CN102244386B - 低谐波电力调整装置和低谐波电力调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种低谐波电力调整装置，其包含：一切相角估算单元，根据控制电压决定一导通资讯；一处理器，电连接于切相角估算单元以接收导通资讯，产生一包括一第一至第三区间及一截止区间的触发信号；及一触发单元，接收触发信号，并根据触发信号和输入电压来产生一驱动电压；在第一区间时驱动电压于前一周期维持零电压的时间大于目前周期维持零电压的时间；在第二区间时驱动电压追随该输入电压；在第三区间时驱动电压于前一周期维持零电压的时间小于目前周期维持零电压的时间；在截止区间时驱动电压呈零电压，能降低谐波且避免负载产生反抗突波。

Description

低谐波电力调整装置和低谐波电力调整方法

技术领域

本发明涉及一种电力调整装置和方法，特别是涉及一种低谐波电力调整装置和方法。

背景技术

如图1所示，为一种以往的加热系统10，适用于接收电力公司端经由一变压器90传来的一个三相输入电压Vin，以进行加热。且通常三相输入电压Vin是以弦波型式来呈现。

该加热系统10包含：一电力调整装置E、一负载L、一温度感测器91。电力调整装置E可执行一直接式相位输出的方式或一分配式零位输出方式，以调整输出至该负载L的电压值。

＜直接式相位输出的方式＞

直接式相位输出的方式为，该电力调整装置E电连接于该变压器90以接收该三相输入电压Vin，并根据一控制电压对该三相输入电压Vin切相角而提供一驱动电压Vout。在此，切相角的定义为：使一弦波周期的相角分为非导通相位与导通相位等两部分，并令非导通相位对应的驱动电压Vout幅值为0，且令导通相位对应的驱动电压Vout追随三相输入电压Vin。

以图2为例，非导通相位就是驱动电压Vout于一弦波周期中的虚线部份，电压幅值为0。而实线部份是导通相位，电压幅值追随三相输入电压Vin。

该负载L电连接于该电力调整装置E以接收该驱动电压Vout而产生温度变化。该温度感测器91耦接于该负载L，且产生一相对应该温度变化的该控制电压。

在此举一例说明，当温度感测器91透过该控制电压告知该电力调整装置E：于100周期内，应该输出该三相输入电压Vin的额定电压(就是一弦波周期内的均方根值)的50％，则该电力调整装置将该三相输入电压Vin切相角，使每一周期的驱动电压Vout的均方根运算值为额定电压的50％。这样的驱动电压Vout波形可参考图3。

以往直接式相位输出方式的缺点为驱动电压Vout因切相角而呈失真的弦波信号，而有谐波产生过多的现象。

＜分配式零位输出方式＞

而另一种以往的方式，是以分配式零位输出，在此举一例说明，当温度感测器91透过该控制电压告知该电力调整装置E：于10周期内，应该输出该三相输入电压Vin的额定电压的10％，则该驱动电压Vout如图4，为1个周期是无切相角的全波，另外9个周期是零电压。而当该电力调整装置E被告知：于10周期内，应该输出该三相输入电压Vin的额定电压的50％，则该驱动电压Vout如图5，第奇数个周期是无切相角的全波，第偶数个周期是零电压。

以往分配式零位输出的缺点为从目前周期的全波变至下一周期的零电位时瞬间，将于负载L产生反抗突波电流，导致负载L烧毁，又也会有谐波产生过多的现象。

如图6所示为直接式相位输出的方式在三相输入电压Vin的额定电压20％、50％、70％时，驱动电压Vout的波形，其由电力品质分析仪器得到的总谐波失真(THD-F，total harmonic distortion as％of fundamental)率分别为156％、92％、32％。当谐波失真所伴随的谐波干扰回传至电力公司端，会进一步传入其他用户端的设备(图未示)，造成设备损坏。

由此可见，上述现有的技术在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于是在提供一种避免上述缺失和减少谐波的低谐波电力调整装置。

