CN101686016A - 电感器电路及控制电感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电感器电路，包括一个串联连接在一整流器电路直流侧一条线路中的电感器，还包括一个第一控制器、一个第二控制器、一个第三控制器以及一个开关器件，开关器件并联连接在整流器电路直流侧的两条线路之间，第一控制器用于根据电压设定值和整流器电路直流侧的电压采样信号确定电流参考信号；第二控制器用于根据电流参考信号和整流器电路直流侧的电流采样信号确定控制信号；第三控制器用于根据控制信号控制开关器件导通或断开。本发明还公开了一种电感器的控制方法。本发明可以使用小电感的电感器取得现有技术中使用电感更大的电感器的效果，有效地降低了输入电流谐波，提高了输入的功率因数。
Description
技术领域
本发明涉及整流器电路领域，特别是一种电感器电路和一种控制电感器的方法。
背景技术
在很多电力电子设备中都使用交流(AC)-直流(DC)变流器(即，整流器)作为对电网的接口，将电网的交流电转换为直流电。由于二极管整流桥的结构简单，并且成本较低，因此单相或三相二极管整流桥常被用来实现AC-DC转换。然而，作为一种非线性和不可控器件，二极管整流桥具有输入电流谐波，容易引起电能质量问题，而电能质量问题会引起诸如电压波动、降低传输容量等进一步的问题。
图1显示了一种三相AC-DC-AC变流器，包括一个三相二极管整流桥、一个电解电容器和一个基于绝缘栅极型功率管(IGBT)的逆变器，三相交流电从输入端R、S、T输入二极管整流桥，经二极管整流桥转换成直流电，在经过电解电容器之后输入逆变器，由逆变器转换成三相交流电后从输出端U、V、W输出。如前所述，由于二极管整流桥是一种非线性和不可控器件，所以其输入电流含有明显的谐波，会进一步传播到电网中，对电网造成不良影响。电流谐波还会导致电网输出额外的无功功率，降低电网的电压。
图2显示了图1所示二极管整流桥的输入电压和电流的波形，该图是从示波器屏幕截取的。需要注意的是，由于测量的是线间电压，因此相电压与图中所示电压存在一个30°的相位差。图3显示了图2中电流的频谱，该频谱使用快速傅里叶变换(FFT)得到。从图3可以看出，输入电流中存在明显的5阶谐波、7阶谐波、11阶谐波和13阶谐波。经过计算，此时的功率因数为0.58。
为了降低二极管整流桥的输入电流谐波，可以在二极管整流桥的直流侧使用一个电感器。图4显示了一种增加了电感器LDC的AC-DC-AC变流器。由于如图4所示的电路在图1所述电路的基础上增加了一个具有高电感的直流电感器LDC，因此可以使得直流侧的电流变得平滑，并且可以降低输入电流谐波。
图5显示了图4所示二极管整流桥(电感器LDC的电感为2mH时)的输入电压和电流波形。图5中的电流峰值约为15A，与图2中约为25A的电流峰值相比，可以看出电流峰值得到了降低，并且波形变得平滑了。
图6显示了通过FFT得到的图5中电流的频谱。图6中虽然还存在明显的5阶谐波和7阶谐波，但是与图3相比，已经得到了很大程度的降低，尤其是7阶谐波。经过计算，此时的功率因数为0.75，与图1所示的AC-DC-AC变流器相比有所提高。
使用电感更大的电感器可以进一步降低电流谐波。图7显示了采用电感为10mH的电感器LDC时的输入电压和电流波形，图8显示了通过FFT得到的图7中电流的频谱。从图中可以看出，电流峰值(图7中约为10A)进一步得到了降低，电流波形更加平滑，进一步降低了5阶谐波和7阶谐波，并且此时的功率因数提高到了0.92。
可见，采用电感更大的电感器，可以更进一步降低输入电流谐波，但是，由于电感器使用大量的铜，所以电感更大的电感器具有体积大、重量大、成本高的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种电感器电路，其目的在于，使用小电感的电感器来有效降低输入电流谐波。本发明还提出了一种电感器的控制方法，用以使用小电感的电感器来有效降低输入电流谐波。
为了实现上述目的，本发明提供了一种电感器电路，包括一个电感器，该电感器串联连接在一整流器电路直流侧的一条线路中，还包括一个第一控制器、一个第二控制器、一个第三控制器以及一个开关器件，所述开关器件并联连接在所述整流器电路直流侧的两条线路之间，
所述第一控制器，用于根据电压设定值和所述整流器电路直流侧的电压采样信号确定电流参考信号；
所述第二控制器，用于根据所述电流参考信号和所述整流器电路直流侧的电流采样信号确定控制信号；
所述第三控制器，用于根据所述控制信号控制所述开关器件导通或断开。
