CN103166476A - 一种交流电数控调压控流传输系统 - Google Patents

一种交流电数控调压控流传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种交流电数控调压控流传输系统，包括由依次连接的滤波保护模块以及半导体切换模块构成的输入部分，该滤波保护模块上具有一供交流电送入的输入接口；由依次连接的滤波模块和电压电流采集模块构成的输出部分，该电压电流采集模块上具有一供交流电出送的输出接口，该滤波模块与半导体切换模块之间直接连接或经变压器变压后连接；以及数控部分，该数控部分为MCU主控模块，该MCU主控模块分别与滤波保护模块、半导体切换模块及电压电流采集模块电连接；该系统通过数控和半导体结合，可以对输入电压、电流波形实施精准控制和管理，使输出波形可同步再现原始正弦波形，提高工率因数，不会对电网造成二次污染，利于环保和节能。

Description

一种交流电数控调压控流传输系统
技术领域
本发明涉及交流电传输及调控领域技术，尤其是指一种交流电数控调压控流传输系统。 
背景技术
传统交流电传输系统一般通过变压器式粗调控、磁共振式变压器调控、可控硅调控、逆变式调控，因为在50HZ、60HZ工频交流电的电压电流控制方面，应用传统的技术手段很难做到精准控制，而且繁琐复杂，除此之外设备体积大，很占空间。
如图1所示为变压器式粗调的调控方式，交流电的输入端连接于可调变压器的一次线圈，经变压后的交流电由二次线圈送出，其原理图如图2所示，输入电压为v1，输入电压为v2。这种调控方式的波形转换如图3所示，输入交流电的正弦波转换为直流电，再通过逆转电路还原为正弦波输出，这种还原过程通过逻辑控制系统实现，从输出的波形可以明显看出与原始输入波形不同，难以还原到原始波形，控制精度抵，功率因数低，对电网造成污染。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种交流电数控调压控流传输系统，可以对输入电压、电流波形实施精准控制和管理，使输出波形可同步再现原始正弦波形，提高工率因数，不会对电网造成二次污染，利于环保和节能。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种交流电数控调压控流传输系统，包括
输入部分，该输入部分包括依次连接的滤波保护模块以及半导体切换模块，该滤波保护模块上具有一供交流电送入的输入接口；
输出部分，该输出部分包括依次连接的滤波模块和电压电流采集模块，该电压电流采集模块上具有一供交流电出送的输出接口，该滤波模块与半导体切换模块之间直接连接或经变压器变压后连接；以及
数控部分，该数控部分为MCU主控模块，该MCU主控模块分别与滤波保护模块、半导体切换模块及电压电流采集模块电连接；
交流电经输入接口送入滤波保护模块，经滤波保护模块限压保护及滤波后送至半导体切换模块，同时滤波保护模块向MCU主控模块送出触发信号，使MCU主控模块处于工作状态；该半导体切换模块将交流电的原始正弦波转换为幅值可调的正半波和负半波，该正半波和负半波直接或经变压器变压后送至滤波模块，经滤波模块滤波处理，使输出交流电的正弦波还原成与原始正弦波相同，该电压电流采集模块分别采集输出交流电的电压和电流，并同时将采集到的电压电流信号反馈到MCU主控模块，由MCU主控模块控制半导体切换模块的切换，以形成闭环控制。
优选的，所述半导体切换模块连接于交流电导线的火线上。
优选的，包括并联的第一半导体IGBT（1）和第二半导体IGBT（2）；第一半导体IGBT（1）的发射极E连接于火线的节点6，集电极C连接于火线的节点5，门极G引出导线用于连接MCU主控模块；而第二半导体IGBT（2）的发射极E连接于火线的节点5，集电极C连接于火线的节点6，门极G引出导线也用于连接MCU主控模块。
优选的，所述滤波保护模块包括两压敏电阻、两电感L1、L2和一电容C；两压敏电阻分别串联于交流电火线和零线上，实现限压保护；两电感L1、L2是共模电感，与并联于交流电火线和零线上的电容C形成滤波电路，以滤除的共模信号。
优选的，所述滤波模块包括两电感L1、L2和一电容C，该两电感L1、L2分别串联在火线和零线上，该电容C并联于火线和零线的节点7和节点8之间。
优选的，所述电压电流采集模块包括由电感L1、L2构成的电流采集器和由电感L3、L4构成的电压采集器，该电流采集器接在火线上，该电压采集器接在零线和火线之间。
