CN106992689B - 一种基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路及控制方法 - Google Patents

一种基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路及控制方法，包括P、N两组晶闸管(VP1～VP4、VN1～VN4)组成的整流桥和LC滤波环节；其控制单元由处理器及外围组件构成，用于产生负载期望频率的正弦信号，结合负载电流控制任何时刻只让一组整流桥开通，并控制两组整流桥按照一定频率交替工作，则负载Z上就得到了该频率的交流电。同时，通过脉冲等效原理控制晶闸管的触发角。本发明适用于将高频交流输入电源，转变为低频交流输出电源，采用脉冲等效原理，使高频交流输入电源经主电路变换后，在每一个高频周期里的平均输出电压能反应当前期望瞬时电压值，进而跟踪低频交流输出电源的变化规律。

Description

一种基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路及控制方法
技术领域
本发明属于电力电子应用技术领域，涉及一种基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路及控制方法。
背景技术
在一些边远偏僻地区、临时性工业现场、救灾应急、国防军事、供电负荷短缺等的经营场所，往往需要能有移动方便、经济适用的后备电源。高频交流电源因为其具有的高频工作方式，对输出滤波电容的要求降低，设备的体积和重量得到减小的优点，在上述的场合得到了广泛的应用。但是大多数设备和仪器的使用都是基于低频交流电设计的，所以需要有能把高频交流电转化为低频交流电的中间电路。
变频电路目前主要包括交交直接变频和交直交间接变频两种主要的电路。交交直接变频电路在20世纪30年代就已经出现，当时采用的是水银整流器，曾经有装置用在电力机车上，由于原件性能的限制，没能得到推广。到20世纪70年代，随着晶闸管的问世交交变频电路曾经广泛应用于电机的变频调速。20世纪80年代随着全控器件的广泛应用，交交变频电路逐渐被交直交变频电路取代。近年来随着现代工业生产及社会发展的需要推动了交交变频技术的飞速发展，现代电力电子器件的发展和应用、现代控制理论和控制器件的发展和应用、微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流变频技术的发展和应用创造了新的物质和技术条件，交交直接变频电路又逐渐成为研究的热点。
交交直接变频电路是通过电力电子电路的开关控制直接变频控制，而不通过中间直流环节，只需通过一次变换把输入交流电直接变换成不同频率不同幅值的输出交流电，利用两组整流电路的输出电压分别构成正弦波的正负半波可以实现由一种频率的交流电到另一种频率的交流电的变换，这样的电路称为晶闸管相位控制交交直接变频电路，也称周波变流器。周波变流器一般采用晶闸管作为功率开关器件，适合于大功率电机调速的应用场合。
虽然交直交间接变频成为交交变频的重要分支，但是多余的变换环节，不仅增加了装置的成本、损耗和控制复杂度，也降低了系统的可靠性。目前很多单相交交直接变频装置都是通过三相交流电输入，经过三相整流后直接输出单相交流电，此电路采用余弦交点法作为控制逻辑，即在每个控制周期里，需要将当前时刻的输出值与预期开通晶闸管后的整流输出电压值进行比较，从而判断是否要开通晶闸管或者保持当前状态，此方法采用过多比较计算，实时性较差，控制难度高，导致输出电压THD较低，容易造成谐波污染，并且这种传统单相交交变频电路采用三相整流桥臂，使用了了较多的晶闸管资源。