本发明的另一目的在于，即在提供一种避免上述缺失和减少谐波的低谐波电力调整方法。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种低谐波电力调整装置，适用于接收一控制电压及一个呈现弦波形式的输入电压；其中该低谐波电力调整装置包含：一切相角估算单元，根据该控制电压决定一导通资讯；一处理器，电连接于该切相角估算单元以接收该导通资讯，而产生一个包括依序接续的一第一区间、一第二区间、一第三区间及一截止区间的触发信号，并且每一区间具有多个分别对应该输入电压的一弦波的周期；及一触发单元，电连接于该处理器以接收该触发信号，并根据该触发信号和该输入电压来产生一驱动电压；在该触发信号处于该第一区间时，该触发单元使该驱动电压切换地呈现零电压或追随该输入电压，且该驱动电压于前一周期维持零电压的时间大于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号处于该第二区间时，该触发单元使该驱动电压追随该输入电压；在该触发信号处于该第三区间时，该触发单元使该驱动电压切换地呈现零电压或追随该输入电压，且该驱动电压于前一周期维持零电压的时间小于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号处于该截止区间时，该触发单元使该驱动电压呈现零电压；该切相角估算单元包括：一平均电压估算器，根据该控制电压运算得到一平均电压；及一周期数分配器，电连接于该平均电压估算器，并具有一电压规格对应表，该电压规格对应表存有每一种可能平均电压值所对应的一额定电压比例值；该周期数分配器根据该电压规格对应表，查出相关于该平均电压的该额定电压比例值，来决定该触发信号于该截止区间内所具有的周期数。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的低谐波电力调整装置，其中在该截止区间内，该触发信号的各周期处于一第一电位，在该第二区间内，该触发信号的各周期处于一第二电位，在该第一、三区间内，该触发信号的各周期于该第一、第二电位间切换。

前述的低谐波电力调整装置，其中该周期数分配器更根据一预设周期比例，决定该触发信号于该第一区间内所具有的周期数，并决定该触发信号于该第二区间内所具有的周期数，且决定该触发信号于该第三区间内所具有的周期数。

前述的低谐波电力调整装置，其中该触发单元包括多组反向并联的硅控整流器，每一硅控整流器根据该触发信号于导通与不导通间切换，以让该驱动电压处于一导通相位或一非导通相位；当该驱动电压处于该非导通相位时，该驱动电压的幅值为零，当该驱动电压处于该导通相位时，该驱动电压的幅值追随该输入电压。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种低谐波电力调整方法，其中包含以下步骤：(A)提供一控制电压及一呈现弦波形式的输入电压；(B)根据该控制电压决定一导通资讯；(C)根据该导通资讯，而产生一个包括依序接续的一第一区间、一第二区间、一第三区间及一截止区间的触发信号，并且每一区间具有多个分别对应该输入电压的一弦波的周期；及(D)根据该触发信号和该输入电压来产生一驱动电压，在该触发信号处于该第一区间时，使该驱动电压切换地呈现零电压或追随该输入电压，且该驱动电压于前一周期维持零电压的时间大于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号处于该第二区间时，使该驱动电压追随该输入电压；在该触发信号处于该第三区间时，使该驱动电压切换地呈现零电压或追随该输入电压，且该驱动电压于前一周期维持零电压的时间小于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号处于该截止区间时，使该驱动电压呈现零电压；该步骤(B)包括以下子步骤：(B1)根据该控制电压运算得到一平均电压；及(B2)提供一电压规格对应表，该电压规格对应表存有每一种可能平均电压值所对应的一额定电压比例值，进而根据该电压规格对应表，查出相关于该平均电压的该额定电压比例值，来决定该触发信号于该截止区间内所具有的周期数。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的低谐波电力调整方法，其中在该截止区间内，该触发信号的各周期处于一第一电位，在该第二区间内，该触发信号的各周期处于一第二电位，在该第一、三区间内，该触发信号的各周期于该第一、第二电位间切换。