优选的，所述MCU主控模块包括8位控制总线和连接于该8位控制总线上的多个功能单元构成，各功能单元分别为程序计数器、闪存、寄存器、指令解码器、程序设计逻辑、堆栈指针、静态存储器、通用寄存器、运算器、静态寄存器、看门狗、MCU计时器、MCU状态寄存器、计时器/计数器0、计时器/计数器1、通用串行接口、中断单元、数据存储器、计数器内部晶振、计时和控制单元、晶振、数/模比较器、数据返回端口B、数据寄存器端口B、程序接口B。
优选的，所述输入部分的半导体切换模块和输出部分的滤波模块之间连接有半波检测模块，该半波检测模块分别包括正半波检测模块和负半波检测模块，该正半波检测模块连接在火线上，该负半波检测模块连接在零线上。
优选的，所述滤波模块包括正半波滤波模块和负半波滤波模块，所述变压器包括第一变压器和第二变压器，两变压器的一次线圈分别连接于半导体切换模块，二次线圈分别连接于滤波模块。
优选的，所述交流电为三角形接法或星形接法的三相工频交流电，该三相工频交流电路相邻两相线路上均连接输入部分和输出部分，各输入部分和输出部分均连到数控部分。
 
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知： 
1. 本发明提出是一种数控加半导体的调控电路，数控技术直接对输入电压，电流波形实施精准控制和管理，使输出波形可同步再现原始正弦波形，提高PFC（功率因数），利于环保和节能，不会对电网造成污染，实现绿色能源；再者数控加半导体调控可以去掉传统调控方式繁复的过程，缩小了设备体积，解决了传统方式的不足。
2. 采用本技术，可节省大量的有色金属，（铜材铝材）和黑色金属材料（硅钢片，钢材），适用于工业，军用，民用各领域，例如民用终端电力变压器，电焊机各类交流调压器, 医疗设备所需的交流稳压器，交流调压驱动器。
3. 本技术可用于出驱动各类交流电机，同步电机和异步电机的恒速，调速，扭矩调控,实现最佳电能平衡，节省能源，取代目前的可控硅应用技术。
4.  技术设计不同结构，可对单向、三相交流电进行调控和传输，因此在机械制造、化工、能源、电子、轻纺、水利发电及供电各领域中。凡涉及到电能传输，和驱动的电器有广泛的应用领域，举例大型医疗设备须用高稳定性的交流电源，目前采用的多是磁共振式交流稳压器，体积大价格高，响应速度慢，响应速度一般是秒级，使用本技术的产品成本低，体积小，响应速度是毫秒级。
5.  本技术应用于家用电器，取代目前变频调速方式能使电机按最佳模式运行达到节能目的。
6.  本技术在工频领域中，可根据用途做成隔离型和非隔离型，隔离型主要用于电机驱动，非隔离型主要用于调压器，稳压器和电力传输设备，由于采用数字控制技术，可对输入输出各电参数实施精准化调控，有助于实施自动化控制和自适应控制。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是现有交流电调控传输的接线图。
图2是现有交流电调控传输的电路图。
图3是现有交流电调控转换传输过程中的波形变化图。
图4是本发明之第一实施例中单相工频交流电数控调控调压控流系统框图，图为非隔离型。
图5是本发明之第一实施例中单相工频交流电数控调控调压控流系统在交流电转换传输过程中的波形变化图。
图6是本发明之第一实施例中小功率单相工频交流电数控系统原理图，图为非隔离型。
图7是本发明之第一实施例中滤波保护模块的电路图。
图8是本发明之第一实施例中半导体切换模块的电路图。
图9是本发明之第一实施例中滤波模块的电路图。
图10是本发明之第一实施例中电压电流采集模块。
图11是本发明之第一实施例中MCU主控模块控制原理图。
图12是本发明之第一实施例中的输入正弦波形图。
图13是本发明之第一实施例中的输出正弦波形图。
图14是本发明之第二实施例中的大功率单相工频交流电数控系统方框图，图为非隔离型。
图15是本发明之第三实施例中三相工频交流电数控调压控流系统方框图，图为非隔离型。
图16是本发明之第四实施例中大功率单相工频交流电数控传统系统方框图，图为隔离型。
图17是本发明之第四实施例中大功率单相工频交流电数控传统系统原理图，图为隔离型。
图18是本发明之第五实施例中第五实施例中单相工频交流电数控传统系统方框图，图为隔离型。
图19是本发明之第六实施例中大功率三相工频交流电数控传统系统方框图，图为隔离型。
附图标识说明：
10、输入部分                   11、滤波保护模块
12、半导体切换模块             20、输出部分
21、滤波模块                   211、正半波滤波模块
