基于模糊控制和PID控制的电弧炉直流电源的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安石油大学电子工程学院 作者:赵希洋

  本文针对真空电弧炉直流电源在熔炼阶段数字PID 控制存在电流超调与响应速度矛盾的问题,提出了模糊控制和PID 控制相结合的控制策略,着重介绍了模糊控制方法的应用,并在Matlab 中对单个电源模块进行仿真。实验结果证明了这种控制方式的可行性和优势,具有良好的应用前景,且符合直流电源智能化、模块化的发展趋势。

  真空电弧炉是金属熔炼的重要设备,而高效、稳定的直流供电电源是保证电弧炉正常运行的关键。电弧炉可分为起弧、熔炼、补缩等工作阶段。空载起弧时,真空电弧炉的起弧电压一般为50 V~80 V,既需要防止起弧电压过低无法启动,又需要抑制过高的电压损坏坩埚。所以实际操作中,起弧时应采用电压闭环调节,而熔炼中应采用电流闭环,以构成稳定度好的恒流控制。目前冶金行业大多采用经典的PID 调节器,本文根据模糊控制理论,着重针对电流闭环提出了一种模糊控制和PID 控制相结合的控制方法。

  1、直流电源主电路结构

  小型化是直流电源发展趋势之一,在此本文介绍一种小型电源模块的结构。三相交流经三相不可控整流变为直流,然后在全桥逆变电路转化为高频脉冲,再经高频变压器降压,最后全波整流,输出直流电供电弧炉使用。输入380 V 的交流电,输出直流电流1 kA,输出电压20 V~50 V。C1 为输入滤波电容,Lf 和Cf 构成输出LC 滤波环节,T1~T5 为五个高频变压器。其中全桥逆变电路由TMS320F2812 控制,是整个电路的核心。综合设备输出参数要求及经济性,我们选用IGBT 为逆变功率元件。

单个电源模块主电路原理图

图1 单个电源模块主电路原理图

  4、实验环节与结论

  本文利用Matlab/Simulink 仿真软件对模糊和PID 算法控制的电流环进行仿真,额定输出电流1 kA,电压20 V~50 V。仿真结果如图8,实验仿真结果表明模糊控制和PID 控制相结合的方法有良好的控制结果,响应速度快,且稳态精度高,超调较小。本文从理论上证明了模糊控制和PID 控制的可行性和优势。但由于在仿真中很多元器件都是理想模型,与实际使用的元件存在偏差,在实际需要通过查看实际输出电压和电流进行调整。同时本文未考虑电磁干扰可能对控制电路的影响,这也是实际调试时需要考虑的问题。

实验电流波形图

图8 实验电流波形图

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