前述的低谐波电力调整方法，其中该步骤(B)还包括以下子步骤：提供一预设周期比例；根据该预设周期比例，决定该触发信号于该第一区间内所具有的周期数，并决定该触发信号于该第二区间内所具有的周期数，且决定该触发信号于该第三区间内所具有的周期数。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明提出的电力调整装置，适用于接收一控制电压及一个呈现弦波形式的输入电压，并包含：一切相角估算单元，根据该控制电压决定一导通资讯；一处理器，电连接于该切相角估算单元以接收该导通资讯，而产生一个包括依序接续的一第一区间、一第二区间、一第三区间及一截止区间的触发信号，并且每一区间具有多个分别对应该输入电压的一弦波的周期；及一触发单元，电连接于该处理器以接收该触发信号，并根据该触发信号和该输入电压来产生一驱动电压；在该触发信号处于该第一区间时，该触发单元使该驱动电压切换地呈现零电压或追随该输入电压，且该驱动电压于前一周期维持零电压的时间大于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号处于该第二区间时，该触发单元使该驱动电压追随该输入电压；在该触发信号处于该第三区间时，该触发单元使该驱动电压切换地呈现零电压或追随该输入电压，且该驱动电压于前一周期维持零电压的时间小于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号处于该截止区间时，该触发单元使该驱动电压呈现零电压。

而本发明低谐波电力调整方法，包含以下步骤：(A)提供一控制电压及一呈现弦波形式的输入电压；(B)根据该控制电压决定一导通资讯；(C)根据该导通资讯，而产生一个包括依序接续的一第一区间、一第二区间、一第三区间及一截止区间的触发信号，并且每一区间具有多个分别对应该输入电压的一弦波的周期；及(D)根据该触发信号和该输入电压来产生一驱动电压，在该触发信号处于该第一区间时，使该驱动电压切换地呈现零电压或追随该输入电压，且该驱动电压于前一周期维持零电压的时间大于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号处于该第二区间时，使该驱动电压追随该输入电压；在该触发信号处于该第三区间时，使该驱动电压切换地呈现零电压或追随该输入电压，且该驱动电压于前一周期维持零电压的时间小于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号处于该截止区间时，使该驱动电压呈现零电压。

本发明的有益效果在于：能降低谐波且避免于负载产生反抗突波。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是一种以往加热系统的图；

图2是以往直接式相位输出方式的一波形图；

图3是以往直接式相位输出方式的另一波形图；

图4是以往分配式零位输出方式的一波形图；

图5是以往分配式零位输出方式的另一波形图；

图6是以往直接式相位输出方式的另二波形图；

图7是本发明第一实施例的图；

图8是本发明驱动电压的一波形图；

图9是本发明驱动电压的另一波形图；及

图10是本发明的一流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的低谐波电力调整装置和低谐波电力调整方法，其具体实施方式、结构、方法步骤、特征及其功效，详细说明如后。

参阅图7，本发明低谐波电力调整装置E1的较佳实施例，适用于接收电力公司端经由一变压器90传来的一个三相输入电压Vin，且根据来自一温度感测器91的一控制电压对该三相输入电压Vin进行处理，以输出一相关于该控制电压的驱动电压Vout给一负载L。较佳地，三相输入电压Vin是以弦波型式来呈现。

该低谐波电力调整装置E1包含依序电连接的一切相角估算单元P、一处理器7及一触发单元8。

切相角估算单元P根据该控制电压决定一导通资讯，且包括一平均电压估算器61和一周期数分配器62。

该平均电压估算器61电连接于该温度感测器91以接收随时变动的该控制电压，并在一横跨多个弦波周期的预设单位时间内，将多个弦波周期的控制电压进行平均运算以得到一平均电压。该控制电压是随着负载L所需的功率变化而变化。