因此，针对现有技术不足，设计一种可对于单相输入单相输出直接交交变频的电路及其控制方法甚为必要。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种可以实现减小输入谐波含量，改善电能质量，并提高了输出交流电THD的基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路。本发明同时提供一种基于脉冲等效法的单相直接交交变频控制方法。
技术方案：本发明的基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路，采用单相输入交流电和单相输出交流电的配置，包括输入电源模块、双向功率传输模块、控制单元、滤波模块和负载模块，所述输入电源模块为电路提供高频交流输入电源，所述双向功率传输模块由P组单相正向整流桥和N组单相反向整流桥反向并联构成，所述P组单相正向整流桥包括晶闸管VTP1、晶闸管VTP2、晶闸管VTP3、晶闸管VTP4，所述晶闸管VTP1的阴极与晶闸管VTP2的阴极连接作为整流输出正极，晶闸管VTP3的阳极与晶闸管VTP4的阳极连接作为整流输出负极，晶闸管VTP1的阳极与晶闸管VTP3的阴极连接作为单相交流输入电的一端口，晶闸管VTP2的阳极与晶闸管VTP4的阴极连接并作为单相交流输入电的另一端口；所述N组单相反向整流桥包括晶闸管VTN1、晶闸管VTN2、晶闸管VTN3、晶闸管VTN4，所述晶闸管VTN1的阴极与晶闸管VTN2的阴极连接作为整流输出负极，晶闸管VTN3的阳极与晶闸管VTN4的阳极连接作为整流输出正极，晶闸管VTN1的阳极与晶闸管VTN3的阴极连接作为单相交流输入电的一端口，晶闸管VTN2的阳极与晶闸管VTN4的阴极连接作为单相交流输入电的另一端口。所述控制单元由处理器的基本运行电路作为控制核心，外围的检测电路作为参数检测反馈接口，晶闸管驱动电路作为控制单元的输出信号，所述滤波模块包括滤波电感和滤波电容，所述滤波电感一端连接整流桥输出正极，滤波电感另一端与滤波电容的正极相连接，滤波电容的负极连接整流桥输出负极，同时滤波电容与负载并联。
进一步的，本发明电路中，控制单元用以控制双向功率传输模块的整流桥按照期望得到波形的频率进行开断，使得能量从输入电源模块流向滤波模块，经滤波后再流入负载模块，或者从负载流向输入电源模块，使得负载波形完成对期望的输出交流电的等效拟合。
进一步的，本发明电路中，控制单元在电路通电初始化时刻，设置输出交流电的频率fs_o，然后控制单元根据设置的输出交流电频率参数在处理器中虚构期望频率为fs_o的输出正弦电压信号；控制单元根据所述虚构的期望频率为fs_o的输出正弦电压信号，结合输出负载电流的变化，控制在任何时候只让所述的P组单相正向整流桥和N组单相反向整流桥两者中的一组整流桥工作，使P组单相正向整流桥和N组单相反向整流桥按照设置的输出频率参数交替工作，则负载模块就得到了该交替频率的交流电；在负载输出交流电正负各自半周期时间段内，为了实现对正弦波形的跟踪，在输入高频交流电的每一个周期里的控制方法如下：根据检测到的输入电压幅值ui和输入电压频率fs_i，使用脉冲等效原理更新晶闸管触发角值，即：按照输入电源频率fs_i与负载频率fs_o的整数倍比K，K为正的自然数，将负载半周期细分为K个预期输出电压瞬时值点，然后在每一个输入高频周期里，求解细分间隔的脉冲面积，并计算等于该面积的整流输出电压值，确定晶闸管触发角。
进一步的，本发明电路中，输入电源频率fs_i与负载频率fs_o的整数倍比K大于等于5。
进一步的，本发明电路中，脉冲等效原理，即晶闸管触发脉冲控制规律，对单相或多相晶闸管直接交交变频电路都起到有效作用。
本发明的基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路控制方法，包括：控制单元用以控制双向功率传输模块的整流桥按照期望得到波形的频率进行开断，使得能量从输入电源模块流向滤波模块，经滤波后再流入负载模块，或者从负载流向输入电源模块，使得负载波形完成对期望的输出交流电的等效拟合。