212、负半波滤波模块            22、电压电流采集模块
30、数控部分                   31、MCU主控模块
40、变压器                     41、第一变压
42、第二变压器                401、一次线圈
402、 二次线圈                 51、火线
52、零线                       60、半波检测模块
61、正半波检测模块             62、负半波检测模块。 
具体实施方式
请参照图4至图13所示，其显示出了本发明之第一实施例的具体结构，该交流电数控调压控流传输系统为非隔离型（即直接用导线连接），其包括有输入部分10、输出部分20和数控部分30；该输入部分10包括滤波保护模块11以及半导体切换模块12；该输出部分20包括滤波模块21和电压电流采集模块22；该数控部分30为MCU主控模块31。
结合图4的图5来看，该滤波保护模块11上具有一供交流电送入的输入接口，该电压电流采集模块22上具有一供交流电出送的输出接口，该滤波保护模块11、半导体切换模块12、滤波模块21和电压电流采集模块22依次连接于交流电的导线，该MCU主控模块31分别与滤波保护模块11、半导体切换模块12及电压电流采集模块22电连接，从而形成闭环控制回路。交流电经滤波保护模块11输入到半导体切换模块12，再通过滤波模块21和电压电流采集模块22后输出。其中，该滤波保护模块11用于对输入部分10进行滤波与限压保护，并且，通过该滤波保护模块11对交流电进行安全测试后，会给MCU主控模块31送去触发信号，触发MCU主控模块31处于工作状态，否则MCU主控模块31不工作。该半导体切换模块12最好选用大功率切换模块，用于将交流电压的输入正弦波形分割成幅值可调的正半波和负半波。该滤波模块21用于对输出部分20进行滤波使正半波和负半波尽可能还原为与原始正弦波相同。该电压电流采集模块22用于采集电流和电压，将采集的电流和电压反馈给MCU主控模块31。该MCU主控模块31根据反馈的电压电流值，控制半导体切换模块12动作，从而对输入波形实施精准控制和管理，使输出部分20的输出正弦波形可同步再现原始输入正弦波形，MCU主控模块31设计了手动控制和自动控制两种控制模式。
图6显示了非隔离型的小功率单相工频交流电数控系统原理图，该滤波保护模块11接在交流电的输入端，所述半导体切换模块12、滤波模块21和电压电流采集模块22依次连接于滤波保护模块11的输出端，其中该半导体切换模块12仅接在火线51上，还有，该滤波保护模块11、半导体切换模块12、滤波模块21和电压电流采集模块22均连接于MCU主控模块31。
图7为滤波保护模块11的电路图，包括两压敏电阻、两电感L1、L2和一电容C。交流电的零线52和火线51接入输入部分10后，火线51串接压敏电阻和电感L1，零线52串联压敏电阻和电感L2，该电容C并联于火线51的节点1和零线52的节点2上。另外，在火线51的节点3和零线52的节点4上引出两条线用于接到MCU主控模块31。电路中，电感L1、L2是共模电感，滤除的共模信号；压敏电阻是一种限压型保护器件，利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。
图8为半导体切换模块12的电路图，包括两个并联的半导体，即第一半导体IGBT（1）和第二半导体IGBT（2）。该第一半导体IGBT（1）的发射极E连接于火线51的节点6，集电极C连接于火线51的节点5，门极G引出导线用于连接MCU主控模块31。而第二半导体IGBT（2）的发射极E连接于火线51的节点5，集电极C连接于火线51的节点6，门极G引出导线也用于连接MCU主控模块31。该第一半导体IGBT（1）和第二半导体IGBT（2）的开关动作可以对交流电的波形进行精准地控制。
图9为滤波模块21的电路图，包括两电感L1、L2和一电容C，该两电感L1、L2分别串联在火线51和零线52上，该电容C并联于火线51和零线52的节点7和节点8之间，另外，在火线51的节点9和零线52的节点10上还引出导线用于接到MCU主控模块31上。本电路的两感L1、L2和电容C三者一起实现了电路的滤波和抗干扰。
图10为电压电流采集模块22的电路图，包括由电感L1、L2构成的电流采集器和由电感L3、L4构成的电压采集器，该电流采集器接在火线51上，该电压采集器接在零线52和火线51之间。采集的电流和电压信号送到MCU主控模块31上。
