电气试验高压直流电源研究

安徽理工大学电气与信息工程学院 王 晔

以电气试验高压直流电源装置为研究目的，研究设计一款开关型高压直流电源装置，主电路采取“交-直-交-直”的设计思路。输入整流环节采用12脉波整流电路；逆变环节选取全桥逆变电路，将直流转变为交流方波，提供给高频变压器升压；加入一级Buck斩波电路作为闭环控制的控制对象；为了保证输出电压准确稳定、提高系统鲁棒性，采用模糊PID算法控制。通过仿真软件搭建电路拓扑结构，同研究分析和比较仿真数据，找到最佳方案。

电气系统的安全运行不仅关乎生产效益，也关乎工作人员生命安全。随着电力电子技术和电子电路元件的不断发展，开关型高压直流电源技术日趋成熟。本文结合电气试验工作的实际要求，提出一种耐压试验电源设计，可以提高输出电压的精确度、稳定性、提高系统的鲁棒性。

1 直流高压电源的基本原理

高压直流电源以380V的工频交流电作为输入，经过整流滤波环节得到平滑的直流电；后级可加入斩波环节作为控制环节；由单片机或芯片通过PWM方式调节开关元件占空比，进而控制输出电压；其后级为逆变电路，最后通过高频升压变压器与倍压整流电路升压得到需要的输出电压值。

2 高压直流电源拓扑选择

结合本文研究目的，本文采用开关型高压直流电源作为电气试验所需高压直流的产生方式。

本文研究设计的高压直流电源以380V工频交流电作为输入，采用“交-直-交-直”的电能转换方式，电路在输入与输出环节分别有两次整流。

本论文研究的高压直流电源，结合具体应用场合，要求输出达到50kV的高压，输入与输出两个整流环节以及逆变环节对电路整体性能有着重大的影响，通过对各种电路拓扑的比较和分析，决定采用12脉波整流电路作为高压直流电源的整流环节，减小了脉动幅值，有利于后级滤波；控制环节采用Buck斩波电路，由于Buck环节作为闭环控制的被控对象，因而逆变电路的多组驱动电路只需要固定的频率与脉宽，这也简化了电路控制。电路整体结构原理如图1所示。

图1 电路整体结构原理图

3 模糊控制器设计

模糊控制器主要组成部分有：输入接口、数据库、模糊规则、模糊推理以及解模糊等环节。

输入的精确信号经过模糊化处理后，可以将模糊变量e划分为：

图2所示为模糊PID控制器的各个环节和工作原理，将输入信号模糊化，按照模糊规则运算之后，模糊的控制量转换为精确的控制量。

图2 基于模糊PID控制器结构图

4 仿真验证

通过仿真分析可知，12脉搏整流电路输出平滑的直流电，脉动远小于传统全桥整流电路。整流环节输出电压波形和系统闭环控制输出波形如图3、图4所示。

图3 整流环节输出电压波形

图4 系统闭环控制输出波形

通过比较不同控制算法的输出波形可看出，模糊PID不仅更快使输出电压达到设定值，而且避免了起始超调尖峰电压，保护了设备安全。

通过仿真验证可得，通过电路拓扑设计与模糊PID算法的共同作用，提高了输出电压的稳定性与准确性，提高了系统的鲁棒性。对于保护电气试验中被试设备的绝缘不受损害、保证电气试验数据的准确可靠具有现实意义。