进一步的，本发明方法中，控制单元在电路通电初始化时刻，设置输出交流电的频率fs_o，然后控制单元根据设置的输出交流电频率参数在处理器中虚构期望频率为fs_o的输出正弦电压信号；控制单元根据所述虚构的期望频率为fs_o的输出正弦电压信号，结合输出负载电流的变化，控制在任何时候只让所述的P组单相正向整流桥和N组单相反向整流桥两者中的一组整流桥工作，使P组单相正向整流桥和N组单相反向整流桥按照设置的输出频率参数交替工作，则负载模块就得到了该交替频率的交流电；在负载输出交流电正负各自半周期时间段内，为了实现对正弦波形的跟踪，在输入高频交流电的每一个周期里的控制方法如下：根据检测到的输入电压幅值ui和输入电压频率fs_i，使用脉冲等效原理更新晶闸管触发角值，即：按照输入电源频率fs_i与负载频率fs_o的整数倍比K，K为正的自然数，将负载半周期细分为K个预期输出电压瞬时值点，然后在每一个输入高频周期里，求解细分间隔的脉冲面积，并计算等于该面积的整流输出电压值，确定晶闸管触发角。
进一步的，本发明方法中，输入电源频率fs_i与负载频率fs_o的整数倍比K大于等于5。
进一步的，本发明方法中，脉冲等效原理，即晶闸管触发脉冲控制规律，对单相或多相晶闸管直接交交变频电路都起到有效作用。
本发明适用于将高频交流输入电源，转变为低频交流输出电源，采用脉冲等效原理，使高频交流输入电源经主电路变换后，在每一个高频周期里的平均输出电压能反应当前期望瞬时电压值，进而跟踪低频交流输出电源的变化规律。本发明可实现低THD正弦电压输出，降低输入侧谐波含量，减小谐波污染。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)传统的单相交交变频电路一般都是采用的三相电作为输入，单相电作为输出，经过晶闸管整流桥直接接负载的电路。本发明提出的单相直接交交变频电路是直接采用了单相输入单相输出的配置，并且添加整流滤波环节，与传统单相交交变频相比较，本发明电路输入电压频率可以更高，而且采用了更少的晶闸管器件，在保证了输入功率要求的前提下，简化了电路结构和控制的复杂程度，并且本电路在晶闸管整流输出侧添加的LC滤波电路，可以在负载端得到较低THD的输出正弦波；和当前交直交交接变频电路相比较，可以得到和全控型电路相媲美的正弦交流电压波形，且具有较低的电路成本。
2)与交直交变频电路对比，交直交变频电路采用了多余的直流变换环节，不仅增加了装置的成本、损耗和控制复杂度，也降低了系统的可靠性；本发明的单相直接交交变频电路只具有直接交交变频电路，采用较少的晶闸管器件，且控制难度低，也可以实现低THD的正弦输出波形。
附图说明
图1是本发明单相直接交交变频主电路结构图。
图2是本发明单相直接交交变频电路的电路总逻辑图。
图3是本发明单相直接交交变频电路的控制结构示意框图。
图4是本发明单相交交直接变频电路的仿真输入电压波形图。
图5是本发明单相交交直接变频电路的仿真触发脉冲波形图。
图6是本发明单相交交直接变频电路的仿真输出电压波形图。
图中有：输入电源模块1、双向功率传输模块2、控制单元3、滤波模块4和负载模块5、输入交流电频率fs_i、输入电压瞬时值ui、输出交流电频率fs_o、输出电感电流iL、输出瞬时电压uo、晶闸管触发角α。输入电压e、晶闸管VTP1～VTP4、晶闸管VTN1～VTN4、电感L、电容C、负载Z。直接交交变频模块、给定正弦电压瞬时值u、输出电流iL、电压波形数据虚拟环节1、脉冲面积等效算法环节2、P组或N组整流桥切换控制环节3、触发脉冲控制环节4。
具体实施方式
以下结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的详细说明：
