CN105186884B - 采用双向变换器的直接变频通信装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信控制领域，提供了一种采用双向变换器的直接变频通信装置及其控制方法，包括三相电源、连接在三相电源输出端的电压转换电路以及连接在电压转换电路输出端的多个负载电源,其特征在于：所述电压转换电路包括控制器、电压转换模块、第一双向开关单元、第二双向开关单元、第三双向开关单元，第一双向开关单元的控制端连接控制器。本发明中通过将交流供电线路控制端加入以电压转换装置为基础的通信装置来达到简单通信的目的，本发明体积小，只在需要通信的时候才工作，可靠性好，无谐波，适应性好，适合传递信息不多且实时性要求不高的场合。

Description

采用双向变换器的直接变频通信装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及通信控制领域，尤其涉及一种采用双向变换器的直接变频通信装置及其控制方法。

背景技术

在户外电源应用领域及需要简单传递控制信息的供电系统应用领域，如LED路灯、隧道灯或其他传统灯具等应用领域，由于供电线路较远且存在诸多不确定因素，一般通过市电交流电对灯具中的电源进行供电，而通过单独的通信装置或线路进行通信及控制。例如LED路灯应用时，需要每隔几个小时对路灯的亮度进行调节，即所谓的调光，该方式由于可以实现二次节能，具有重大的经济及社会意义。调光控制方式主要有四类：通过单独的调光线进行模拟或数字的控制方式(如：0-10V模拟电压控制/PWM数字量控制/RS-485数字通信控制)；通过无线通信进行调光及控制方式，如Zigbee通信及控制；不需要单独线路而通过电力线进行通信的方式，如PLC电力载波通信；通过灯具内部的定时器进行定时控制；这些通信实质上都是对灯具里面的电源进行通信及控制。

通过单独的调光线的控制方式技术实现简单，可实现对某一组灯一起控制，即分组控制，比如一条0-10V的调光线可以控制多达200盏以上的灯，但在工程应用的时候尤其是旧线路改造的时候存在施工布线难，布线距离远，线材成本高的弊端，并且调光线路抗感应雷干扰的能力很差，可靠性不高。PLC电力载波通信方式：目前通过在每个电源上(即每杆灯上)加装电力载波通信模块即单灯控制器实现通信及控制功能，优点是可传递的信号量非常大，信号双向传递，传输速度快，信号通过交流供电线传递，无需重新施工布线，无多余的线材成本；但单灯控制器成本高而复杂，信号幅值太小，易受干扰，通信可靠性低，当灯具数量较多，单灯控制器数量也同样多，总成本非常高。若将电力载波通信集成到电源里面，不但存在电力载波芯片及耦合解码电路成本高的问题，还会存在电力载波通信频率跟开关电源内部工作频率高度重合而会被干扰的问题，带来的EMI电磁兼容问题很难处理，设计难度高，至今尚未有实际产品批量应用。无线通信(如Zigbee)存在成本高、通信不稳定、通信距离短的问题，也需要在灯上附加无线通信装置及天线。若将无线通信集成到电源内，因为户外电源带有防水型铝壳，必须从铝壳伸出一根天线，防水及结构方面难度大、成本也高。三者的共同特点是都需要附加成本比较高的物料或装置。定时调光：定时器在电源上电的时候开始工作，经过设定的时间段后，即调整电源内部的电流以达到所需的亮度，优点是成本非常低，不需外接线材、控制器等，但由于无法跟外部通信，一旦设定定时策略，不能变更，因此不适合冬季夏季夜间时间长度差异较大的路灯应用，也不适合隧道灯等应用。工程应用最核心的需求是基于调光的二次节能，该需求只需对某些路段或者某组灯进行统一调整(分组控制)，并不需要对单灯进行逐个控制；调光时信号量很小，只需发出简单的调光百分比信号；调光间隔长，一般每隔几个小时调整一次；因此调光应用的需求是：信号量极小，信号传递次数少，需要调整的时候才需要通信，可预先定制调光定时控制策略而在通信的时候一次写入到电源内部存储器，不需要单灯控制而只需分组控制；上述四种方式中，通过调光线进行控制的方式比较符合调光需求，PLC通信及无线通信大大超过了实际需求，而定时调光不能满足通信调整的需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种采用双向变换器的直接变频通信装置及其控制方法，实现简单可靠，成本低，体积小，可切换，可靠性好，无谐波，适应性好，并可扩展到其他领域。

