CN103701334A - 一种内燃机驱动的逆变发电装置及其逆变控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发电机控制技术领域，公开了一种内燃机驱动的逆变发电装置及其逆变控制方法。控制单元通过两个PWM信号发生器产生4路PWM信号，分别控制逆变单元的4个功率开关晶体管。4路PWM信号分成两组，每一组中两个信号是互补的，组与组之间的信号相位差为180°，这样逆变单元中的4个功率管就避免了同时开通，变成了轮流开关，使得逆变桥输出端的PWM波频率变为输入PWM信号频率的两倍。在不增加功率管开关频率的情况下提高了输出频率，同时减小了输出滤波电感降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及逆变发电机控制技术领域的逆变技术，具体是一种内燃机驱动的逆变发电装置及其逆变控制方法。
背景技术
目前倍频逆变方法广泛用于各种场合的逆变装置，能够减小逆变装置输出滤波电感的电感量，从而减小逆变装置的体积，降低逆变装置的成本。
专利号为201110060848.X公开了一种内燃机驱动发电机的倍频逆变方法和装置。从该专利不难看出他实现倍频的方法实质上是采用的一种单极性正弦脉宽调制方法。该方法还可以详细参见陈道炼编著的由机械工业出版社出版的教科书：《DC-AC逆变技术及其应用》的介绍。该方法所对应的装置的核心部分是一个正弦波发生器和一个三角波发生器和一个比较器组成，该电路存在结构复杂调试困难的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种电路结构简单的能实现倍频逆变的内燃机驱动的逆变发电装置及其逆变控制方法。
为了实现上述第一目的本发明采用如下技术方案：一种内燃机驱动的逆变发电装置包括整流单元、逆变单元、输出滤波单元、取样单元和控制单元；
其中所述整流单元，用于对发电机输出的电压进行整流，并将整流后的电压输入逆变单元的电源输入端。
所述逆变单元中逆变桥4个臂的功率开关晶体管分别接收控制单元产生的4路频率为f的PWM信号，从而输出频率为2f的PWM电压波。
所述输出滤波单元，用于对逆变单元输出的频率为2f的PWM电压波进行滤波，然后输出。
所述取样单元，用于对输出滤波单元的输出进行电压和电流取样，并对取样的电压信号进行衰减后，输入到控制单元的电压信号输入端，对取样的电流信号进行放大后，输入到控制单元的电流信号输入端。
所述控制单元，用于对电压信号和电流信号进行模数转换，计算获得电压和电流的有效值或平均值；然后将该有效值或平均值与预设的目标值进行比较而获得偏差，根据该偏差和预存的正弦表值进行PI调节计算，将PI调节计算结果输入PWM信号发生器中，产生两路互补的PWM信号，同时将PI调节计算结果再进行移相180°计算后结果输入另一PWM信号发生器中，产生另两路互补的PWM信号，从而得到4路频率为f的PWM信号。
为了更优地实现上述技术方案，上述控制单元接收整流单元整流后的电压，对该电压以及发动机转速进行实时检测，以此来判断发电机的功率是否充足，如果发现该电压和转速下降低于预定值，则说明发电机的功率不足，则通过控制单元调节输出的PWM信号，使输出电压降低从而减小输出功率。
具体地，上述所述取样单元通过放大器对取样电流信号进行放大；放大器的同相输入端与控制单元的MCU供电电压5V的中点电压2.5V连接，同时与本装置输出端之一A端连接，还与电流取样电阻R4的一端连接；电流取样电阻R4的另一端与输出滤波电感L1连接，该端还通过电阻R3连接到放大器的反相输入端；放大器的输出端与控制单元的电流信号输入端连接。
上述取样单元通过电阻R7、R6组成的衰减器对电压信号进行分压衰减，R7的一端连接到本装置的输出端B端，R7另一端与R6一端连接，R6的另一端连接到本装置的另一输出端A端；R7与R6的连接端连接到控制单元的电压信号输入端；或R7与R6的连接端通过放大器后再连接到控制单元的信号输入端。