图1所示为本发明的基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路，包括输入电压e、晶闸管VTP1～VTP4、晶闸管VTN1～VTN4、电感L、电容C、负载Z。输入电压e供给由P组和N组整流桥构成的双向功率传输模块，双向功率传输模块输出波形经过电感L和电容C滤波得到最后负载的输出波形，电感L起到平滑电流的作用，电容C保持一定电压。
图2所示为本发明基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路的电路总逻辑图，其中控制单元3由处理器DSP编程实现，其检测输入交流电的电压值和频率参数的同时可以编程设置期望输出的交流电压幅值和频率，通过输入交流电频率fs_i与输出交流电频率fs_o的比例关系设置触发脉冲的时间间隔，使得一个输出半波内，整流桥完成fs_i/fs_o整数倍次整流输出；控制单元3通过自编程产生期望输出频率的预期正弦电压信号，结合输出电感电流iL控制双向功率传输模块2的整流桥的开断，使得能量从输入电源模块1经过滤波模块4后流向负载模块5，或者负载流向输入电源，并控制两组整流桥按照一定频率交替切换，则负载模块5就得到了该交替频率的交流电，完成对输出交流电的等效拟合，滤波模块4为LC滤波电路，将整流桥输出脉冲电压滤波成期望得到的电压波形。
同时，按照fs_i/fs_o整数倍比，设置输出电压的预期电压值，如输入频率为fs_i＝1000HZ，输出频率为fs_o＝50HZ，则fs_i/fs_o＝20，那么一个输出周期内可以细分20个预期输出电压瞬时值点；并且在输入交流电的每一个周期里，通过脉冲面积等效原理，即：根据每一个输入电压周期内设置的预期输出电压瞬时值和细分数目，计算此细分间隔内对应的等效面积，结合输入正弦电压数据，可以计算出待更新的控制触发角值，使得本周期整流桥的平均输出电压具有反应当前时刻期望的电压幅值的能力，进而可以跟踪预期输出电压幅值的变化规律，再经过LC滤波可以得到输出波形。
图3所示为本发明直接交交变频电路的控制结构示意框图，直接交交变频电路的控制结构包括电压波形数据虚拟环节1、脉冲面积等效算法环节2、P组或N组整流桥切换控制环节3、触发脉冲控制环节4。
具体的控制方法是：初始启动变频电路前，先检测输入交流电的电压值和频率参数，同时设置期望输出的交流电压幅值和频率。完成初始化后，在电压波形数据虚拟环节1中，根据输入交流电频率fs_i与输出交流电频率fs_o的比例关系设置触发脉冲的时间间隔，使得一个输出半波内，整流桥完成fs_i/fs_o整数倍次整流输出，并由处理器编程产生期望输出频率的预期正弦电压信号。接着进入脉冲面积等效算法环节2，根据输出电压的预期电压值，在输入交流电的每一个周期里，通过脉冲面积等效原理，计算出待更新的控制触发角值，使得本周期整流桥的平均输出电压具有反应当前时刻期望的电压幅值。同时，在P组或N组整流桥切换控制环节3中，实时检测输出电感电流波形，根据预期电压数据和输出电感电流的变化给定P组或N组整流桥的保持当前状态或者切换命令。基于脉冲面积等效算法环节2输出的控制触发角值，和P组或N组整流桥切换控制环节3给定的整流组是否切换命令，触发脉冲控制环节4设置相关的触发电路控制晶闸管整流桥在输入交流电的每一个周期里依次工作，从而跟踪预期的正弦输出电压波形。
图4所示是matlab仿真单相交交直接变频电路的输入电压波形，以幅值600V，频率1000Hz，初始相位0°的高频交流电作输入，用matlab中的simulink模块搭建仿真模型。
图5所示是matlab仿真单相交交直接变频电路触发脉冲波形图，是通过正组整流器后的输出波形，以幅值600V，频率1000Hz，初始相位0°的高频交流电作输入，用matlab中的simulink模块搭建仿真模型。
图6所示是matlab仿真单相交交直接变频电路的输出电压波形，以幅值600V，频率1000Hz，初始相位0°的高频交流电作输入，单相交流电输出，输出电压的幅值为290V，频率为50Hz，初始相角为0°，用matlab中的simulink模块搭建仿真模型。