本发明技术方案是：一种采用双向变换器的直接变频通信装置，包括三相电源、连接在三相电源输出端的电压转换电路以及连接在电压转换电路输出端的多个负载电源,所述电压转换电路包括控制器、电压转换模块、第一双向开关单元、第二双向开关单元、第三双向开关单元，第一双向开关单元的控制端连接控制器，第一双向开关单元的输入端连接三相电源的三个输出端，第一双向开关单元的输出端连接电压转换模块第一输入端，所述第二双向开关单元的控制端连接控制器，第二双向开关单元的输入端连接电压转换模块的第二输出端，第二双向开关单元的输出端连接负载电源输入端，所述第三双向开关单元的控制端连接控制器，第三双向开关单元的输入端连接三相电源输出端，第三双向开关单元的输出端连接负载电源输入端，所述控制器的输出端连接电压转换模块的第二输入端，所述电压转换模块的第一输出端接地，所述负载电源内设有连接在电压转换电路输出端的数字芯片。

优选的，所述第一双向开关单元、第二双向开关单元、第三双向开关单元包括的双向开关数目为1个或2个或3个。

优选的，所述电压转换模块包括1个或2个或3个电压转换装置，电压转换装置的数目与第一双向开关单元所包括的双向开关数目相同，电压转换装置的输入端分别连接第一双向开关单元所包括的双向开关的输出端。

优选的，所述电压转换装置为双向Buck-Boost电路或双向Buck电路或双向Boost电路。

优选的，所述负载电源内设有连接在电压转换电路输出端的数字芯片。

一种采用双向变换器的直接变频通信装置的控制方法，所述方法包括以下步骤：

1)开关控制装置控制双向开关的导通，使双向开关以一定的周期交替工作，或互补导通工作，或部分周期导通配合部分周期不导通工作，输出电压波形给电压转换装置；

2)电压转换装置对电压波形进一步处理后输出给负载电源；

3)对电压转换装置输出端输出的不同波形进行定义；

4)负载电源接收交流电电压波形后，其内部的数字芯片将波形解码或存储，然后控制负载的工作。

本发明的有益效果是：本发明中通过将交流供电线路控制端加入以电压转换装置为基础的通信装置来达到简单通信的目的。供电控制端加入双向开关为基础的通信装置后，可以通过控制器对双向开关为基础的通信装置进行控制以传递模拟或数字信息，电源侧(或者进一步说灯具侧)可以通过内置的单片机、MCU、DSP等数字芯片进行采样及解码或储存，响应控制指令。同时各个电源可设置分组或单独设定地址，实现点对点的控制及分组控制。电源内部的数字芯片实现简单，成本低；同时由于通过电力线进行通信，信号幅度大进而通信稳定，无多余线材成本，适合传递较少数据量，适合低频次通信，适合分组控制，适合三相供电的户外照明改造及改造之后的二次节能，也适合新项目二次节能应用及其他领域应用，总体成本最低，经济效益非常显著。本发明体积小，只在需要通信的时候才工作，可靠性好，无谐波，适应性好，适合传递信息不多且实时性要求不高的场合。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例一的电路原理图；

图2是本发明实施例一优选的电路原理图；

图3是本发明实施例一的电压转换装置中双向开关替换为MOS管的电路原理图；

图4是本发明实施例一电压转换装置的电路原理图；

图5是本发明实施例一可选的电压转换装置电路原理图；

图6是本发明实施例一第一种定义为数字“1”的输出波形图；

图7是本发明实施例一第一种定义为数字“0”的输出波形图；

图8是本发明实施例一第二种定义方式；

图9是本发明实施例二的电路原理图；

图10是本发明中双向开关可替换元件的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

一种利用双向变换器实现的直接变频通信装置，包括三相电源、连接在三相电源输出端的电压转换电路以及连接在电压转换电路输出端的多个负载电源,所述电压转换电路包括控制器、电压转换模块、第一双向开关单元、第二双向开关单元、第三双向开关单元，第一双向开关单元的控制端连接控制器，第一双向开关单元的输入端连接三相电源的三个输出端，第一双向开关单元的输出端连接电压转换模块第一输入端，所述第二双向开关单元的控制端连接控制器，第二双向开关单元的输入端连接电压转换模块的第二输出端，第二双向开关单元的输出端连接负载电源输入端，所述第三双向开关单元的控制端连接控制器，第三双向开关单元的输入端连接三相电源输出端，第三双向开关单元的输出端连接负载电源输入端，所述控制器的输出端连接电压转换模块的第二输入端，所述电压转换模块的第一输出端接地，所述负载电源内设有连接在电压转换电路输出端的数字芯片。

优选的，所述第一双向开关单元、第二双向开关单元、第三双向开关单元包括的双向开关数目为1个或2个或3个。

优选的，所述电压转换模块包括1个或2个或3个电压转换装置，电压转换装置的数目与第一双向开关单元所包括的双向开关数目相同，电压转换装置的输入端分别连接第一双向开关单元所包括的双向开关的输出端。

