CN101355315A - 正弦逆变系统输出直流量采样方法和电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种正弦逆变系统输出直流量采样电路及方法，所述电路包括高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路，其输入端接所述正弦逆变系统的输出信号，用于对该正弦逆变系统的输出信号降压至控制器所要求的范围，同时用电容降低所述输出信号中的交流成分；和隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路，连接至所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路，用于接收该电路的输出信号，放大所接收的输出信号中的直流成分，所述方法包含步骤120，用隔直电容短路所述正弦逆变系统输出信号中的交流成分；步骤130，对隔直电容端电压直流成分进行放大。

Description

正弦逆变系统输出直流量采样方法和电路

技术领域

本发明涉及逆变电源、变频器、不间断电源系统领域，尤其涉及正弦逆变输出直流成分采样方法和电路。

背景技术

在逆变器、变频器、不间断电源系统等包含有逆变电路的控制系统中，在很多情况下，目的都是将直流电源转变为单相或者三相交流电输出，为负载提供稳定幅度的正弦交流电，随着电力电子技术的发展，半导体电力电子器件不断推陈出新，逆变电路拓扑也不断发展，电源高频化，高功率密度，低成本需求成为基本的要求。尤其是为了降低成本和减少输出电能的损耗，很多逆变系统输出级不再通过隔离变压器给负载供电，而是直接输出给负载，但是这样的输出交流电由于逆变电路输入的变化和功率变换器件参数的离散性，不受控的状态下总是会包含一些直流成分，尽管这些直流量只是一小部分，但对于很多使用交流电的负载而言，比如电动机，变压器等，由于对输入的直流量难以自行平衡和消耗，会产生不可接受的“抖动”和“磁饱和”现象，严重时会烧毁负载，同时也给逆变电源本身带来危害。

为了降低逆变器直接输出带负载时的直流量，几乎所有的正弦交流逆变器都需要对所输出的直流成分进行控制，而这种直流成分可能同时由多种原因导致，因此难以直接从源头上进行消除和减少，有些因素甚至是不可克服的，在这个领域多是采用反馈式控制，即通过分离获得输出直流成分，然后对其产生原因中的一个或少数几个可控量进行调节，从而降低或减少最终输出的直流量，实现在一定程度下可接受的直流量控制目标。

从反馈式控制系统的特点来说，这种方式属于滞后性控制，利用前一时刻输出量对下一时刻进行“纠偏”，只有准确的知道前一时刻的偏差量，且偏差的方向判断正确，才有正确的控制目标。在交流输出系统中，理论上这个控制偏差是可逼近消除却不能完全消除直流量的，而能减少到的程度则与控制方式和前一时刻输出量的度量准确性有很大关系，不至于因为控制目标达到了，与检测到的情况出入太大而失去意义。实际情况是控制方式可以有多种选择且能达到同样的控制效果，对前一时刻输出量的快速精确度量才是决定最终控制后直流量能消除的程度，而且直接影响控制方式的有效性。

所以精确度量逆变电源系统输出直流量的一个重要要求，有好的直流量采样方法和电路，才能实现尽可能减小直流量的控制目标。

现有技术中提供了一种技术，该技术采用滤波方式衰减交流量分离出直流量，该技术的特点在于对含有直流成分的逆变输出交流电进行衰减，同时使用对直流量和交流量不同衰减比例的电路，获得主要为直流成分的信号，然后根据需要放大或直接用此信号作为逆变输出直流量的采样值进行控制。这种方式存在以下缺陷：

1、逆变输出交流电一般幅值很高，而直流成分量较小，往往两者相差几百倍，同时对其进行衰减要求同一个电路对交流和直流的衰减比例差别很大，而这个交流电频率多数只是50Hz或60Hz，与直流量频率差别不大，滤波电路实现不易。

2、在技术研究领域内，涉及的多是介绍对逆变输出直流量的控制方法，采用的是的反相运算放大电路，这样的电路一级很难做到交流和直流衰减比例相差几百倍，且直流成分要尽可能不衰减，往往需要多级电路串联，成本稍高，且很容易受到干扰。

3、一般的运算放大集成电路，总是会有一定的直流偏差量，即使采用偏置调节可以减少直至消除其静态直流偏差，其偏差量对于本就不大的待检测信号产生很不利识别的问题，多级电路更加严重，而温度等环境条件的变化也会导致修正后的输出产生新的偏差，需要分别修正且难以配合。

4、在较大功率输出的逆变电源系统中，为了实现稳定可靠的控制性能，往往需要将功率地与控制地分离，在多相输出的逆变电源系统中，因运算电路参考点不一致，则无法用反相运算放大电路实现各相直流偏差量的准确采样。

