CN105743333B - 一种高精度正弦波变频电源及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种高精度正弦波变频电源及其实现方法，它涉及一种变频电源及其实现方法。本发明的目的是为了解决现有技术中的正弦波变频电源波形畸变率高和不能精确抑制负载谐波电流的问题。本发明包括三角波发生器、比较器、控制芯片、功率变换器和LC滤波电路，三角波发生器的输出端和控制芯片D/A接口通过比较器连接驱动电路，驱动电路的输出端连接功率器件的控制端，功率变换器连接LC滤波电路，LC滤波电路的输出端为正弦波变频电源的输出端。本发明具有良好的动态控制响应性能和有效降低控制器输出电压的谐波含量。
Description
技术领域
本发明涉及一种变频电源及其实现方法，具体涉及一种高精度正弦波变频电源及其实现方法，属于电力电子控制技术领域。
背景技术
随着工业控制的精细化，对负载电源的要求也越来越高，特别是标准正弦波的交流电源要求频率可以调节范围广、波形畸变率小，而全数字化标准正弦波电源在控制时采用的面积等效输出的SPWM控制信号的近似计算会导致波形畸变率增高，其中电压的低次谐波不易采用滤波器消除。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的正弦波变频电源波形畸变率高和不能精确抑制负载谐波电流的问题。
本发明的技术方案是：一种高精度正弦波变频电源，包括信号发生单元、驱动电路、检测单元和功率变换单元，信号发生单元的输出端通过驱动电路连接功率变换单元，功率变换单元的输出端连接负载，所述检测单元的输入端连接功率变换单元的输出端，检测单元的输出端连接信号发生单元，所述信号发生单元包括三角波发生器、比较器、高通滤波器和控制芯片，功率变换单元包括功率变换器和LC滤波电路，三角波发生器的输出端连接比较器，控制芯片D/A接口通过高通滤波器连接比较器，比较器的输出端连接驱动电路，驱动电路的输出端连接功率器件的控制端，功率变换器连接LC滤波电路，LC滤波电路的输出端为正弦波变频电源的输出端。
所述正弦波变频电源包括供电单元，所述供电单元包括交流电源接口和整流电路，外部交流电源通过交流电源接口连接整流电路，整流电路的输出端连接功率变换器。
所述检测单元包括电流检测电路和信号调理电路，电流检测电路的输入端连接LC滤波电路的输出端，电流检测电路的输出端连接信号调理电路，信号调理电路的输出端连接控制芯片的A/D接口。检测负载电流，经信号调理电路转换为可进行A/D转换的信号，控制芯片通过检测的电流信号得到抑制谐波电流的复合电压信号后由控制芯片的D/A输出。
一种高精度正弦波变频电源的实现方法，在无抑制谐波电压信号时，三角波发生器输出的载波与控制负载电压信号数字化计算后由控制芯片D/A输出经高通滤波器变换后与比较器输出功率器件的精确SPWM驱动信号。
存在抑制谐波电压信号时，通过以下步骤实现：
步骤一、利用检测单元检测负载电流，确定抑制各次谐波电流的电压值，将各次谐波电压实时值相加得到抑制谐波电流的电压信号；
步骤二、将步骤一所述的电压信号与控制芯片产生的控制负载电压信号相加得到复合电压信号；
步骤三、将所述复合电压信号与三角波发生器产生的三角波比较，得出负载控制所需的电压和频率以及抑制负载谐波电流的功率器件PWM驱动信号。
步骤一所述确定抑制各次谐波电流的电压值的方法包括：对检测单元检测的电流信号进行运算得到负载电流大小、谐波电流分量组成、各次谐波电流值和谐波电流相位值。
本发明与现有技术相比具有以下效果：本发明提出利用模拟和数字综合控制技术由数字化生成频率和幅值可调的正弦波调制信号经D/A转换生成模拟信号后与模拟电路产生的载波信号直接比较生成精确的SPWM驱动信号可以满足负载对交流电源的要求。本发明结合数字控制和模拟控制的优点，简化了数字化控制下的计算载波和调制波交点产生功率器件SPWM驱动信号的不精确算法，具有良好的动态控制响应性能和有效降低控制器输出电压的谐波含量和抑制负载谐波电流。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为精确SPWM驱动信号产生原理示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式，本实施方式的一种高精度正弦波变频电源包括信号发生单元、驱动电路、检测单元和功率变换单元，信号发生单元的输出端通过驱动电路连接功率变换单元，功率变换单元的输出端连接负载，所述检测单元的输入端连接功率变换单元的输出端，检测单元的输出端连接信号发生单元，所述信号发生单元包括三角波发生器、比较器、高通滤波器和控制芯片，功率变换单元包括功率变换器和LC滤波电路，三角波发生器的输出端连接比较器，控制芯片D/A接口通过高通滤波器连接比较器，比较器的输出端连接驱动电路，驱动电路的输出端连接功率器件的控制端，功率变换器连接LC滤波电路，LC滤波电路的输出端为高精度正弦波变频电源的输出端。
控制芯片产生数字化的标准正弦波信号由D/A接口输出模拟电压信号，单相电源的电压信号为三相时其中x表示三相电压调制信号ABC，Um为电压幅值，ω＝2πf为基本角频率，为相位，再经匹配的高通滤波器得到交流调制信号与模拟载波信号直接比较输出精确的SPWM信号，可以降低控制器输出电压的谐波含量；所述功率变换器输出通过LC滤波器滤除控制器的开关频率变为标准正弦波电源为负载提供高质量的电能。
