAC技术在输入功率因数方面提供了相当大的改进。这种改善主要是由于驱替系数的改善。控制整流器已应用于一台静态直流电动机。仿真结果与实验结果吻合较好。

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