CN101694967B - 交流无刷调压稳压数字电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力电子技术领域的交流无刷调压稳压数字电源装置，包括：交流电源、功率变换主电路模块、驱动电路模块、控制信号发生模块、检测模块和辅助电源模块，其中：交流电源分别与功率变换主电路模块和辅助电源模块相连，功率变换主电路模块与驱动电路模块相连，驱动电路模块与控制信号发生模块相连，检测模块与功率变换主电路模块相连，检测模块与控制信号发生模块相连，辅助电源模块分别与驱动电路模块、控制信号发生模块和检测模块相连，负载与功率变换主电路模块的输出端相连。本发明直接产生四路PWM控制信号，装置简单，成本低，易于实现；具有过流保护功能；当输入电压发生波动时，能够保持输出电压稳定。

Description

交流无刷调压稳压数字电源装置

技术领域

本发明涉及的是一种电力电子技术领域的装置，具体是一种交流无刷调压稳压数字电源装置。

背景技术

交流调压稳压装置广泛应用于工业生产的多个领域，目前交流调压稳压装置可以划分为两大类。第一类是有刷接触式调压装置，但是该装置在大电流时，电刷压降大，发热量高，在高速运转时，电刷产生电火花和电磁干扰；另外因电刷结构的原因，有刷调压器不适合在灰尘，泥泞，潮湿的恶劣环境下运行；由于长时间工作碳刷会发生磨损，有刷调压装置的使用寿命受到了很大限制，且系统的维护成本较高。第二类是基于电力电子技术的无触点交流调压装置，该类装置使用电力电子器件实现交流电压无触点调节，克服了有刷调压装置损耗大，干扰大，易于磨损的缺点。传统无触点晶闸管调压装置由于采用晶闸管相位控制调压技术，在调压操作的同时会产生大量的谐波电流，由于功率因数低、谐波含量大，该调压装置所产生的无功电流、谐波电流在电力线路中会引起较大的功率损耗，浪费电能。交流斩控式调压是一种新型交流调压技术，具有高功率因数，谐波含量小，调节速度快的优点。

经对现有文献检索发现，中国专利公开号为CN101364117，专利名称为：非互补斩控式智能交流稳压调压方法与装置，该申请案采用交流斩控技术，但是该方法中PWM(脉冲宽度调制)信号的划分与产生方案设计较为复杂，成本高；该装置可靠性差，当输入电压发生波动或者是切换负载都会造成输出电压的不稳定，对于一些对于输入电压稳定性要求较高的敏感负载，不稳定的输出电压有可能会造成故障甚至设备损坏。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种交流无刷调压稳压数字电源装置。本装置设计简单，可靠性高，成本较低，且增加了过流保护功能，能输出稳定的可控电压。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括：交流电源、功率变换主电路模块、驱动电路模块、控制信号发生模块、检测模块和辅助电源模块，其中：交流电源分别与功率变换主电路模块和辅助电源模块相连传输交流电源，功率变换主电路模块与驱动电路模块相连传输驱动信号，驱动电路模块与控制信号发生模块相连传输PWM控制信号，检测模块与功率变换主电路模块相连传输电压电流信号，检测模块与控制信号发生模块相连传输调理检测信号，辅助电源模块分别与驱动电路模块、控制信号发生模块和检测模块相连传输直流电源，负载与功率变换主电路模块的输出端相连传输幅度可调、与交流电源同频率、同相位的正弦波电压。

所述的功率变换主电路模块包括：开机过流保护电阻、输入滤波电感、输入滤波电容、四个开关、储能电感和输出滤波电容，其中：开机过流保护电阻的一端与输入滤波电感的一端相连，输入滤波电感的另一端、输入滤波电容的一端和第一开关的C极分别两两相连，开机过流保护电阻的另一端和输入滤波电容的另一端作为功率变换主电路模块的输入端口，该输入端口与交流电源相连，第一开关的E极与第二开关的C极相连，第二开关的E极、第三开关的C极和储能电感的一端分别两两相连，第三开关的E极与第四开关的C极相连，储能电感的另一端和输出滤波电容的一端相连，输出滤波电容的另一端、第四开关的E极和输入滤波电容作为输入端口的那一端分别两两相连，输出滤波电容的两端作为功率变换主电路模块的输出端口，该输出端口与负载相连传输幅度可调、与交流电源同频率、同相位的正弦波电压；四个开关分别与驱动电路模块相连传输驱动信号；检测模块分别与输入端口、输出端口和储能电感相连传输电压电流信号。

所述的开关是IGBT(绝缘栅双极晶体管)，或者是MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)。

所述的驱动电路模块包括：第一驱动电路和第二驱动电路，其中：第一驱动电路分别与第一开关和第二开关相连传输驱动信号，第二驱动电路分别与第三开关和第四开关相连传输驱动信号，辅助电源模块和控制信号发生模块分别与第一驱动电路和第二驱动电路相连传输直流电源和PWM控制信号。