更进一步，上述整流单元增加相线尖峰电压吸收电路，具体为：发电机的输出三相线分别连接二极管D8、D9、D10的正极，电阻R8和电容C6并联后，一端与二极管D8、D9、D10的负极连接，另一端与整流电桥的可控硅SCR1的负极连接，或与二极管D5正极端连接。
上述输出滤波单元由LC滤波电路构成。
为了更优地实现上述技术方案，本装置还设置有与所述微控制器连接的温度传感器，当温度传感器检测到的温度大于预设值时，则通过控制输出端电压减小来减小输出功率。
本发明还提供了一种内燃机驱动的逆变发电装置的逆变控制方法，包括：
整流单元对发电机输出的电压进行整流，并将整流后的电压输入逆变单元的电源输入端。
逆变单元中逆变桥4个臂的功率开关晶体管分别接收控制单元产生的4路频率为f的PWM信号，从而输出频率为2f的PWM电压波。
输出滤波单元对逆变单元输出的频率为2f的PWM电压波进行滤波，然后输出。
取样单元对输出滤波单元的输出进行电压和电流取样，并对取样的电压信号进行衰减后，输入控制单元的电压信号输入端，对取样的电流信号进行放大后，输入控制单元的电流信号输入端。
控制单元对所述电压和电流进行模数转换，计算获得电压和电流的有效值或平均值；然后将该有效值或平均值与预设的目标值进行比较而获得偏差，根据该偏差和预存的正弦表值进行PI调节计算，将PI调节计算结果输入PWM信号发生器中，产生两路互补的PWM信号，将PI调节计算结果再进行移相180°计算后的结果输入另一PWM信号发生器中，产生另两路互补的PWM信号，从而得到4路频率为f的PWM信号。
进一步包括，上述控制单元实时检测发电机的输出电压，以及当前发电机转速，判断发电机的功率是否充足（与预设值进行比较），如果不足，则降低输出电压。
设置温度传感器，当温度传感器检测到的温度大于预设温度时，则降低输出电压，直到关闭输出。
本发明的优点是摒弃了三角波发生器和比较器及繁杂的正弦波发生器，采用4路频率为f的PWM信号，使逆变桥输出端的PWM波频率变为输入PWM信号频率的两倍。这样在不增加功率管开关频率的情况下提高了输出频率，减小了输出滤波电感，降低了成本。降低开关损耗提高了效率。采用上述电压、电流取样放大方式，使电流取样可以由大功率无感电阻完成，省去了成本较高的电流互感器，降低了成本。还提高了电流变化响应的实时性，控制速度和精度大幅度提高。使电压衰减方式可由简单的电阻分压即可完成，省去了传统的差分放大器的方式。本装置采用MCU内置PWM信号发生器、内置模数转换器，使外围电路大幅度简化。全数字化的工作方式，基本可以做到无调试即可正常工作。使生产制造过程简单化。本装置使发电机的性能得到大幅度提高，输出电压稳定，频率稳定。可轻易做到输出电压偏差小于1%，频率偏差小于0.1Hz。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明整流单元的电路连接图；
图3为本发明逆变单元、输出滤波单元、取样单元和控制单元的电路连接图；
图4为4路PWM信号波形示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的装置包括与内燃机和发电机7连接整流单元1、逆变单元2、输出滤波单元3、取样单元4和控制单元5。
所述整流单元1对内燃机和发电机7输出的电压进行整流，并将整流后的电压输入逆变单元2的电源输入端。
所述逆变单元2中逆变桥4个臂的功率开关晶体管分别接收控制单元产生的4路频率为f的PWM信号，从而输出频率为2f的PWM电压波，该PWM电压波输入到输出滤波单元3，由输出滤波单元3进行滤波后输出50Hz或60Hz交流电。
所述取样单元4，对输出滤波单元3的输出进行电压和电流取样，并对取样的电压信号进行衰减后，输入控制单元5的电压信号输入端，对取样的电流信号进行放大后，输入控制单元5的电流信号输入端。