优选的，所述电压转换装置为双向Buck-Boost电路或双向Buck电路或双向Boost电路。

优选的，所述负载电源内设有连接在电压转换电路输出端的数字芯片。

一种采用双向变换器的直接变频通信装置及其控制方法，所述方法包括以下步骤：

1)开关控制装置控制双向开关的导通，使双向开关以一定的周期交替工作，或互补导通工作，或部分周期导通配合部分周期不导通工作，输出电压波形给电压转换装置；

2)电压转换装置对电压波形进一步处理后输出给负载电源；

3)对电压转换装置输出端输出的不同波形进行定义；

4)负载电源接收交流电电压波形后，其内部的数字芯片将波形解码或存储，然后控制负载的工作。以下就实施例一对本发明做进一步阐述，仅用以说明但不限制为此种形式。

实施例一

结合附图1，一种采用双向变换器的直接变频通信装置，包括三相电源、连接在三相电源输出端的电压转换电路以及连接在电压转换电路输出端的多个负载电源,所述电压转换电路包括控制器、电压转换模块、第一双向开关单元、第二双向开关单元、第三双向开关单元，第一双向开关单元的控制端连接控制器，第一双向开关单元的输入端连接三相电源的三个输出端，第一双向开关单元的输出端连接电压转换模块第一输入端，所述第二双向开关单元的控制端连接控制器，第二双向开关单元的输入端连接电压转换模块的第二输出端，第二双向开关单元的输出端连接负载电源输入端，所述第三双向开关单元的控制端连接控制器，第三双向开关单元的输入端连接三相电源输出端，第三双向开关单元的输出端连接负载电源输入端，所述控制器的输出端连接电压转换模块的第二输入端，所述电压转换模块的第一输出端接地，所述负载电源内设有连接在电压转换电路输出端的数字芯片。

所述第一双向开关单元、第二双向开关单元、第三双向开关单元包括的3个双开关。

结合附图2，所述电压转换装置为双向Buck-Boost电路或双向Buck电路或双向Boost电路。

实施例一的控制方法为：

当连接在三相电源输出端的各负载电源不需要通信时，双向开关S1、S2、S3导通，双向开关S4、S5、S6、S7、S8、S9关断，此时与一般供电没有差异。当负载电源需要通信时，双向开关S1、S2、S3其中之一或者全部关断，而双向开关S4、S5、S6、S7、S8、S9按照一定的逻辑导通，比如对A相进行通信，则此时双向开关S4和S7导通(双向开关S1关断，双向开关S2、S3导通)，将双向Buck-Boost电路接入A相，此时双向Buck-Boost电路按照通信协议定制的规则输出相应的波形，A相上负载电源内部的控制芯片可以检测到双向Buck-Boost电路输出的波形并解码识别其中包含的通信信号。

结合附图3，其中一种通信波形及通信协议可按照下面方式定义：定义图6所示的交流正弦波为数字1，图7所示的整流后的两个正弦半波为数字0，则可将数字信号转化成图6，图7所示的波形组合，以此将信号通过交流供电线路传递到电源侧。A相负载电源内置的芯片会对上述波形解码，识别其包含的通信数字信号，执行相应的指令。结合附图4，由双向Buck-Boost电路的特性可知，其输入电压、输出电压极性相反。换句话说，当输入电压为正弦波的负半波的时候，其输出电压为正弦波的正半波。此时只需按照下面的策略即可实现通信功能：通信为数字1时，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4一直导通，不需要Buck-Boost电路内的电感、电容参与切换工作，A相电压直接传递到负载电源侧；通信为数字0时，在输入电压正弦半波的正半周期，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4一直导通，而在输入电压正弦半波的负半周期，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4连同电感L1，电容C1按照Buck-Boost电路的工作特性进行工作，实现将负半周期电压转化为正半周期电压，而输入电流跟随输入电压，实现在任意条件下输入谐波小，输出电压可翻转的特性。同时，采用双向Buck-Boost电路上述通信方案可知，在传递0和1两个bit位数字信号时，Buck-Boost电路只需在1/4时间内工作，可减小设计成本，提升可靠性。B相、C相电源需要通信时工作方式类似。

结合附图5，类似的通信方式可以扩展到双向Buck、双向Boost情形：当图1中的电压转换模块由图4变更为图5中的二种拓扑时，由双向Buck、双向boost的特性可知，它们可以输出正弦交流电压，双向Buck输出电压幅值比输入电压低，而双向Boost输出电压幅值比输入电压高。结合附图5和8，若按照图5所示的定义，电压幅值高的时候定义为1，电压幅值低的时候定义为0，则可同样形成数字通信信号。该数字通信信号至少以工频一个周期为基础，但不限定于上述定义。