所述正弦波变频电源包括供电单元，所述供电单元包括交流电源接口和整流电路，外部交流电源通过交流电源接口连接整流电路，整流电路的输出端连接功率变换器。
所述检测单元包括电流检测电路和信号调理电路，电流检测电路的输入端连接LC滤波电路的输出端，电流检测电路的输出端连接信号调理电路，信号调理电路的输出端连接控制芯片的A/D接口。
所述高精度正弦波变频电源的实现方法：在无抑制谐波电压信号时，精确SPWM输出控制包括如下步骤：
三角波发生器输出三角波幅值固定，频率可调的载波信号；
控制芯片产生数字化的标准正弦波信号由D/A接口输出模拟电压作为调制信号，经过高通滤波器得到交流调制信号与模拟载波信号直接比较输出精确的SPWM信号；
功率变换器为控制负载输出频率和电压幅值可调的SPWM电压，经LC滤波器输出标准正弦波电压；
存在抑制谐波电压信号时，通过以下步骤实现：
步骤一、利用检测单元检测负载电流，确定抑制各次谐波电流的电压值，将各次谐波电压相加得到抑制谐波电流的电压信号，具体为：
检测单元实现负载电流检测ix＝Imsin(ωt+θx)，其中x表示负载三相电流ABC，Im为电流幅值，ω＝2πf为基本角频率，θx为相位，由信号调理电路变换使得负载电流检测信号与控制芯片的A/D信号匹配；
对数字化的电流信号进行相关计算和FFT运算得到负载电流大小、谐波电流分量组成和各次谐波电流幅值大小及谐波电流相位值，谐波电压值由ui＝-xiii计算，其中负号为抑制谐波电流电压值，ii为谐波电流值，xi为谐波阻抗，下角标i代表谐波次数，由此确定控制负载电流的电压幅值和抑制各次谐波电流的各次谐波电压大小，将各次谐波电压的实时值相加得到各次谐波电压复合信号与控制负载电压信号相加，并由控制芯片的D/A接口输出，此信号为直流信号，经高通滤波器转换为交流信号；
步骤二、将步骤一所述的电压信号与控制芯片产生的控制负载电压信号相加得到复合电压信号；
步骤三、将所述复合电压信号与三角波发生器产生的三角波比较，得出负载控制所需的电压和频率以及抑制负载谐波电流的功率器件的PWM驱动信号。
所述比较器单元实现载波信号与调制波信号比较，由载波信号与调制波信号的交点确定功率器件的驱动信号如图2所示；
包含幅值电流控制和谐波电流抑制的电压复合信号与三角波比较输出PWM驱动信号控制功率变换器输出负载运行所需的电流和精确抑制负载3次、5次、6次、7次、9次、11谐波电流的各次谐波电压信号；
考虑功率器件的开关频率，本发明可以精确抑制负载3次、5次、6次、7次、9次、11次谐波电流，以开关频率为10kHz说明3次、5次、6次、7次、9次、11次谐波电压每周期经载波调制输出的段数分别为65段、39段、32段、27段、21段和17段，因此本发明可以精确抑制负载3次、5次、6次、7次、9次、11次谐波电流；
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。
Claims (1)
1.一种高精度正弦波变频电源的实现方法，高精度正弦波变频电源，包括信号发生单元、驱动电路、检测单元和功率变换单元，信号发生单元的输出端通过驱动电路连接功率变换单元，功率变换单元的输出端连接负载，所述检测单元的输入端连接功率变换单元的输出端，检测单元的输出端连接信号发生单元，其特征在于：所述信号发生单元包括三角波发生器、比较器、高通滤波器和控制芯片，功率变换单元包括功率变换器和LC滤波电路，三角波发生器的输出端连接比较器，控制芯片D/A接口通过高通滤波器连接比较器，比较器的输出端连接驱动电路，驱动电路的输出端连接功率器件的控制端，功率变换器连接LC滤波电路，LC滤波电路的输出端为正弦波变频电源的输出端；其特征在于：在无抑制谐波电压信号时，三角波发生器输出的载波与控制负载电压信号数字化计算后由控制芯片D/A输出经高通滤波器变换后与比较器输出功率器件的精确SPWM驱动信号；
存在抑制谐波电压信号时，通过以下步骤实现：
步骤一、利用检测单元检测负载电流，确定抑制各次谐波电流的电压值，将各次谐波电压的实时值相加得到抑制谐波电流的电压信号，具体为：
检测单元实现负载电流检测ix＝Imsin(ωt+θx)，其中x表示负载三相电流ABC，Im为电流幅值，ω＝2πf为基本角频率，θx为相位，由信号调理电路变换使得负载电流检测信号与控制芯片的A/D信号匹配；
对数字化的电流信号进行相关计算和FFT运算得到负载电流大小、谐波电流分量组成和各次谐波电流幅值大小及谐波电流相位值，谐波电压值由ui＝-xiii计算，其中负号为抑制谐波电流电压方向，ii为谐波电流值，xi为谐波阻抗，下角标i代表谐波次数，由此确定控制负载电流的电压幅值和抑制各次谐波电流的各次谐波电压大小；
步骤二、将步骤一所述的电压信号与控制芯片产生的控制负载电压信号相加得到复合电压信号；
步骤三、所述复合电压信号由控制芯片的D/A接口输出，输出信号为直流信号，经高通滤波器转换为交流信号后与三角波发生器产生三角波比较，得出负载控制所需的电压和频率以及抑制负载谐波电流的功率器件PWM驱动信号。
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