以上仅是本发明的较佳实施例，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路，其特征在于，该电路采用单相输入交流电和单相输出交流电的配置，包括输入电源模块(1)、双向功率传输模块(2)、控制单元(3)、滤波模块(4)和负载模块(5)，所述输入电源模块(1)为电路的高频单相交流输入电源，所述双向功率传输模块(2)由P组单相正向整流桥和N组单相反向整流桥反并联构成，所述P组单相正向整流桥包括晶闸管VTP1、晶闸管VTP2、晶闸管VTP3、晶闸管VTP4，所述晶闸管VTP1的阴极与晶闸管VTP2的阴极连接作为整流输出正极，晶闸管VTP3的阳极与晶闸管VTP4的阳极连接作为整流输出负极，晶闸管VTP1的阳极与晶闸管VTP3的阴极连接作为单相输入交流电的一端口，晶闸管VTP2的阳极与晶闸管VTP4的阴极连接并作为单相输入交流电的另一端口；所述N组单相反向整流桥包括晶闸管VTN1、晶闸管VTN2、晶闸管VTN3、晶闸管VTN4，所述晶闸管VTN1的阴极与晶闸管VTN2的阴极连接作为整流输出负极，晶闸管VTN3的阳极与晶闸管VTN4的阳极连接作为整流输出正极，晶闸管VTN1的阳极与晶闸管VTN3的阴极连接作为单相输入交流电的一端口，晶闸管VTN2的阳极与晶闸管VTN4的阴极连接作为单相输入交流电的另一端口；
所述控制单元(3)由处理器的基本运行电路作为控制核心，外围的检测电路作为参数检测反馈接口，控制单元(3)产生的输出信号驱动晶闸管，所述滤波模块(4)包括滤波电感(L)和滤波电容(C)，所述滤波电感(L)一端连接整流输出正极，滤波电感(L)另一端与滤波电容(C)的正极相连接，滤波电容(C)的负极连接整流输出负极，同时滤波电容(C)与负载并联；
所述控制单元(3)在电路通电初始化时刻，设置输出交流电的频率fs_o，然后控制单元(3)根据设置的输出交流电频率参数在处理器中构造期望频率为fs_o的输出正弦电压信号；控制单元(3)根据所述构造的期望频率为fs_o的输出正弦电压信号，结合输出负载电流的变化，控制在任何时候只让所述的P组单相正向整流桥和N组单相反向整流桥两者中的一组整流桥工作，使P组单相正向整流桥和N组单相反向整流桥按照设置的输出频率fs_o参数交替工作，则负载模块(5)就得到了交替频率为fs_o的交流电；
在负载输出交流电正负各自半周期时间段内，为了实现对正弦波形的跟踪，在输入的高频单相交流电的每一个周期里的控制方法如下：根据检测到的输入电压幅值ui和输入电压频率fs_i，使用脉冲等效原理更新晶闸管触发角值，即：按照输入电压频率fs_i与负载频率fs_o的整数倍比K，K为正的自然数，将负载输出交流电正负各自半周期细分为K个预期输出电压瞬时值点，然后在每一个输入高频周期1/fs_i里，求解细分间隔的脉冲面积，并计算等于该面积的整流输出电压值，确定晶闸管触发角。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路，其特征在于，所述控制单元(3)用以控制双向功率传输模块(2)的整流桥按照期望得到波形的频率进行开断，使得能量从输入电源模块(1)流向滤波模块(4)，经滤波后再流入负载模块(5)，或者从负载流向输入电源模块(1)，使得负载波形完成对期望的输出交流电的等效拟合。
3.根据权利要求2所述基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路，其特征在于，所述输入电压频率fs_i与输出交流电的频率fs_o的整数倍比K大于等于5。
4.根据权利要求2或3所述基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路，其特征在于，所述的脉冲等效原理，即晶闸管触发脉冲控制规律，对单相和多相晶闸管直接交交变频电路都起到有效作用。