图11为MCU主控模块31的控制原理图，该MCU主控模块31包括8位控制总线和连接于该8位控制总线上的多个功能单元构成，各功能单元分别为程序计数器、闪存、寄存器、指令解码器、程序设计逻辑、堆栈指针、静态存储器、通用寄存器、运算器、静态寄存器、看门狗、MCU计时器、MCU状态寄存器、计时器/计数器0、计时器/计数器1、通用串行接口、中断单元、数据存储器、计数器内部晶振、计时和控制单元、晶振、数/模比较器、数据返回端口B、数据寄存器端口B、程序接口B。该MCU主控模块31内部设定有程序，从而滤波保护模块11、半导体切换模块12、滤波模块21和电压电流采集模块22送入的各种信号在MCU主控模块31内进行收集、计算、比较、分析，然后送出控制信号给半导体切换模块12的两个半导体IGBT (1)、IGBT (2)，直接对50HZ、60HZ工频交流电进行精准调控，实现正弦波的分离和组合。 
图12显示了输入部分10正弦波形图，由图中可以看出，输入波形为原始正弦波，经单相工频交流电压数据降压系统进行切换后，输出幅值可调的的正弦波。图13所示，这不同幅值的正弦波通过单相工频交流电压数据恒压系统还原为原始的正弦波。
图14显示了第二实施例的具体结构，应用于非隔离型的大功率单相工频交流电数控系统，本实施例与第一实施例基本相同，也包括输入部分10和输出部分20，不同之处在于，输入部分10和输出部分20之间连接有半波检测模块60，该半波检测模块60分别包括正半波检测模块61和负半波检测模块62，该正半波检测模块61连接在火线51上，该负半波检测模块62连接在零线52上。
图15显示了第三实施例的具体结构，应用于三相工频交流电数控调压控流系统，本实施例与第一实施例基本相同，不同之处在于，三相工频交流电路的相邻两相线路上均设置了输入部分10和输出部分20，并且在三相工频交流电路的输入部分10和输出部分20均电性连接于数控部分30， MCU主控模块31对输入部分10和输出部分20各模块的参数进行精准控制。
图16和图17显示了第四实施例的具体结构，该交流电数控调压控流传输系统为隔离型，即通过变压器41连接，应用于大功率单相工频交流电数控传统系统。本实施例中，输入部分10、输出部分20以及数控部分30与第一实施例相同，不同之处在于，输入部分10和输出部分20之间通过变压器41实现隔离。所述变压器41包括第一变压器4141和第二变压器4243，两变压器41、42的一次线圈401连接于半导体切换模块12，二次线圈402分别连接于滤波模块20。
图18显示了第五实施例的具体结构，应用于单相工频交流电数控传统系统。本实施例与第四实施例基本相同，不同之处在于滤波模块21的设置方式，该滤波模块21包括正极滤波模块21和负极滤波模块21，该正极滤波模块21连接于变压器41二次线圈40242与电压电流采集模块22之间。
图19显示了第六实施例的具体结构，应用于大功率三相工频交流电数控传统系统，该三相工频交流电可以是星形接法，也可以是三角形接法，本实施例与第四实施例基本相同，不同之处在于，三相工频交流电路相邻的两相电路上均连接输入部分10和输出部分20，并且在三相工频交流电路的各输入部分10和输出部分20均连接数控部分30，由数控部分30的MCU主控模块31进行精准控制。
综上所述，本发明的设计重点在于：
1. 本发明提出是一种数控加半导体的调控电路，用MCU主控模块31的半导体切换模块实现控制，该数控技术直接对输入电压，电流波形实施精准控制和管理，使输出波形可同步再现原始正弦波形，提高PFC（功率因数），利于环保和节能，不会对电网造成污染，实现绿色能源；再者数控加半导体调控可以去掉传统调控方式繁复的过程，缩小了设备体积，解决了传统方式的不足。
2. 采用本技术，可节省大量的有色金属，（铜材铝材）和黑色金属材料（硅钢片，钢材），适用于工业，军用，民用各领域，例如民用终端电力变压器，电焊机各类交流调压器, 医疗设备所需的交流稳压器，交流调压驱动器。
3. 本技术可用于出驱动各类交流电机，同步电机和异步电机的恒速，调速，扭矩调控,实现最佳电能平衡，节省能源，取代目前的可控硅应用技术。
4.  技术设计不同结构，可对单向、三相交流电进行调控和传输，因此在机械制造、化工、能源、电子、轻纺、水利发电及供电各领域中。凡涉及到电能传输，和驱动的电器有广泛的应用领域，举例大型医疗设备须用高稳定性的交流电源，目前采用的多是磁共振式交流稳压器，体积大价格高，响应速度慢，响应速度一般是秒级，使用本技术的产品成本低，体积小，响应速度是毫秒级。
5.  本技术应用于家用电器，取代目前变频调速方式能使电机按最佳模式运行达到节能目的。
