CN108023488B - 一种正弦恒流调光装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种正弦恒流调光装置及其控制方法。本发明的正弦恒流调光装置包括：数字信号处理单元、驱动电路、输入滤波电路、不控整流电路、全桥逆变电路、输出滤波电路、隔离升压变压器。本发明的正弦恒流调光装置只需配置小容量缓冲吸收电容，结构紧凑，功率密度和电能变换效率高，工作稳定可靠，易于实现功率单元模块化。本发明相比传统的交‑直‑交两级变换拓扑的正弦恒流调光装置，中间电压为脉动的直流而非恒定的直流，省去了大容量直流母线电容，并且无需配置高频整流电路，大幅提升了设备功率密度和网侧电能质量。本发明相比交‑交单级变换拓扑的正弦恒流调光装置，具有自然的续流通道，提高了负载适应性和系统可靠性。

Description

一种正弦恒流调光装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子工程技术领域，具体涉及一种正弦恒流调光装置。
背景技术
目前，已有在照明灯具中内置低压小功率调光装置的分布式调光方案，该方案的问题在于灯具的工作电流难以做到完全一致，灯具间存在照度差异。此外，整个照明系统结构复杂，难以满足照明系统高可靠性的要求。据了解，民用航空领域已有较为成熟的助航灯光相控调光方案，该方案在升压变压器副边通过多个隔离变压器串联助航灯具回路，可确保流经每个灯具的电流完全一致。由于变压器的隔离作用，单个灯具的损坏并不会影响其他灯具的正常工作，保证了照明系统的高可靠性。该方案的主要问题在于，晶闸管相控斩波控制导致网侧功率因数低、谐波含量丰富、负载侧波峰系数高，严重影响电网供电品质和灯具使用寿命，供电电缆的有效绝缘强度也因此大打折扣。
随着全控型电力电子开关器件的大规模应用，近年来出现了采用交- 直-交主电路结构的正弦恒流调光装置，但直流环节大容量的电解电容，使得该方案的功率密度较低。此外，为了保证网侧电能质量，还需配置高频整流电路，大大增加了系统的复杂程度，系统可靠性大为降低。
交-交变换电路通过省去传统交-直-交间接变换电路的中间直流环节，大大提高了系统功率密度。然而，当前工业界现成的双向电力电子开关器件并不多见，一般需要采用多个开关器件组合，因此交-交直接变换电路的控制一般较为复杂。此外，由于缺乏自然的续流通道，交-交变换电路的负载适应性也不理想，影响了正弦恒流调光装置的实用化。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有交-直-交和交-交斩波正弦恒流调光方案功率密度较低和负载适应性不佳等问题，提供一种综合性能良好且易于实现的正弦恒流调光装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种正弦恒流调光装置，其包括数字信号处理单元、驱动电路、输入滤波电路、不控整流电路、缓冲吸收电路、全桥逆变电路、输出滤波电路、隔离升压变压器，其特征在于，
所述数字信号处理单元向所述驱动电路输出脉冲宽度恒定且具有倍频特性的脉冲信号序列；
所述驱动电路连接至全桥逆变电路，以驱动所述全桥逆变电路；
所述输入滤波电路的两个输入端分别连接在交流输入端的两个接线端上，所述输入滤波电路的两个输出端分别连接在不控整流电路的两个桥臂中点上；
所述不控整流电路的两个桥臂端点分别与直流缓冲电路的两个端点连接，进一步地，所述直流缓冲电路的两个端点分别与所述全桥逆变电路的两个桥臂端点连接；
所述全桥逆变电路的两个桥臂中点分别与所述输出滤波器的两个输入端连接；
所述输出滤波电路的两个输出端分别与所述隔离升压变压器的两个输入端连接；
所述隔离升压变压器的输出端作为所述正弦恒流调光装置的输出，用以对照明灯具串联回路进行供电。
进一步地，所述输入滤波电路包括输入滤波电感和输入滤波电容；所述输出滤波电路包括输出滤波电感和输出滤波电容；所述直流缓冲电路包括缓冲吸收电容，所述缓冲吸收电容采用小容量薄膜电容，中间电压为脉动的直流而非恒定的直流。省去了传统交-直-交两级变换拓扑的大容量直流母线电容，并且无需配置高频整流电路即可确保网侧电能质量，大幅提升了设备功率密度，复杂程度也大为降低。