所述电感器电路还包括一个波形发生器，用于产生电流整形信号。所述第二控制器还用于根据所述电流参考信号、电流采样信号以及所述电流整形信号确定控制信号。
所述第一控制器为比例控制器、比例积分控制器、或者比例积分微分控制器。
所述第二控制器为比例控制器、比例积分控制器、比例积分微分控制器、或者比例微分控制器。
所述第三控制器为脉冲宽度调制控制器或脉冲频率调制控制器。
所述开关器件为绝缘栅极型功率管、晶闸管、可关断晶闸管、大功率晶体管或者金属氧化物半导体场效应晶体管。
所述电感器还串联连接有一个二极管。
本发明还提供了一种电感器的控制方法，所述电感器串联连接在一整流器电路直流侧的一条线路中，并且在所述整流器电路直流侧的两条线路之间并联连接有一个开关器件，该方法包括如下步骤：
根据电压设定值和所述整流器电路直流侧的电压采样信号确定电流参考信号；
根据所述电流参考信号和所述整流器电路直流侧的电流采样信号确定控制信号；
根据所述控制信号控制开关器件导通或断开。
该方法还包括产生电流整形信号的步骤。并且，根据所述电流参考信号、电流采样信号以及所述电流整形信号确定控制信号。
利用比例控制方法、比例积分控制方法或者比例积分微分控制方法来确定所述电流参考信号。
利用比例控制方法、比例积分控制方法、比例积分微分控制方法、或者比例微分控制方法来确定所述控制信号。
利用脉冲宽度调制方法或者脉冲频率调制方法来控制所述开关器件导通或断开。
该方法还包括：限制所述电感器所在线路单向导通。
从上述方案中可以看出，采用本发明的技术方案可以使用小电感的电感器取得现有技术中使用电感更大的电感器的效果，有效地降低了输入电流谐波，提高了输入的功率因数。由于采用了小电感的电感器，本发明还能够降低整个电路的体积以及重量，并且降低了整个电路的成本。另外，采用本发明的技术方案还能够减小输入电压和电流之间的相位差。
附图说明
图1为现有技术中未使用电感器的AC-DC-AC变流器的结构示意图。
图2为从示波器屏幕截取的图1中所示二极管整流桥的输入电压和电流的示意图，其中，通道1(图中较规则的正弦波形)为电压，档位为250V/格，通道2为电流，档位为10A/格。
图3为图2所示电流的频谱的示意图。
图4为现有技术中使用了电感器的AC-DC-AC变流器的结构示意图。
图5为从示波器屏幕截取的图4所示AC-DC-AC变流器使用2mH电感器时的输入电压和电流的示意图，其中，通道1(图中较规则的正弦波形)为电压，档位为250V/格，通道2为电流，档位为5A/格。
图6为图5所示电流的频谱的示意图。
图7为从示波器屏幕截取的图4所示AC-DC-AC变流器使用10mH电感器时的输入电压和电流的示意图，其中，通道1(图中较规则的正弦波形)为电压，档位为250V/格，通道2为电流，档位为5A/格。
图8为图7所示电流的频谱的示意图。
图9为根据本发明实施例的AC-DC-AC变流器的结构示意图。
图10为根据本发明实施例的方法的示意图。
图11为从示波器屏幕截取的图4所示AC-DC-AC变流器使用10mH电感器时的输入电压和电流的示意图，其中，通道1(图中较规则的正弦波形)为电压，档位为250V/格，通道2为电流，档位为10A/格。
图12为图11所示电流的频谱的示意图。
图13显示了不同情况下的输入电流峰值的比较。图14显示了不同情况下的输入电流总谐波失真的比较。图15显示了不同情况下的输入功率因数的比较。在图13、14、15中，(一)表示图1所示电路的情况；(二)表示图4所示电路使用2mH电感器时的情况；(三)表示图9所示电路使用2mH电感器时的情况。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。
图9为一种AC-DC-AC变流器的结构示意图，该AC-DC-AC变流器包括本发明实施例的电感器电路。与图4所示电路相似，该AC-DC-AC变流器包括一个整流器电路、电解电容器、一个逆变器电路、一个电感器LDC以及电感器LDC的控制电路，其中整流器电路可以采用二极管整流桥，逆变器电路可以采用基于IGBT的逆变器或其它类似器件。电感器LDC串联连接在整流器电路直流侧的一条线路中。
本发明实施例中的电感器LDC的控制电路包括一个第一控制器、一个第二控制器、一个第三控制器和一个开关器件。其中，开关器件并联连接在整流器电路直流侧的两条线路之间，在电感器之后。该开关器件的导通和断开，可以控制电感器。