6.  本技术在工频领域中，可根据用途做成隔离型和非隔离型，隔离型主要用于电机驱动，非隔离型主要用于调压器，稳压器和电力传输设备，由于采用数字控制技术，可对输入输出各电参数实施精准化调控，有助于实施自动化控制和自适应控制。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种交流电数控调压控流传输系统，其特征在于：包括
　　　输入部分，该输入部分包括依次连接的滤波保护模块以及半导体切换模块，该滤波保护模块上具有一供交流电送入的输入接口；
　　　输出部分，该输出部分包括依次连接的滤波模块和电压电流采集模块，该电压电流采集模块上具有一供交流电出送的输出接口，该滤波模块与半导体切换模块之间直接连接或经变压器变压后连接；以及
　　　数控部分，该数控部分为MCU主控模块，该MCU主控模块分别与滤波保护模块、半导体切换模块及电压电流采集模块电连接；
　　　交流电经输入接口送入滤波保护模块，经滤波保护模块限压保护及滤波后送至半导体切换模块，同时滤波保护模块向MCU主控模块送出触发信号，使MCU主控模块处于工作状态；该半导体切换模块将交流电的原始正弦波转换为幅值可调的正半波和负半波，该正半波和负半波直接或经变压器变压后送至滤波模块，经滤波模块滤波处理，使输出交流电的正弦波还原成与原始正弦波相同，该电压电流采集模块分别采集输出交流电的电压和电流，并同时将采集到的电压电流信号反馈到MCU主控模块，由MCU主控模块控制半导体切换模块的切换，以形成闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种交流电数控调压控流传输系统，其特征在于：所述半导体切换模块连接于交流电导线的火线上。
3.根据权利要求2所述的一种交流电数控调压控流传输系统，其特征在于：包括并联的第一半导体IGBT（1）和第二半导体IGBT（2）；第一半导体IGBT（1）的发射极E连接于火线的节点6，集电极C连接于火线的节点5，门极G引出导线用于连接MCU主控模块；而第二半导体IGBT（2）的发射极E连接于火线的节点5，集电极C连接于火线的节点6，门极G引出导线也用于连接MCU主控模块。
4.根据权利要求1所述的一种交流电数控调压控流传输系统，其特征在于：所述滤波保护模块包括两压敏电阻、两电感L1、L2和一电容C；两压敏电阻分别串联于交流电火线和零线上，实现限压保护；两电感L1、L2是共模电感，与并联于交流电火线和零线上的电容C形成滤波电路，以滤除的共模信号。
5.根据权利要求1所述的一种交流电数控调压控流传输系统，其特征在于：所述滤波模块包括两电感L1、L2和一电容C，该两电感L1、L2分别串联在火线和零线上，该电容C并联于火线和零线的节点7和节点8之间。
6.根据权利要求1所述的一种交流电数控调压控流传输系统，其特征在于：所述电压电流采集模块包括由电感L1、L2构成的电流采集器和由电感L3、L4构成的电压采集器，该电流采集器接在火线上，该电压采集器接在零线和火线之间。
7.根据权利要求1所述的一种交流电数控调压控流传输系统，其特征在于：所述MCU主控模块包括8位控制总线和连接于该8位控制总线上的多个功能单元构成，各功能单元分别为程序计数器、闪存、寄存器、指令解码器、程序设计逻辑、堆栈指针、静态存储器、通用寄存器、运算器、静态寄存器、看门狗、MCU计时器、MCU状态寄存器、计时器/计数器0、计时器/计数器1、通用串行接口、中断单元、数据存储器、计数器内部晶振、计时和控制单元、晶振、数/模比较器、数据返回端口B、数据寄存器端口B、程序接口B。
8.根据权利要求1所述的一种交流电数控调压控流传输系统，其特征在于：所述输入部分的半导体切换模块和输出部分的滤波模块之间连接有半波检测模块，该半波检测模块分别包括正半波检测模块和负半波检测模块，该正半波检测模块连接在火线上，该负半波检测模块连接在零线上。
9.根据权利要求1所述的一种交流电数控调压控流传输系统，其特征在于：所述滤波模块包括正半波滤波模块和负半波滤波模块，所述变压器包括第一变压器和第二变压器，两变压器的一次线圈分别连接于半导体切换模块，二次线圈分别连接于滤波模块。
10.根据权利要求1所述的一种交流电数控调压控流传输系统，其特征在于：所述交流电为三角形接法或星形接法的三相工频交流电，该三相工频交流电路相邻两相线路上均连接输入部分和输出部分，各输入部分和输出部分均连到数控部分。
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