进一步地，所述不控整流电路包括第一功率二极管、第二功率二极管、第三功率二极管和第四功率二极管，所述第一功率二极管和第二功率二极管同向串联形成第一桥臂结构，所述第三功率二极管和第四功率二极管同向串联形成第二桥臂结构，所述输入滤波电路的第一输出端连接到所述第一桥臂结构的中点，所述输入滤波电路的第二输出端连接到所述第二桥臂结构的中点，所述第一桥臂结构和第二桥臂结构并联连接；
所述第一桥臂结构与所述第二桥臂结构还与所述缓冲吸收电路并联连接。
进一步地，所述全桥逆变电路包括第一绝缘门极双极型晶体管、第二绝缘门极双极型晶体管、第三绝缘门极双极型晶体管和第四绝缘门极双极型晶体管，所述第一绝缘门极双极型晶体管和第二绝缘门极双极型晶体管同向串联形成第三桥臂结构，所述第三绝缘门极双极型晶体管和第四绝缘门极双极型晶体管同向串联形成第四桥臂结构，所述第三桥臂结构的中点连接到输出滤波电路的第一输入端，所述第四桥臂结构的中点连接到输出滤波电路的第二输入端，所述第三桥臂结构和第四桥臂结构并联连接；
所述第三桥臂结构与所述第四桥臂结构还与所述缓冲吸收电路并联连接。
进一步地，所述数字信号处理单元连接至所述驱动电路，所述数字信号处理单元对所述输入滤波器输出端电压和所述隔离升压变压器输出端电流进行检测并生成工频方波调制信号，所述数字信号处理单元利用两个频率相同、相位正交的高频载波信号对所述工频方波调制信号进行倍频混叠，所述数字信号处理单元向所述驱动电路输出脉冲宽度恒定且具有倍频特性的脉冲序列，驱动所述全桥逆变电路。
另一方面本发明提供了一种用于上述的正弦恒流调光装置的控制方法，包括下列步骤：
步骤1、将所述隔离升压变压器期望输出的电流预设有效值Iref输入所述数字信号处理单元中的电流控制器；
步骤2、所述数字信号处理单元中的极性检测器对所述输入滤波电路中滤波电容两端电压uC1的极性进行检测，由此确定待输出调制波的极性；
步骤3、所述数字信号处理单元中的电流控制器对所述隔离升压变压器实际输出的正弦电流进行检测，根据所述隔离升压变压器的输出端实际电流的有效值Io与电流预设有效值Iref之间的偏差，计算出待输出调制波的幅值；
步骤4、所述数字信号处理单元中的调制波生成器根据待输出调制波的极性和幅值，生成工频方波调制信号；
步骤5、所述数字信号处理单元中的载波发生器生成两个频率相同、相位正交的高频载波信号，所述高频载波信号对所述工频方波调制信号进行倍频混叠，输出四个脉冲宽度恒定且具有倍频特性的脉冲信号序列；
步骤6、所述四个脉冲宽度恒定且具有倍频特性的脉冲信号序列依次输出到所述全桥逆变电路的第一至第四绝缘门极双极型晶体管的门极，驱动所述全桥逆变电路输出脉冲宽度恒定且脉冲幅值按正弦规律变化的功率脉冲；
步骤7、所述输出滤波器对所述功率脉冲进行低通滤波，得到工频正弦波电压；
步骤8、假设所述电流控制器闭环稳定，经过短暂的调节过程，所述电流控制器可实现所述隔离升压变压器的输出端实际电流的有效值Io对电流预设有效值Iref之间的无差跟踪，实现了高精度正弦恒流输出。
本发明的优点在于：
1、本发明能够实现高精度的正弦恒流输出，灯具照度一致性高。
2、本发明能够保证网侧电流谐波污染少，功率因数高，负载侧谐波含量低，波峰系数小。
3、本发明相比传统的交-直-交两级变换拓扑的正弦恒流调光装置，中间电压为脉动的直流而非恒定的直流，省去了大容量直流母线电容，并且无需配置高频整流电路，大幅提升了设备功率密度和网侧电能质量，系统可靠性高，经济实用。
4、本发明相比交-交单级变换拓扑的正弦恒流调光装置，具有自然的续流通道，提高了负载适应性和系统可靠性。
5、本发明所述不控整流电路可采用主流的单管或全桥型整流桥实现，所述全桥逆变电路可采用单管、半桥或全桥型全控器件实现，每个开关管两端仅承受脉动的直流电压，电压应力小，缓冲电路结构简单，系统简单易行。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的正弦恒流调光装置的主电路拓扑结构图。
图2为图1所示实施例中的正弦恒流调光装置的控制框图。
图3为图1所示实施例中的正弦恒流调光装置的全桥逆变电路驱动波形仿真图，自上而下的四张子图依次为全桥逆变电路中四个开关管 Q1～Q4的门极驱动电压波形。