所述的控制信号发生模块是数字信号处理器、微控制器和CPLD(复杂的可编程逻辑器)中的一种。

所述的检测模块包括：两个电压互感器、电流互感器和信号调理电路，其中：两个电压互感器分别与功率变换主电路的输入端和输出端相连传输功率变换主电路的输入电压和输出电压信号，电流互感器与功率变换主电路相连传输电流信号，信号调理电路的输入端分别与电压互感器和电流互感器相连传输功率变换主电路的输入电压、输出电压和电流信号，信号调理电路的输出端与控制信号发生模块相连传输调理检测信号。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：直接产生四路PWM控制信号，无需使用时序互锁等专用电路，装置简单，成本低，易于实现；具有过流保护功能，能够保证装置安全可靠工作；且输出电压稳定，输出电压的误差小于1％。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是功率变换主电路模块的电路原理图；

图3是四个开关的控制信号时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：功率变换主电路模块1、驱动电路模块2、控制信号发生模块3、检测模块4、辅助电源模块5和交流电源6，其中：交流电源6分别与功率变换主电路模块1和辅助电源模块5相连传输交流电源，功率变换主电路模块1与驱动电路模块2相连传输驱动信号，驱动电路模块2与控制信号发生模块3相连传输PWM控制信号，检测模块4与功率变换主电路模块1相连传输电压电流信号，检测模块4与控制信号发生模块3相连传输调理检测信号，辅助电源模块5分别与驱动电路模块2、控制信号发生模块3和检测模块4相连传输直流电源，负载7与功率变换主电路模块1的输出端CD相连传输幅度可调、与交流电源6同频率、同相位的正弦波电压。

如图2所示，所述的功率变换主电路模块1包括：开机过流保护电阻R、输入滤波电感L1、输入滤波电容C1、四个开关、储能电感L2和输出滤波电容C2，其中：开机过流保护电阻R的一端与输入滤波电感L1的一端相连，输入滤波电感L1的另一端、输入滤波电容C1的一端和第一开关S1的C极分别两两相连，开机过流保护电阻R的另一端和输入滤波电容C1的另一端作为功率变换主电路模块1的输入端口AB，该输入端口AB与交流电源6相连，第一开关S1的E极与第二开关S2的C极相连，第二开关S2的E极、第三开关S3的C极和储能电感L2的一端分别两两相连，第三开关S3的E极与第四开关S4的C极相连，储能电感L2的另一端和输出滤波电容C2的一端相连，输出滤波电容C2的另一端、第四开关S4的E极和输入滤波电容C1作为输入端口的那一端分别两两相连，输出滤波电容C2的两端作为功率变换主电路模块1的输出端口CD，该输出端口CD与负载7相连传输幅度可调、与交流电源同频率、同相位的正弦波电压；四个开关分别与驱动电路模块2相连传输驱动信号；检测模块4分别与输入端口AB、输出端口CD和储能电感L2相连传输电压电流信号。

本实施例中：输入滤波电感L1的电感值为200微亨，输入滤波电容C1的电容值为1微法，储能电感L2的电感值为1毫亨，输出滤波电容C2的电容值为1微法。

所述的开关是IR公司的型号为IRGB4061的IGBT。

所述的开机过流保护电阻R是负温度系数电阻NTC16-D20。

所述的驱动电路模块2是IR公司的IR2110芯片，该芯片包括四路驱动电路，其中：每路驱动电路与相应的开关相连传输驱动信号，辅助电源模块5和控制信号发生模块3分别与每路驱动电路相连传输直流电源和PWM控制信号。

所述的控制信号发生模块3是微控制器DSPIC30F4011，该微控制器根据检测模块4所传输的电压电流信号，应用电压稳定PI(比例积分)控制方法，得到占空比可调的25千赫兹-60千赫兹范围的高频脉宽可调控制信号，通过驱动电路模块2控制功率变换主电路模块1的四个开关的通断，从而实现调压、稳压功能；同时当电感电流超过安全值时，微控制器封锁控制信号输出，实现过流保护功能。

所述的检测模块4包括：两个电压互感器LEM-LV28、电流互感器LEM-LA28和标准信号调理电路，其中：两个电压互感器分别与功率变换主电路1的输入端和输出端相连传输功率变换主电路1的输入电压和输出电压信号，电流互感器与储能电感L2相连传输电流信号，信号调理电路的输入端分别与电压互感器和电流互感器相连传输功率变换主电路1的输入电压、输出电压和电流信号，信号调理电路的输出端与控制信号发生模块3相连传输调理检测信号。