5、本来幅度就比较小的直流量经过衰减后信号的信噪比更低，信号解析度低，控制精度差。

在现有解决方案的上述几个缺陷中，一般都是强调用更好的控制方式去达到控制目标，对信号采样却不够关注，很多情况往往也能通过复杂的处理算法优化取得一些成效，还有的是采用复杂的电路将逆变输出量转换为其它信号处理，但都会因此增加成本和控制系统的复杂性，或者降低控制目标要求，从而限制一些对直流成分有高要求的负载，缩小适用范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对逆变系统输出直流量，提出具有更高精确度和更高信号解析度的采样方法和电路，从正弦逆变输出电压信号中分离出直流量成分并且放大其幅度，简化电路并降低成本，为控制正弦输出逆变电源系统减小直流量成分降低控制技术复杂程度，提高控制目标精确度，满足更多负载供电需求。

为解决上述问题，本发明提出了一种正弦逆变系统输出直流量采样方法，包括以下步骤：

步骤120，用隔直电容短路所述正弦逆变系统输出信号中的交流成分；

步骤130，对隔直电容端电压直流成分进行放大。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述步骤130中，对信号进行放大前，首先校正电路的静态偏差。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，还包括步骤140，对步骤130中的输出信号进行反馈适配后连接至外接控制器。

为解决上述问题，本发明还提出了一种正弦逆变系统输出直流量采样电路，包括高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路和隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路，其中，

所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路，其输入端接所述正弦逆变系统的输出信号，用于对该正弦逆变系统的输出信号降压至控制器所要求的范围，同时用电容降低所述输出信号中的交流成分；

所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路，连接至所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路，用于接收该电路的输出信号，放大所接收的输出信号中的直流成分。

进一步地，上述电路还可具有以下特点，所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路包括电阻R1、R2和电容C1，电容C1跨接在电阻R1和地之间，电阻R1的另一端接所述正弦逆变系统输出信号火线，电阻R2一端接地，电阻R2的另一端接所述正弦逆变系统的输出信号零线，电阻R1与电容C1相连的一端连接至所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路。

进一步地，上述电路还可具有以下特点，电路参数选择使电阻值R1+R2大于电容器C1在逆变系统输出频率情况下容抗值的10倍。

进一步地，上述电路还可具有以下特点，所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路包括电阻R3、R4、电容C2、运算放大器U1以及+12V电源和-12V电源，电阻R4与电容C2并联在运算放大器U1的反向输入端和输出端之间，电阻R3与R4串联，其接点连接至运算放大器U1的反向输入端，电阻R3的另一端接地，+12V电源和-12V电源分别接至运算放大器U1的正负电源端，所述运算放大器U1的同向输入端连接至所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路。

进一步地，上述电路还可具有以下特点，电路参数选择R4电阻值大于R3电阻值，且选择电阻器R4阻值大于电容器C2在逆变系统输出频率情况下容抗值的10倍。

进一步地，上述电路还可具有以下特点，还包括反馈量适配调节电路，连接至所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路，接收其输出信号，用于对所接收的输出信号进行适配处理，调节反馈控制的深度。

进一步地，上述电路还可具有以下特点，还包括信号偏移电路，连接至所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路，用于对所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路的输出信号进行电压偏移，将其电压偏移至所需的电平。

进一步地，上述电路还可具有以下特点，还包括运算放大器静态直流偏差校正电路，与所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路相连，用于减小所述电路的静态偏差。

进一步地，上述电路还可具有以下特点，所述反馈量适配调节电路包括电阻R6，电阻R6的一端接至所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路中所述运算放大器U1的输出端，另一端对外接至控制器。

进一步地，上述电路还可具有以下特点，所述信号偏移电路包括电阻R7和直流参考基准信号DC_SHIFT，R7一端与直流参考基准信号DC_SHIFT相连，另一端连接至所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路中所述运算放大器U1的同向输入端。

进一步地，上述电路还可具有以下特点，所述运算放大器静态直流偏差校正电路包括可变电阻P1、电阻R5、+12V电源和-12V电源，可变电阻P1的两个固定端分别与+12V电源和-12V电源相连，其滑动端与电阻R5相连，电阻R5的另一端接至所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路中所述运算放大器U1的同向输入端。

进一步地，上述电路还可具有以下特点，用于多相逆变系统时，每相输出信号连接至一个所述输出直流量采样电路，各相输出信号其零线相连。

本发明解决了正弦逆变输出直流量采样的问题，为控制系统提供了高信噪比和高解析度的反馈信号，提高了采样精度和控制精确度，可有效降低正弦逆变系统输出直流成分。

附图说明

图1是本发明逆变系统输出直流量采样方法的流程图。

图2是本发明逆变系统输出直流量采样电路组成方框图。

图3是本发明单相逆变系统输出直流量采样电路原理图。

图4是本发明三相逆变系统输出直流量采样电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

本发明提供一种正弦逆变输出直流量采样电路，主要包括运算放大器静态直流偏差校正电路101，高幅值正弦逆变输出电压阻容分压(降压)电路102，隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路103，反馈量适配调节电路104和信号偏移电路(可选)105，其中，