第一控制器用于根据电压设定值Vo *和整流器电路直流侧的电压采样信号Vo确定电流参考信号Iin *，其中，电压设定值Vo *可以根据应用场合的要求来设定。第一控制器可以采用比例(P)控制器、比例积分(PI)控制器或者比例积分微分(PID)控制器来实现，从而利用相应的比例控制方法、比例积分控制方法或者比例积分微分控制方法来确定电流参考信号Iin *。
由于比例控制方法、比例积分控制方法、比例积分微分控制方法以及比例微分控制方法为公知的方法，比例控制器、比例积分控制器、比例积分微分控制器以及比例微分控制器为公知的控制器，因此本发明对此不作详细描述。
第二控制器用于根据第一控制器输出的电流参考信号Iin *和从整流器电路直流侧采样获得的电流采样信号Iin确定控制信号。第二控制器可以采用比例控制器、比例积分控制器、比例积分微分控制器或者比例微分(PD)控制器来实现，从而利用相应的比例控制方法、比例积分控制方法、比例积分微分控制方法或者比例微分控制方法来确定控制信号。
进一步，第二控制器还可以根据电流参考信号Iin *、电流采样信号Iin以及电流整形信号IV来确定控制信号，从而能够对电流的波形进行更精确的调整。其中，电流整形信号IV可以由一波形发生器来产生。
第三控制器用于根据控制信号控制开关器件导通或断开，从而对电感器进行控制，使得具有较小电感的电感器能够等效于传统的电感更大的电感器，进而降低输入电流谐波。第三控制器可以采用脉冲宽度调制(PWM)控制器、脉冲频率调制(PFM)控制器等来实现，从而相应的利用脉冲宽度调制方法、脉冲频率调制方法来控制开关器件的导通或断开。
在本发明实施例的电路中，开关器件可以采用绝缘栅极型功率管(IGBT)。IGBT具有承受电压高、开关响应速度快的优点。在电压较低或开关相应速度要求不高的应用场合，开关器件还可以采用晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管(GTR)或者金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等来实现。
在如图9所示的电路中，在电感器输出端还串联有一个二极管，该二极管可以限制整流器电路直流侧的电流方向，即限制电感器所在线路只能单向流过电流。
图10是本发明实施例中控制方法的流程示意图。该方法包括以下步骤：
步骤S01，从整流器电路的直流侧对电压进行采样，得到电压采样信号Vo，并且与预先设定的电压设定值Vo *一起提供给第一控制器。
步骤S02，根据根据电压设定值Vo *和电压采样信号Vo确定电流参考信号Iin *。在本步骤中，可以采用比例控制方法、比例积分控制方法或者比例积分微分控制方法来确定电流参考信号Iin *，在图10中以比例控制方法为例。
步骤S03，使用诸如波形发生器等装置产生电流整形信号IV，将电流整形信号IV与电流参考信号Iin *叠加，得到叠加后的信号IL。
步骤S04，从整流器电路的直流侧对电流进行采样，得到电流采样信号Iin，并与上述信号IL一起提供给第二控制器。
步骤S05，根据电流参考信号Iin *和从整流器电路直流侧采样获得的电流采样信号Iin确定控制信号。在本步骤中，可以采用比例控制方法、比例积分控制方法、比例积分微分控制方法、或者比例微分控制方法来确定控制信号，在图10中以比例积分控制方法为例。
步骤S06，将控制信号提供给第三控制器，第三控制器根据该控制信号控制开关器件(以IGBT为例)的栅极(GIGBT)，从而控制开关器件IGBT导通或者断开。在图10中，第三控制器以PWM控制器为例，并且该PWM控制器采用三角波作为载波。
在上述方法中，还可以在电感器LDC所在线路中串联连接有一个二极管来限制整流器电路直流侧的电流的方向。
图11显示了本发明实施例中整流器电路的输入电压和电流的波形，其中所采用的电感器的电感为2mH。图12显示了通过FFT得到的图11中的电流的频谱。
从图11可以看出，输入电流的峰值为10A，远小于图2中的25A和图5中的15A，并且图11中电压和电流的相位差比图2、5、7中电压和电流的相位差小。从图12可以看出，与图3以及图6相比，本发明的技术方案有效地降低了输入电流中的5阶谐波和7阶谐波。经过计算，此时的功率因数为0.91，而现有技术中采取10mH的电感器时的功率因数为0.92。换言之，通过本发明的实施，使得2mH的电感器达到了现有技术中采用10mH电感器所取得的效果。