本实施例的工作过程：交流电源6分别为功率变换主电路模块1和辅助电源模块5提供交流电源，辅助电源模块5分别为驱动电路模块2、控制信号发生模块3和检测模块4提供直流电源，检测模块4检测交流电源6和负载7间的电压、功率变换主电路模块1中的储能电感电流信号，检测到的信号传递给控制信号发生模块3，控制信号发生模块3根据所接收检测信号，输出PWM控制信号给驱动电路模块2，当电感电流超过安全值时，控制器信号发生模块3封锁PWM控制信号，保护功率变换主电路模块1安全；当电感电流小于或者等于安全值时，控制器信号发生模块3向驱动电路模块2发出PWM控制信号，进而驱动电路模块2向功率变换主电路模块1发出驱动信号，控制功率变换主电路模块1的工作，四个开关的控制信号时序，如图3所示：当交流电源6电压大于零时，第一开关S1和第三开关S3处于互补交替导通状态，第二开关S2和第四开关S4导通：第一开关S1导通时，第三开关S3断开，交流电源6为负载7供电，储能电感L2充电，其电流上升，第一开关S1断开时，第三开关S3导通，储能电感L2通过第三开关S3为负载7供电，储能电感L2电流下降；当交流电源6电压小于零时，第二开关S2和第四开关S4处于互补交替导通状态，第一开关S1和第三开关S3导通：当第二开关S2导通时，第四开关S4断开，交流电源6为负载7供电，储能电感L2充电，其电流上升，当第二开关S2断开时，第四开关S4导通，储能电感L2通过第四开关S4为负载7供电，储能电感L2电流下降。负载7两端电压与第一开关S1、第二开关S2控制信号脉冲宽度成正比，通过改变脉冲宽度进行电压调节，经过输出滤波电容C2后得到幅度可调、与交流电源6电压同频率、同相位的正弦波电压。

本实施例直接产生四路PWM控制信号，无需使用时序互锁等专用电路，装置简单，成本低，易于实现；具有过流保护功能，能够保证装置安全可靠工作；且输出电压稳定，输出电压的误差小于1％。

Claims (4)

1.一种交流无刷调压稳压数字控制电源装置，其特征在于，包括：交流电源、功率变换主电路模块、驱动电路模块、控制信号发生模块、检测模块和辅助电源模块，其中：交流电源分别与功率变换主电路模块和辅助电源模块相连传输交流电源，功率变换主电路模块与驱动电路模块相连传输驱动信号，驱动电路模块与控制信号发生模块相连传输PWM控制信号，检测模块与功率变换主电路模块相连传输电压电流信号，检测模块与控制信号发生模块相连传输调理检测信号，辅助电源模块分别与驱动电路模块、控制信号发生模块和检测模块相连传输直流电源，负载与功率变换主电路模块的输出端相连传输幅度可调、与交流电源同频率、同相位的正弦波电压；

所述的功率变换主电路模块包括：开机过流保护电阻(R)、输入滤波电感(L1)、输入滤波电容(C1)、四个开关、储能电感(L2)和输出滤波电容(C2)，其中：开机过流保护电阻(R)的一端与输入滤波电感(L1)的一端相连，输入滤波电感(L1)的另一端、输入滤波电容(C1)的一端和第一开关(S1)的C极分别两两相连，开机过流保护电阻(R)的另一端和输入滤波电容(C1)的另一端作为功率变换主电路模块的输入端口(AB)，该输入端口(AB)与交流电源相连，第一开关(S1)的E极与第二开关(S2)的C极相连，第二开关(S2)的E极、第三开关(S3)的C极和储能电感(L2)的一端分别两两相连，第三开关(S3)的E极与第四开关(S4)的C极相连，储能电感(L2)的另一端和输出滤波电容(C2)的一端相连，输出滤波电容(C2)的另一端、第四开关(S4)的E极和输入滤波电容(C1)作为输入端口的那一端分别两两相连，输出滤波电容(C2)的两端作为功率变换主电路模块的输出端口(CD)，该输出端口(CD)与负载相连传输幅度可调、与交流电源同频率、同相位的正弦波电压；四个开关分别与驱动电路模块相连传输驱动信号；检测模块分别与输入端口(AB)、输出端口(CD)和储能电感(L2)相连传输电压电流信号；

所述的开关是IGBT，或者是MOSFET。

2.根据权利要求1所述的交流无刷调压稳压数字控制电源装置，其特征是，所述的驱动电路模块包括：第一驱动电路和第二驱动电路，其中：第一驱动电路分别与第一开关(S1)和第二开关(S2)相连传输驱动信号，第二驱动电路分别与第三开关(S3)和第四开关(S4)相连传输驱动信号，辅助电源模块和控制信号发生模块分别与第一驱动电路和第二驱动电路相连传输直流电源和PWM控制信号。

3.根据权利要求1所述的交流无刷调压稳压数字控制电源装置，其特征是，所述的控制信号发生模块是数字信号处理器、微控制器和CPLD中的一种。

4.根据权利要求1所述的交流无刷调压稳压数字控制电源装置，其特征是，所述的检测模块包括：两个电压互感器、电流互感器和信号调理电路，其中：两个电压互感器分别与功率变换主电路的输入端和输出端相连传输功率变换主电路的输入电压和输出电压信号，电流互感器与功率变换主电路相连传输电流信号，信号调理电路的输入端分别与电压互感器和电流互感器相连传输功率变换主电路的输入电压、输出电压和电流信号，信号调理电路的输出端与控制信号发生模块相连传输调理检测信号。

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