所述运算放大器静态直流偏差校正电路101，与所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路103相连，用于对运算放大器的静态直流偏差进行校正，减少静态工作时的偏差。

正弦逆变系统输出直流量幅度比较小，控制后的目标一般需要小于1伏特，运算电路的静态偏差有的比较高，不能忽略，为了减小测量偏差，通过对电路静态的校正，减少静态工作时的偏差。具体实施电路实例可参照图3中“静态偏差调节”电路，该电路包括可变电阻P1、电阻R5、+12V电源和-12V电源，可变电阻P1的两个固定端分别与+12V电源和-12V电源相连，其滑动端与电阻R5相连，电阻R5的另一端接至运算放大器U1的同向输入端。

静态偏差校正也可通过对无输入情况下电路静态偏差量的测量，在控制过程中采用其它措施减去该静态偏差的方式，在数字控制方式中多采用此方式。

所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压(降压)电路102，用于接收逆变系统的输出信号，对该信号进行降压，并降低其中的交流电压。

通常逆变系统输出相电压都是110V～240V，所用来控制的信号却需要在安全电压(36V)范围内，需要对其降压，同时为了分离出包含在其中的直流成分，采用低阻电容，选择合适的阻抗比例，让交流电压大幅度衰减，直流电压却能隔离在其两端。

具体实施电路实例可参照图3中的“隔直/分压电路”，图3中的“隔直/分压电路”包括电阻R1、R2和电容C1，电容C1跨接电阻R1和地之间，电阻R1的另一端接单相逆变系统的输出信号火线L，电容C1接地的一端与R2相连，电阻R2的另一端接单相逆变系统的输出信号零线N。电路参数选择使电阻值R1+R2大于电容器C1在逆变系统输出频率情况下的容抗值的10倍，则交流电压成分几乎被短路掉，而直流成分则几乎全保留下来加在电容两端。

所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路103，与高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路102相连，接收该电路的输出信号，放大该电路中的直流成分，不放大交流成分。

经过前一级从逆变系统输出分离出来的信号已经主要是直流成分，仍含有微量交流成分，为此，通过高输入阻抗的同相放大电路将直流信号放大，同时对交流成分则采取基本不放大处理，使得有用信号相对于无用信号的差别更大，同时进一步提高信号的分辨率。

具体实施电路实例可参照图3中的“同相放大电路”与“滤波”电路，为了使直流成分得到放大，电路参数选择R4比R3大，根据需要放大的倍数按1+R4/R3取合适的比例，选择电阻器R4阻值大于电容器C2在逆变系统输出频率情况下的容抗值的10倍，这样的电路基本不放大交流成分。

图3中的“同相放大电路”与“滤波”电路包括电阻R3、R4、电容C2、运算放大器U1以及+12V电源和-12V电源，电阻R4与电容C2并联在运算放大器U1的反向输入端和输出端之间，电阻R3与R4串联，其接点连接至运算放大器U1的反向输入端，电阻R3的另一端接地，+12V电源和-12V电源分别接至运算放大器U1的正负电源端。

反馈量适配调节电路104，与所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路103相连，用于接收其输出信号，进行反馈适配控制后外接至控制器。

经过前一级从逆变系统输出分离得到的直流量，可以按照控制系统的要求作为反馈输入控制量，为了控制反馈的作用深度，需要做适配处理，以优化最终的控制系统。

具体实施电路实例可参照图3中“反馈量适配”电路，在模拟电路控制方式中可通过调节输出电流大小进行配合，在数字控制方式中则可对该信号进行模数转换进行适配。

图3中“反馈量适配”电路包括电阻R6，电阻R6的一端接至运算放大器U1的输出端，另一端外接至控制器。

信号偏移电路105，与所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路102相连，用于将高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路102的输出信号电平偏移至所需电平。

这是一个可选的部分，对于一些需要通过电压偏移处理才能实现的控制方式，通过给前一级电路直接加一个合适的基准电压源，即可将所分离得到的直流量偏移到所需的电平。

具体实施电路实例可参照图3中“信号偏移”电路，另外输入一个直流参考基准DC_SHIFT信号，实际应用中需要根据逆变控制系统进行调整，也可满足数字控制方式中模数转换前对双极性信号偏移处理为单极性信号。