图13、图14和图15分别显示了在采用不同技术方案时的输入电流峰值、总谐波失真(total harmonic distortion，THD)和输入功率因数。在这些图中，(一)表示现有技术中图1所示电路没有采用电感器时的情况；(二)表示现有技术中图4所示电路只采用2mH的电感器时的情况；(三)表示根据本发明如图9所示电路中控制2mH的电感器的情况。从图13、14和15可以看出，本发明降低了输入电流的峰值，降低了总谐波失真，同时还提供了输入的功率因数。
与取得相同效果的10mH电感器相比，本发明采用的2mH电感器及其控制电路的成本和体积都远小于采用传统10mH电感器的电路。
采用本发明的技术方案，还可以实现直流电压的可控性。在电网电压出现波动时，本发明的技术方案可以将直流电压控制在一个合适的范围内，可以保证用电设备的安全，进一步可以省却现有的频率保护装置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1、一种电感器电路，包括一个电感器，该电感器串联连接在一整流器电路直流侧的一条线路中，其特征在于，还包括一个第一控制器、一个第二控制器、一个第三控制器以及一个开关器件，所述开关器件并联连接在所述整流器电路直流侧的两条线路之间，
所述第一控制器，用于根据电压设定值(Vo *)和所述整流器电路直流侧的电压采样信号(Vo)确定电流参考信号(Iin *)；
所述第二控制器，用于根据所述电流参考信号(Iin *)和所述整流器电路直流侧的电流采样信号(Iin)确定控制信号；
所述第三控制器，用于根据所述控制信号控制所述开关器件导通或断开。
2、根据权利要求1所述电感器电路，其特征在于，所述电感器电路还包括一个波形发生器，用于产生电流整形信号(IV)；
所述第二控制器还用于根据所述电流参考信号(Iin *)、电流采样信号(Iin)以及所述电流整形信号(IV)确定控制信号。
3、根据权利要求1或2所述电感器电路，其特征在于，所述第一控制器为比例(P)控制器、比例积分(PI)控制器、或者比例积分微分(PID)控制器。
4、根据权利要求1或2所述电感器电路，其特征在于，所述第二控制器为比例控制器、比例积分控制器、比例积分微分控制器、或者比例微分(PD)控制器。
5、根据权利要求1或2所述电感器电路，其特征在于，所述第三控制器为脉冲宽度调制(PWM)控制器或者脉冲频率调制(PFM)控制器。
6、根据权利要求1或2所述电感器电路，其特征在于，所述开关器件为绝缘栅极型功率管(IGBT)、晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管(GTR)或者金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
7、根据权利要求1或2所述电感器电路，其特征在于，所述电感器还串联连接有一个二极管。
8、一种电感器的控制方法，所述电感器串联连接在一整流器电路直流侧的一条线路中，并且在所述整流器电路直流侧的两条线路之间并联连接有一个开关器件，该方法包括如下步骤：
根据电压设定值(Vo *)和所述整流器电路直流侧的电压采样信号(Vo)确定电流参考信号(Iin *)；
根据所述电流参考信号(Iin *)和所述整流器电路直流侧的电流采样信号(Iin)确定控制信号；
根据所述控制信号控制开关器件导通或断开。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法还包括产生电流整形信号(IV)的步骤；
并且，根据所述电流参考信号(Iin *)、电流采样信号(Iin)以及所述电流整形信号(IV)确定控制信号。
10、根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，利用比例(P)控制方法、比例积分(PI)控制方法或者比例积分微分(PID)控制方法来确定所述电流参考信号(Iin *)。
11、根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，利用比例控制方法、比例积分控制方法、比例积分微分控制方法、或者比例微分(PD)控制方法来确定所述控制信号。
12、根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，利用脉冲宽度调制(PWM)方法或者脉冲频率调制(PFM)方法来控制所述开关器件导通或断开。
13、根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，该方法还包括：限制所述电感器所在线路单向导通。
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