该周期数分配器62电连接于该平均电压估算器61，并包括一电压规格对应表63，该电压规格对应表63存有每一种可能平均电压值所对应的一额定电压比例值。

该周期数分配器62根据该电压规格对应表，查出相关于该平均电压的该额定电压比例值，来得知负载L需要三相输入电压Vin的一额定电压比例大小，进而决定一导通资讯。

进一步地，该周期数分配器62还会根据一外部的预设周期比例，决定该导通资讯所包括的周期数目T1、T2、T3、T4。周期数目T1是指该驱动电压Vout于一相关于递增切相角的第一区间的弦波周期数目，周期数目T2是指该驱动电压Vout于一相关于全输出不切相角的第二区间的弦波周期数目，周期数目T3是指该驱动电压Vout于一相关于递减切相角的第三区间的周期数目，周期数目T4是指该驱动电压Vout于一截止区间的周期数目。

所谓切相角，主要是在一弦波周期内，使驱动电压Vout的相角分为非导通相位与导通相位等两部分。当相角为非导通相位，驱动电压Vout的幅值为0；当相角为导通相位，驱动电压Vout的幅值则追随三相输入电压Vin。

而递增切相角的定义为：以驱动电压Vout的前后二周期相比较，该驱动电压Vout于前一周期维持低电位的时间大于目前周期维持低电位的时间。而全输出不切相角的定义为：驱动电压Vout总是追随三相输入电压Vin。且递减切相角的定义为：该驱动电压Vout于前一周期维持低电位的时间小于目前周期维持低电位的时间。

该处理器7电连接于该周期数分配器62以接收该导通资讯，而产生一触发信号VG，其包括依序接续的该第一区间、该第二区间、该第三区间及该截止区间。且较佳地，每一区间具有多个周期，分别对应该三相输入电压Vin的一弦波。

本例中，该处理器7产生的该触发信号VG会在一为低电压的第一电位和一为高电压的第二电位间做切换。详细来说，在该截止区间内，该触发信号VG的各周期处于第一电位，在该第二区间内，该触发信号VG的各周期处于第二电位，在该第一、三区间内，该触发信号VG的各周期于该第一、第二电位间切换。在递增切相角的第一区间内，该触发信号VG于前一周期维持第一电位的时间大于目前周期维持第一电位的时间。在递减切相角的第三区间内，该触发信号VG于前一周期维持第一电位的时间小于目前周期维持第一电位的时间。

该触发单元8电连接于该变压器90以接收该三相输入电压Vin，且电连接于该处理器7以接收该触发信号VG。当该触发信号VG处于第一电位，该触发单元8使该驱动电压Vout呈现零电压；当该触发信号VG处于第二电位，该触发单元8使该驱动电压Vout追随该三相输入电压Vin。

因此，该驱动电压Vout在该截止区间内会呈现零电压，在该第二区间会追随该三相输入电压Vin，而在该第一、三区间内会切换地呈现零电压或追随该三相输入电压Vin。在递增切相角的第一区间内，该驱动电压Vout于前一周期维持零电压的时间大于目前周期维持零电压的时间。在递减切相角的第三区间内，该驱动电压Vout于前一周期维持零电压的时间小于目前周期维持零电压的时间。

较佳地，该驱动电压Vout在该第一区间的第一个周期几近为零电压，然后逐周期增加追随该三相输入电压Vin的时间，且最后一个周期几乎都追随该三相输入电压Vin。另外，该驱动电压Vout在该第三区间的第一个周期几乎都追随该三相输入电压Vin，然后逐周期增加呈现零电压的时间，且最后一个周期几乎都为零电压。

本例中，该触发单元8包括多组反向并联的硅控整流器81，且根据该触发信号VG于导通与不导通间切换，以让驱动电压Vout处于导通相位或非导通相位，而实现每一周期对应的切相角大小。