所述控制单元5，对电压信号和电流信号进行模数转换，计算获得电压和电流的有效值或平均值；然后将该有效值或平均值与预设的目标值（预设的电压和电流值）进行比较而获得偏差，根据该偏差和预存的正弦表值进行PI调节计算，将PI调节计算结果输入PWM信号发生器（该PWM信号发生器为控制器MCU自带的模块）中，产生两路互补的PWM信号，同时将PI调节计算结果再进行移相180°计算后的结果输入另一PWM信号发生器中，产生另两路互补的PWM信号，从而得到4路频率为f的PWM信号。如图4所示1路PWM信号与2路PWM信号是互补的（1路为高电平时2路为低电平，反之1路为低电平时2路为高电平）。3路PWM信号与4路PWM信号互补，3路PWM信号与2路PWM信号相位差180°，4路PWM信号与1路PWM信号相位差180°。这样逆变单元中的4个功率管就避免了同时开通，变成了轮流开关，使得逆变桥输出端的PWM波频率变为输入PWM信号频率的两倍。这样在不增加功率管开关频率的情况下提高了输出频率。这样减小了输出滤波电感降低了成本。减小了开关损耗。
如图2所示，整流单元中由可控硅SCR1、SCR2、SCR3和二极管D5、D6、D7构成对的发电机的输出三相线的整流电路，在此基础上增加相线尖峰电压吸收电路，可有效吸收磁电机输出相线上的尖峰电压，保护可控硅和整流二极管的安全。具体结构为：三相线分别连接二极管D8、D9、D10的正极，电阻R8和电容C6并联后，一端与二极管D8、D9、D10的负极连接，另一端与整流电桥的可控硅SCR1的负极连接。
如图3所示，由开关晶体管IG1、IG2、IG3、IG4和二极管D1、D2、D3、D4构成逆变单元的逆变电桥电路。电感L1、L2和电容C5构成LC输出滤波单元。取样单元由电阻R4对电流进行取样，对取样电流进行放大的放大器为IC1A。MCU的工作电压为5V，放大器IC1A的同相输入端与MCU供电电压5V的中点2.5V连接，还与电容C5和取样电阻R4的连接端连接。放大器的反相输入端通过电阻R3与取样电阻R4和电感L1的连接端连接。放大器的反相输入端和输出端之间连接反馈电阻R1，放大器的输出端与控制单元的电流信号输入端连接。电阻R7、R6组成电压取样的衰减器，R7的一端连接到本装置的输出端B端，R7另一端与R6连接，该连接端再连接到控制单元的电压信号输入端。R6的另一端连接到本装置的另一输出端A端。MCU供电电压5V的中点2.5V与本装置输出端之一A端连接在一起，使取样单元的输出信号波形的过零点即为2.5V，不再需要正幅度值变换，即可满足MCU内置模数转换器的需要。这样简化了输出电压取样衰减电路，尤其简化了输出电流取样放大电路，使电流取样可以由大功率无感电阻完成，省去了成本较高的电流互感器或者成本更高的霍尔电流传感器。本装置中MCU供电电压5V的中点2.5V由电阻R2、R5分压得到。
微控制器MCU实时检测直流母线的电压（即整流单元整流后的电压），综合当前发电机转速，判断发电机功率是否足够。如果功率不够时自动降低输出电压，控制油门6减小输出功率，从而保护发动机安全。
Claims (9)
1.一种内燃机驱动的逆变发电装置，其特征在于：包括整流单元、逆变单元、输出滤波单元、取样单元和控制单元；
其中所述整流单元，用于对发电机输出的电压进行整流，并将整流后的电压输入逆变单元的电源输入端；
所述逆变单元中逆变桥4个臂的功率开关晶体管的输入端分别接收控制单元产生的4路频率为f的PWM信号，输出频率为2f的PWM电压波；
所述输出滤波单元，用于对逆变单元输出的频率为2f的PWM电压波进行滤波，然后输出；
所述取样单元，用于对滤波单元的输出进行电压和电流取样；对取样的电压信号进行衰减后，输入到控制单元的电压信号输入端；对取样的电流信号进行放大后，输入到控制单元的电流信号输入端；