图3中“信号偏移”电路包括电阻R7和直流参考基准信号DC_SHIFT，R7一端与直流参考基准信号DC_SHIFT相连，另一端连接至运算放大器U1的同向输入端。

在多相逆变系统中，由于各相零线一般需要连接在一起，采用此方法时，通过大阻值电阻器将零线与各信号处理电路的工作地分开，不会因为零线上流过大电流电位波动就影响到信号处理电路，如附图4所示，每相输出信号连接至一个图3中所述的正弦逆变输出直流量采样电路，各相零线相连，可以很好的保证控制系统的信号稳定，不受功率电路的影响。

本发明提供一种正弦逆变输出直流量采样方法，包括以下步骤：

110，校正放大电路静态偏差；

120，用隔直电容短路所述正选逆变系统输出信号中的交流成分；

130，对隔直电容端电压的直流成分进行放大；

140，调节反馈量适配；

150，信号偏移(可选)。

用上述步骤完成正弦逆变输出直流量分离和有用信号放大，同时通过高阻值电阻器隔离控制地和功率地，使得功率地电位波动不影响控制系统信号处理，确保控制精度和稳定性，当用于多相逆变电路的控制时解开相互之间的电位参考耦合。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (15)

1、正弦逆变系统输出直流量采样方法，包括以下步骤：

步骤120，用隔直电容短路所述正弦逆变系统输出信号中的交流成分；

步骤130，对隔直电容端电压直流成分进行放大。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤130中，对信号进行放大前，首先校正电路的静态偏差。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤140，对步骤130中的输出信号进行反馈适配后连接至外接控制器。

4、一种正弦逆变系统输出直流量采样电路，包括高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路和隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路，其中，

所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路，其输入端接所述正弦逆变系统的输出信号，用于对该正弦逆变系统的输出信号降压至控制器所要求的范围，同时用电容降低所述输出信号中的交流成分；

所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路，连接至所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路，用于接收该电路的输出信号，放大所接收的输出信号中的直流成分。

5、如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路包括电阻R1、R2和电容C1，电容C1跨接在电阻R1和地之间，电阻R1的另一端接所述正弦逆变系统输出信号火线，电阻R2一端接地，电阻R2的另一端接所述正弦逆变系统的输出信号零线，电阻R1与电容C1相连的一端连接至所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路。

6、如权利要求5所述的电路，其特征在于，电路参数选择使电阻值R1+R2大于电容器C1在逆变系统输出频率情况下容抗值的10倍。

7、如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路包括电阻R3、R4、电容C2、运算放大器U1以及+12V电源和-12V电源，电阻R4与电容C2并联在运算放大器U1的反向输入端和输出端之间，电阻R3与R4串联，其接点连接至运算放大器U1的反向输入端，电阻R3的另一端接地，+12V电源和-12V电源分别接至运算放大器U1的正负电源端，所述运算放大器U1的同向输入端连接至所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路。

8、如权利要求7所述的电路，其特征在于，电路参数选择R4电阻值大于R3电阻值，且选择电阻器R4阻值大于电容器C2在逆变系统输出频率情况下容抗值的10倍。

9、如权利要求4或7所述的电路，其特征在于，还包括反馈量适配调节电路，连接至所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路，接收其输出信号，用于对所接收的输出信号进行适配处理，调节反馈控制的深度。

10、如权利要求4或7所述的电路，其特征在于，还包括信号偏移电路，连接至所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路，用于对所述高幅值正弦逆变输出电压阻容分压电路的输出信号进行电压偏移，将其电压偏移至所需的电平。

11、如权利要求4或7所述的电路，其特征在于，还包括运算放大器静态直流偏差校正电路，与所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路相连，用于减小所述电路的静态偏差。

12、如权利要求9所述的电路，其特征在于，所述反馈量适配调节电路包括电阻R6，电阻R6的一端接至所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路中所述运算放大器U1的输出端，另一端对外接至控制器。

13、如权利要求10所述的电路，其特征在于，所述信号偏移电路包括电阻R7和直流参考基准信号DC_SHIFT，R7一端与直流参考基准信号DC_SHIFT相连，另一端连接至所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路中所述运算放大器U1的同向输入端。

14、如权利要求11所述的电路，其特征在于，所述运算放大器静态直流偏差校正电路包括可变电阻P1、电阻R5、+12V电源和-12V电源，可变电阻P1的两个固定端分别与+12V电源和-12V电源相连，其滑动端与电阻R5相连，电阻R5的另一端接至所述隔直电容端电压直流量同相放大与低通滤波电路中所述运算放大器U1的同向输入端。

15、如权利要求4所述的电路，其特征在于，用于多相逆变系统时，每相输出信号连接至一个所述输出直流量采样电路，各相输出信号其零线相连。

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