在此举一例说明，如图8所示，若预设单位时间为1000周，且该周期数分配器62由控制电压的平均电压得知负载L需要三相输入电压Vin的额定电压的50％，因此可知驱动电压Vout不为零的周期数可设为500周，而驱动电压Vout为零的周期数则设500周，进而再根据该外部的预设周期比例决定该第一、二、三区间的周期数T1、T2、T3分别是多少。

举例来说，可设第一区间的周期数T1为10、第二区间的周期数T2为480、第三区间的周期数T3为10。在这样的配置中，驱动电压Vout会有连续500周期的时间呈现零电位，连续480周期的时间呈现完整的弦波，而不会产生谐波，所以只有第一、三区间的周期数T1、T3的部分会产生谐波。

相比较于以往直接式相位输出的方式有1000周的切相角，本发明只有20周的切相角，因此能降低谐波。又相比较于以往分配式零位输出的方式，本发明由全输出不切相角的第二区间的周期数T2先经由递减切相角的第三区间的周期T3才变为全周期为零电压，能避免于负载L产生反抗突波。

＜实验结果＞

表1

如表1所示，为预设单位时间设为200周期，驱动电压Vout的均方根值分别占该三相输入电压Vin的额定电压的20％、50％的总谐波失真率，可看出本发明能大量减少谐波。

此外，在另一应用中，倘若使预设单位时间设为500周，那么占该三相输入电压Vin的额定电压的20％、50％、70％的驱动电压Vout波形会分别如图9所示。相比较图6显示的以往直接式相位输出方式的波形，本例明显少了许多切相角的周期数。

又虽然本实施例是用于接收三相输入电压，但在其他应用中也可以用于接收单相输入电压。

＜低谐波电力调整方法＞

如图10所示，本发明低谐波电力调整方法的较佳实施例，由上述的低谐波电力调整装置E1所执行，且包含以下步骤：

步骤10：提供一控制电压及一呈现弦波形式的(三相或单相)输入电压Vin。

步骤1：切相角估算单元P根据该控制电压决定该导通资讯，且包括以下子步骤：

步骤11：平均电压估算器61根据该控制电压运算得到该平均电压。

步骤12：周期数分配器62提供一电压规格对应表63，该电压规格对应表63存有每一种可能平均电压值所对应的一额定电压比例值，进而周期数分配器62根据该电压规格对应表63，查出相关于该平均电压的该额定电压比例值，来决定该触发信号VG于该截止区间内所具有的周期数。

步骤2：处理器7根据该导通资讯，而产生一个包括依序接续的一第一区间、一第二区间、一第三区间及一截止区间的触发信号VG，并且每一区间具有多个分别对应该输入电压的一弦波的周期。

步骤3：触发单元8根据该触发信号VG和该输入电压Vin来提供驱动电压Vout，在该触发信号VG处于该第一区间时，使该驱动电压Vout切换地呈现零电压或追随该输入电压Vin，且该驱动电压Vout于前一周期维持零电压的时间大于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号VG处于该第二区间时，使该驱动电压Vout追随该输入电压Vin；在该触发信号处于该第三区间时，使该驱动电压Vout切换地呈现零电压或追随该输入电压Vin，且该驱动电压Vout于前一周期维持零电压的时间小于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号VG处于该截止区间时，使该驱动电压Vout呈现零电压。

又值得注意的是，该负载L于本实施例中为一电感性负载。

将本发明的较佳实施例应用于电力调整方面，相比较以往能降低谐波且避免于负载L产生反抗突波。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种低谐波电力调整装置，适用于接收一控制电压及一个呈现弦波形式的输入电压；其特征在于：该低谐波电力调整装置包含：一切相角估算单元，根据该控制电压决定一导通资讯；一处理器，电连接于该切相角估算单元以接收该导通资讯，而产生一个包括依序接续的一第一区间、一第二区间、一第三区间及一截止区间的触发信号，并且每一区间具有多个分别对应该输入电压的一弦波的周期；及一触发单元，电连接于该处理器以接收该触发信号，并根据该触发信号和该输入电压来产生一驱动电压；在该触发信号处于该第一区间时，该触发单元使该驱动电压切换地呈现零电压或追随该输入电压，且该驱动电压于前一周期维持零电压的时间大于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号处于该第二区间时，该触发单元使该驱动电压追随该输入电压；在该触发信号处于该第三区间时，该触发单元使该驱动电压切换地呈现零电压或追随该输入电压，且该驱动电压于前一周期维持零电压的时间小于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号处于该截止区间时，该触发单元使该驱动电压呈现零电压；