图4为图1所示实施例中的正弦恒流调光装置控制效果仿真图，其中，自上而下的3张子图依次为：正弦恒流调光装置网侧输入电压波形 uin和输入电流波形iin，中间脉动直流电压波形udc，负载侧输出电压波形 uout和输出电流波形iout。
图5为图1所示实施例中的正弦恒流调光装置控制效果仿真图，其中，自上而下的2张子图依次为：正弦恒流调光装置网侧输入电流波形 iin谐波频谱图和负载侧输出电流iout谐波频谱图(上限频率均为50kHz)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地说明。
本发明的实施例中的额定功率为30kVA的机场助航灯光正弦恒流调光装置的主电路拓扑如图1所示。该电路包括数字信号处理单元、驱动电路、输入滤波电感L1、输入滤波电容C1、不控整流电路(该不控整流电路包括功率二极管D1～D4)、缓冲吸收电容C2、全桥逆变电路(该全桥逆变电路包括绝缘门极双极型晶体管Q1～Q4，开关频率均为10kHz)、输出滤波电感L2、输出滤波电容C3和隔离升压变压器T1。
如图1所示，输入端火线与输入滤波电感L1的一端连接，输入滤波电容C1的一端与输入端零线连接；输入滤波电感L1和输入滤波电容C1 的公共端和不控整流电路的第一桥臂中点连接，不控整流电路的第二桥臂中点与输入端零线连接；缓冲吸收电容C2、不控整流电路和全桥逆变电路并联；输出滤波电感L2和输出滤波电容C2的公共端和全桥逆变电路的第三桥臂中点连接，全桥逆变电路的第四桥臂中点与输出滤波电容 C2的另一端连接；输出滤波电容C2与隔离升压变压器T1并联。
下面结合图2描述采用正弦恒流调光装置进行控制的方法，如图2 所示，虚线框中部分为数字信号处理单元的组成部分，从图2中可以看出，数字信号处理单元包括：极性检测器1、电流控制器2、调制波生成器3、载波发生器4、脉冲倍频器5。图2中6代表驱动电路。
在控制方法开始时，首先将所述隔离升压变压器期望输出的正弦电流有效值Iref输入所述数字信号处理单元中的电流控制器2；然后，所述数字信号处理单元中的极性检测器1对所述输入滤波电路中的滤波电容的两端电压uC1的极性进行检测，确定待输出调制波的极性；接下来所述数字信号处理单元中的电流控制器2对所述隔离升压变压器实际输出的正弦电流进行检测，根据所述隔离升压变压器的输出端实际电流的有效值Io与电流预设有效值Iref之间的偏差，计算出待输出调制波的幅值；其后，所述数字信号处理单元中的调制波生成器3根据待输出调制波的极性和幅值，生成工频方波调制信号；再然后，所述数字信号处理单元中的载波发生器4生成两个频率相同、相位正交的高频载波信号，所述脉冲倍频器5对所述工频方波调制信号进行倍频混叠，输出四个脉冲宽度恒定且具有倍频特性的脉冲信号序列。图3示出了对全桥逆变电路的驱动波形，自上而下的四张子图依次为全桥逆变电路中四个开关管Q1～Q4 的门极驱动电压波形。
其后，所述四个脉冲宽度恒定且具有倍频特性的脉冲信号序列依次输出到所述全桥逆变电路的第一至第四绝缘门极双极型晶体管的门极，驱动所述全桥逆变电路输出脉冲宽度恒定且脉冲幅值按正弦规律变化的功率脉冲；最后，经过短暂的调节过程，所述电流控制器可实现所述隔离升压变压器的输出端实际电流的有效值Io对电流预设有效值Iref之间的无差跟踪，实现了高精度正弦恒流输出。
如图4-5所示，本发明利用Saber Simulator仿真软件建模，对本发明的正弦恒流调光装置进行验证。自上而下的五张子图依次为：正弦恒流调光装置网侧输入电压波形uin和输入电流波形iin，中间脉动直流电压波形udc，负载侧输出电压波形uout和输出电流波形iout，正弦恒流调光装置网侧输入电流波形iin谐波频谱图和负载侧输出电流iout谐波频谱图(上限频率均为50kHz)。由图4-5中可以看出，本发明的稳态输入电流和输出电流波形正弦度高，谐波含量低，通过闭环控制能够实现高品质的正弦恒流输出。此外，通过省去传统的交-直-交两级变换拓扑安装在直流母线两端的大容量电容器，配合不控整流电路，简化了系统结构和控制方式，提升了装置的功率密度和可靠性，易于实现功率单元模块化。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种正弦恒流调光装置，其特征在于，所述正弦恒流调光装置包括：数字信号处理单元、驱动电路、输入滤波电路、不控整流电路、缓冲吸收电路、全桥逆变电路、输出滤波电路、隔离升压变压器；