所述控制单元，用于对电压信号和电流信号进行模数转换，计算获得电压和电流的有效值或平均值；然后将该有效值或平均值与预设的目标值进行比较而获得偏差，根据该偏差和预存的正弦表值进行PI调节计算，将PI调节计算的结果输入PWM信号发生器中，产生两路互补的PWM信号；同时将PI调节结果再进行移相180°的计算后的结果输入另一PWM信号发生器中，产生另两路互补的PWM信号，最后得到4路频率为f的PWM信号。
2.根据权利要求1所述一种内燃机驱动的逆变发电装置，其特征在于：所述控制单元接收整流单元整流后的电压，对该电压以及发动机转速进行实时检测，以此来判断发电机的功率是否充足，如不足，则通过控制单元控制输出的PWM信号，降低输出电压从而减小输出功率。
3.根据权利要求1所述一种内燃机驱动的逆变发电装置，其特征在于：所述取样单元通过放大器对取样电流信号进行放大；放大器的同相输入端与控制单元的MCU供电电压5V的中点电压2.5V连接，同时与本装置输出端之一A端连接，还与电流取样电阻R4的一端连接；电流取样电阻R4的另一端与输出滤波电感L1连接，该端还通过电阻R3连接到放大器的反相输入端；放大器的输出端与控制单元的电流信号输入端连接；
所述取样单元通过电阻R7、R6组成的衰减器对电压信号进行分压衰减，R7的一端连接到本装置的输出端B端，R7另一端与R6一端连接，R6的另一端连接到本装置的另一输出端A端；R7与R6的连接端连接到控制单元的电压信号输入端；或R7与R6的连接端通过放大器后再连接到控制单元的信号输入端。
4.根据权利要求1所述一种内燃机驱动的逆变发电装置，其特征在于：所述整流单元增加相线尖峰电压吸收电路，具体为：发电机的输出三相线分别连接二极管D8、D9、D10的正极，电阻R8和电容C6并联后，一端与二极管D8、D9、D10的负极连接，另一端与整流电桥的可控硅SCR1的负极连接，或与二极管D5正极端连接。
5.根据权利要求1所述一种内燃机驱动的逆变发电装置，其特征在于：所述输出滤波单元由LC滤波电路构成。
6.根据权利要求1-5任一项所述一种内燃机驱动的逆变发电装置，其特征在于：本装置设置有与所述微控制器连接的温度传感器，当温度传感器检测到的温度大于预设值时，则通过减小输出电压来减小输出功率。
7.一种内燃机驱动的逆变发电装置的逆变控制方法，其特征在于，包括：
整流单元对发电机输出的电压进行整流，并将整流后的电压输入逆变单元的电源输入端；
逆变单元中逆变桥4个臂的功率开关晶体管分别接收控制单元产生的4路频率为f的PWM信号，从而输出频率为2f的PWM电压波；
输出滤波单元对逆变单元输出的频率为2f的PWM电压波进行滤波，然后输出；
取样单元对输出滤波单元的输出进行电压和电流取样，并对取样的电压信号进行衰减后，输入到控制单元的电压信号输入端，对取样的电流信号进行放大后，输入到控制单元的电流信号输入端；
控制单元对所述电压信号和电流信号进行模数转换，计算获得电压和电流的有效值或平均值；然后将该有效值或平均值与预设的目标值进行比较而获得偏差，根据该偏差和预存的正弦表值进行PI调节计算，将PI调节计算的结果输入PWM信号发生器中，产生两路互补的PWM信号，再将PI调节计算的结果进行移相180°的计算后的结果输入另一PWM信号发生器中，产生另两路互补的PWM信号，从而得到4路频率为f的PWM信号。
8.根据权利要求7所述一种内燃机驱动的逆变发电装置的逆变控制方法，其特征在于：所述控制单元实时检测发电机的输出电压，以及当前发电机转速，判断发电机的功率是否充足，如果不足，则控制输出电压降低。
9.根据权利要求7所述一种内燃机驱动的逆变发电装置的逆变控制方法，其特征在于：设置温度传感器，当温度传感器检测到的温度大于预设温度时，则降低输出电压，直到关闭输出。
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