该切相角估算单元包括：一平均电压估算器，根据该控制电压运算得到一平均电压；及一周期数分配器，电连接于该平均电压估算器，并具有一电压规格对应表，该电压规格对应表存有每一种可能平均电压值所对应的一额定电压比例值；该周期数分配器根据该电压规格对应表，查出相关于该平均电压的该额定电压比例值，来决定该触发信号于该截止区间内所具有的周期数。

2.如权利要求1所述的低谐波电力调整装置，其特征在于：在该截止区间内，该触发信号的各周期处于一第一电位，在该第二区间内，该触发信号的各周期处于一第二电位，在该第一、三区间内，该触发信号的各周期于该第一、第二电位间切换。

3.如权利要求1所述的低谐波电力调整装置，其特征在于：该周期数分配器更根据一预设周期比例，决定该触发信号于该第一区间内所具有的周期数，并决定该触发信号于该第二区间内所具有的周期数，且决定该触发信号于该第三区间内所具有的周期数。

4.如权利要求1所述的低谐波电力调整装置，其特征在于：该触发单元包括多组反向并联的硅控整流器，每一硅控整流器根据该触发信号于导通与不导通间切换，以让该驱动电压处于一导通相位或一非导通相位；当该驱动电压处于该非导通相位时，该驱动电压的幅值为零，当该驱动电压处于该导通相位时，该驱动电压的幅值追随该输入电压。

5.一种低谐波电力调整方法，其特征在于：包含以下步骤：(A)提供一控制电压及一呈现弦波形式的输入电压；(B)根据该控制电压决定一导通资讯；(C)根据该导通资讯，而产生一个包括依序接续的一第一区间、一第二区间、一第三区间及一截止区间的触发信号，并且每一区间具有多个分别对应该输入电压的一弦波的周期；及(D)根据该触发信号和该输入电压来产生一驱动电压，在该触发信号处于该第一区间时，使该驱动电压切换地呈现零电压或追随该输入电压，且该驱动电压于前一周期维持零电压的时间大于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号处于该第二区间时，使该驱动电压追随该输入电压；在该触发信号处于该第三区间时，使该驱动电压切换地呈现零电压或追随该输入电压，且该驱动电压于前一周期维持零电压的时间小于目前周期维持零电压的时间；在该触发信号处于该截止区间时，使该驱动电压呈现零电压；

该步骤(B)包括以下子步骤：(B1)根据该控制电压运算得到一平均电压；及(B2)提供一电压规格对应表，该电压规格对应表存有每一种可能平均电压值所对应的一额定电压比例值，进而根据该电压规格对应表，查出相关于该平均电压的该额定电压比例值，来决定该触发信号于该截止区间内所具有的周期数。

6.如权利要求5所述的低谐波电力调整方法，其特征在于：在该截止区间内，该触发信号的各周期处于一第一电位，在该第二区间内，该触发信号的各周期处于一第二电位，在该第一、三区间内，该触发信号的各周期于该第一、第二电位间切换。

7.如权利要求5所述的低谐波电力调整方法，其特征在于：该步骤(B)还包括以下子步骤：提供一预设周期比例；根据该预设周期比例，决定该触发信号于该第一区间内所具有的周期数，并决定该触发信号于该第二区间内所具有的周期数，且决定该触发信号于该第三区间内所具有的周期数。

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