所述数字信号处理单元连接至所述驱动电路，所述数字信号处理单元对所述输入滤波电路输出端电压和所述隔离升压变压器输出端电流进行检测并生成工频方波调制信号，所述数字信号处理单元利用两个频率相同、相位正交的高频载波信号对所述工频方波调制信号进行倍频混叠，所述数字信号处理单元向所述驱动电路输出脉冲宽度恒定且具有倍频特性的脉冲序列，驱动所述全桥逆变电路；
所述输入滤波电路的两个输入端分别连接在交流输入端的两个接线端上，所述输入滤波电路的两个输出端分别连接在不控整流电路的两个桥臂中点上；
所述不控整流电路的两个桥臂端点分别与缓冲吸收电路的两个端点连接，所述缓冲吸收电路的两个端点分别与所述全桥逆变电路的两个桥臂端点连接；所述缓冲吸收电路包括缓冲吸收电容，所述缓冲吸收电容是小容量薄膜电容，缓冲吸收电容两端的中间电压为脉动的直流而非恒定的直流；
所述全桥逆变电路的两个桥臂中点分别与所述输出滤波电路的两个输入端连接；
所述输出滤波电路的两个输出端分别与所述隔离升压变压器的两个输入端连接；
所述隔离升压变压器的输出端作为所述正弦恒流调光装置的输出，用以对照明灯具串联回路进行供电。
2.根据权利要求1所述的正弦恒流调光装置，其特征在于，所述输入滤波电路包括输入滤波电感和输入滤波电容；所述输出滤波电路包括输出滤波电感和输出滤波电容。
3.根据权利要求2所述的正弦恒流调光装置，其特征在于，所述不控整流电路包括第一功率二极管、第二功率二极管、第三功率二极管和第四功率二极管，所述第一功率二极管和第二功率二极管同向串联形成第一桥臂结构，所述第三功率二极管和第四功率二极管同向串联形成第二桥臂结构，所述输入滤波电路的第一输出端连接到所述第一桥臂结构的中点，所述输入滤波电路的第二输出端连接到所述第二桥臂结构的中点，所述第一桥臂结构和第二桥臂结构并联连接；
所述第一桥臂结构与所述第二桥臂结构还与所述缓冲吸收电路并联连接。
4.根据权利要求3所述的正弦恒流调光装置，其特征在于，所述全桥逆变电路包括第一绝缘门极双极型晶体管、第二绝缘门极双极型晶体管、第三绝缘门极双极型晶体管和第四绝缘门极双极型晶体管，所述第一绝缘门极双极型晶体管和第二绝缘门极双极型晶体管同向串联形成第三桥臂结构，所述第三绝缘门极双极型晶体管和第四绝缘门极双极型晶体管同向串联形成第四桥臂结构，所述第三桥臂结构的中点连接到输出滤波电路的第一输入端，所述第四桥臂结构的中点连接到输出滤波电路的第二输入端，所述第三桥臂结构和第四桥臂结构并联连接；
所述第三桥臂结构与所述第四桥臂结构还与所述缓冲吸收电路并联连接。
5.一种用于权利要求4所述的正弦恒流调光装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
步骤1、将所述隔离升压变压器期望输出的电流预设有效值Iref输入所述数字信号处理单元中的电流控制器；
步骤2、所述数字信号处理单元中的极性检测器对所述输入滤波电路中滤波电容两端电压uC1的极性进行检测，由此确定待输出调制波的极性；
步骤3、所述数字信号处理单元中的电流控制器对所述隔离升压变压器实际输出的正弦电流进行检测，根据所述隔离升压变压器的输出端实际电流的有效值Io与电流预设有效值Iref之间的偏差，计算出待输出调制波的幅值；
步骤4、所述数字信号处理单元中的调制波生成器根据待输出调制波的极性和幅值，生成工频方波调制信号；
步骤5、所述数字信号处理单元中的载波发生器生成两个频率相同、相位正交的高频载波信号，脉冲倍频器对所述工频方波调制信号进行倍频混叠，输出四个脉冲宽度恒定且具有倍频特性的脉冲信号序列；
步骤6、所述四个脉冲宽度恒定且具有倍频特性的脉冲信号序列依次输出到所述全桥逆变电路的第一至第四绝缘门极双极型晶体管的门极，驱动所述全桥逆变电路输出脉冲宽度恒定且脉冲幅值按正弦规律变化的功率脉冲；
步骤7、所述输出滤波电路对所述功率脉冲进行低通滤波，得到工频正弦波电压；
步骤8、经过短暂的调节过程，所述电流控制器可实现所述隔离升压变压器的输出端实际电流的有效值Io对电流预设有效值Iref之间的无差跟踪，实现高精度正弦恒流输出。
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