第一双向开关单元、第二双向开关单元、第三双向开关单元的双向开关数目可以不相同。例如：第一双向开关单元为1个双向开关时，保持第二、第三双向开关单元为3个，也可以实现通信。当数目不一致时，控制方式有所区别：比如图1中电压转换装置的输入端只接三相电源中A相的双向开关S7，而没有开关双向开关S8、S9，此时仍旧能够实现通信：当需要B相通信时，导通双向开关S7，电压转换装置工作，其输出电压与A相电压相关，设为Vx，则此时只需按照一定时序切换双向开关S2和S5，即可将B相电压Vb及Vx交替地供给B相N个负载电源，由于切换时序等不同，可形成不同的波形，在此基础上形成通信。

以下就实施例二对本发明做进一步阐述，仅用以说明但不限制为此种形式。

实施例二

结合附图9，一种采用双向变换器的直接变频通信装置，包括三相电源、连接在三相电源输出端的电压转换电路以及连接在电压转换电路输出端的多个负载电源,所述电压转换电路包括控制器、电压转换模块、第一双向开关单元、第二双向开关单元、第三双向开关单元，第一双向开关单元的控制端连接控制器，第一双向开关单元的输入端连接三相电源的三个输出端，第一双向开关单元的输出端连接电压转换模块第一输入端，所述第二双向开关单元的控制端连接控制器，第二双向开关单元的输入端连接电压转换模块的第二输出端，第二双向开关单元的输出端连接负载电源输入端，所述第三双向开关单元的控制端连接控制器，第三双向开关单元的输入端连接三相电源输出端，第三双向开关单元的输出端连接负载电源输入端，所述控制器的输出端连接电压转换模块的第二输入端，所述电压转换模块的第一输出端接地，所述负载电源内设有连接在电压转换电路输出端的数字芯片。

所述第一双向开关单元、第二双向开关单元、第三双向开关单元包括的3个双开关。

所述电压转换模块包括3个电压转换装置，电压转换装置的输入端分别连接第一双向开关单元所包括的双向开关的输出端。

实施例二中，三个电压转换装置分别对三相电源输出端连接的双向开关进行控制，其工作方式和实施例一相同。

结合附图10，上述实施例中，双向开关分别包括两个反向连接的或者构成双向导通形式的MOSFET管，或IGBT、或二极管，或三极管，或晶体管，或晶闸管，或继电器，或接触器，或空气开关。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种采用双向变换器的直接变频通信装置，包括三相电源、连接在三相电源输出端的电压转换电路以及连接在电压转换电路输出端的多个负载电源,其特征在于：所述电压转换电路包括控制器、电压转换模块、第一双向开关单元、第二双向开关单元、第三双向开关单元，第一双向开关单元的控制端连接控制器，第一双向开关单元的输入端连接三相电源的三个输出端，第一双向开关单元的输出端连接电压转换模块第一输入端，所述第二双向开关单元的控制端连接控制器，第二双向开关单元的输入端连接电压转换模块的第二输出端，第二双向开关单元的输出端连接负载电源输入端，所述第三双向开关单元的控制端连接控制器，第三双向开关单元的输入端连接三相电源输出端，第三双向开关单元的输出端连接负载电源输入端，所述控制器的输出端连接电压转换模块的第二输入端，所述电压转换模块的第一输出端接地，所述负载电源内设有连接在电压转换电路输出端的数字芯片。

2.根据权利要求1所述的采用双向变换器的直接变频通信装置，其特征在于：所述第一双向开关单元、第二双向开关单元、第三双向开关单元包括的双向开关数目为1个或2个或3个。

3.根据权利要求2所述的采用双向变换器的直接变频通信装置，其特征在于：所述电压转换模块包括1个或2个或3个电压转换装置，电压转换装置的数目与第一双向开关单元所包括的双向开关数目相同，电压转换装置的输入端分别连接第一双向开关单元所包括的双向开关的输出端。

4.根据权利要求1或3所述的采用双向变换器的直接变频通信装置，其特征在于：所述电压转换装置为双向Buck-Boost电路或双向Buck电路或双向Boost电路。

5.一种采用双向变换器的直接变频通信装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)开关控制装置控制双向开关的导通，使双向开关以一定的周期交替工作，或互补导通工作，或部分周期导通配合部分周期不导通工作，输出电压波形给电压转换装置；

2)电压转换装置对电压波形进一步处理后输出给负载电源；

3)对电压转换装置输出端输出的不同波形进行定义；

4)负载电源接收电压波形后，其内部的数字芯片将波形解码或存储，然后控制负载的工作。