5.一种基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路控制方法，其特征在于，该电路采用单相输入交流电和单相输出交流电的配置，包括输入电源模块(1)、双向功率传输模块(2)、控制单元(3)、滤波模块(4)和负载模块(5)，所述输入电源模块(1)为电路的高频单相交流输入电源，所述双向功率传输模块(2)由P组单相正向整流桥和N组单相反向整流桥反并联构成，所述P组单相正向整流桥包括晶闸管VTP1、晶闸管VTP2、晶闸管VTP3、晶闸管VTP4，所述晶闸管VTP1的阴极与晶闸管VTP2的阴极连接作为整流输出正极，晶闸管VTP3的阳极与晶闸管VTP4的阳极连接作为整流输出负极，晶闸管VTP1的阳极与晶闸管VTP3的阴极连接作为单相输入交流电的一端口，晶闸管VTP2的阳极与晶闸管VTP4的阴极连接并作为单相输入交流电的另一端口；所述N组单相反向整流桥包括晶闸管VTN1、晶闸管VTN2、晶闸管VTN3、晶闸管VTN4，所述晶闸管VTN1的阴极与晶闸管VTN2的阴极连接作为整流输出负极，晶闸管VTN3的阳极与晶闸管VTN4的阳极连接作为整流输出正极，晶闸管VTN1的阳极与晶闸管VTN3的阴极连接作为单相输入交流电的一端口，晶闸管VTN2的阳极与晶闸管VTN4的阴极连接作为单相输入交流电的另一端口；
所述控制单元(3)由处理器的基本运行电路作为控制核心，外围的检测电路作为参数检测反馈接口，控制单元(3)产生的输出信号驱动晶闸管，所述滤波模块(4)包括滤波电感(L)和滤波电容(C)，所述滤波电感(L)一端连接整流输出正极，滤波电感(L)另一端与滤波电容(C)的正极相连接，滤波电容(C)的负极连接整流输出负极，同时滤波电容(C)与负载并联；该方法包括：控制单元(3)控制双向功率传输模块(2)的整流桥按照期望得到波形的频率进行开断，使得能量从输入电源模块(1)流向滤波模块(4)，经滤波后再流入负载模块(5)，或者从负载流向输入电源模块(1)，使得负载波形完成对期望的输出交流电的等效拟合；
所述控制单元(3)在电路通电初始化时刻，设置输出交流电的频率fs_o，然后控制单元(3)根据设置的输出交流电频率参数在处理器中构造期望频率为fs_o的输出正弦电压信号；控制单元(3)根据所述构造的期望频率为fs_o的输出正弦电压信号，结合输出负载电流的变化，控制在任何时候只让所述的P组单相正向整流桥和N组单相反向整流桥两者中的一组整流桥工作，使P组单相正向整流桥和N组单相反向整流桥按照设置的输出频率fs_o参数交替工作，则负载模块(5)就得到了交替频率为fs_o的交流电；
在负载输出交流电正负各自半周期时间段内，为了实现对正弦波形的跟踪，在输入的高频单相交流电的每一个周期里的控制方法如下：根据检测到的输入电压幅值ui和输入电压频率fs_i，使用脉冲等效原理更新晶闸管触发角值，即：按照输入电压频率fs_i与负载频率fs_o的整数倍比K，K为正的自然数，将负载输出交流电正负各自半周期细分为K个预期输出电压瞬时值点，然后在每一个输入高频周期1/fs_i里，求解细分间隔的脉冲面积，并计算等于该面积的整流输出电压值，确定晶闸管触发角。
6.根据权利要求5所述基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路控制方法，其特征在于，所述输入电压频率fs_i与负载频率fs_o的整数倍比K大于等于5。
7.根据权利要求5或6所述基于脉冲等效法的单相直接交交变频电路控制方法，其特征在于，所述的脉冲等效原理，即晶闸管触发脉冲控制规律，对单相和多相晶闸管直接交交变频电路都起到有效作用。
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