CN108418422A - 兼容单相、三相输入的供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼容单相、三相输入的供电系统。该供电系统包括输入电路、升降压电路、第一控制电路和输出电路;输入电路用于对交流电源输入的交流电进行整流滤波以产生第一直流电;升降压电路用于根据第一控制信号和第二控制信号对第一直流电进行升压、降压或升降压处理以产生第二直流电;第一控制电路用于根据交流电和第二直流电产生第一控制信号和第二控制信号;输出电路用于根据第二直流电产生不同电压值的多路负载直流电。通过上述方式,本发明的供电系统不需要使用三相变压器即可得到不同电压值的多路负载直流电,体积重量变轻、结构相对简单;与此同时,本发明的供电系统利用输入电路对交流电进行整流滤波,可以同时兼容单相、三相交流电输入,使用范围更广。

Description

兼容单相、三相输入的供电系统
技术领域
本发明涉及电学领域,特别是涉及一种兼容单相、三相输入的供电系统。
背景技术
工矿企业的供电通常为三相380V交流电,而企业内部大多数用电设备的供电多为单相220V交流电,因此需要利用三相交流变压器将三相380V交流电转换为三相220V交流电,然后将不同的用电设备接在各相220V交流电上。
如图1所示,以袜机系统为例,系统输入为三相380V交流电,三根输入线U~、V~、W~两两之间线电压有效值为380V,此电压经过三相380V/220V变压器后变换为a、b、c相220V交流电。每一相220V交流电分别接不同的负载,a相电压经油泵控制器给交流油泵供电;b相接两个AC/DC电源,其中输出为+200V的AC/DC电源为陶瓷选针器供电,其中多路输出的AC/DC电源分别为操作面板、气阀板和选针器供电;c相经伺服控制器后驱动伺服电机。图中的三相380V/220V变压器、AC/DC电源、AC/DC多路输出电源和伺服控制器构成整个袜机的供电系统。
现有技术提供的供电系统具有如下的缺点:
1、结构复杂,需要多个AC/DC电源,三相380V/220V变压器,从而使得供电系统的体积重量变大。
2.当输入三相交流电缺相时,整个供电系统无法正常工作。
3.三相交流电的每一相都接不同的负载,其中b相和c相的负载较重,a相负载较轻,因此三相变压器长期工作于负载不平衡状态,进而使得三相电网也工作于负载不平衡状态。
4.不能兼容单相220V交流电供电。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种兼容单相、三相输入的供电系统,结构简单并且能够兼容单相、三相交流电输入。
为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:提供一种兼容单相、三相输入的供电系统,包括输入电路、升降压电路、第一控制电路和输出电路;输入电路耦接于交流电源,用于对交流电源输入的交流电进行整流滤波以产生第一直流电;升降压电路分别耦接于输入模块和第一控制电路,用于接收第一控制电路输出的第一控制信号和第二控制信号,并根据第一控制信号和第二控制信号对第一直流电进行升压、降压或升降压处理以产生第二直流电;第一控制电路耦接于升降压电路,用于接收交流电和第二直流电并根据交流电和第二直流电产生第一控制信号和第二控制信号;输出电路电路耦接于升降压电路,用于根据所述第二直流电产生不同电压值的多路负载直流电。
本发明的有益效果是:区别于现有技术的情况,本发明的兼容单相、三相输入的供电系统包括输入电路、升降压电路、第一控制电路和输出电路;输入电路用于对交流电源输入的交流电进行整流滤波以产生第一直流电;升降压电路用于接收第一控制信号和第二控制信号,并根据第一控制信号和第二控制信号对第一直流电进行升压、降压或升降压处理以产生第二直流电;第一控制电路用于接收交流电和第二直流电并根据交流电和第二直流电产生第一控制信号和第二控制信号;输出电路用于根据第二直流电进行处理以产生不同电压值的多路负载直流电。通过上述方式,本发明的供电系统不需要使用三相变压器即可得到不同电压值的多路负载直流电,体积重量变轻、结构相对简单;与此同时,本发明的供电系统利用输入电路对交流电进行整流滤波,可以同时兼容单相、三相交流电输入,使用更方便。
附图说明
图1是现有技术的供电系统系统的结构示意图;
图2是本发明实施例的兼容单相、三相输入的供电系统的结构示意图;
图3是380V三相交流电经输入电路整流滤波后的波形图;
图4是220V单相交流电经输入电路整流滤波后的波形图;
图5是图2所示的供电系统中升降压电路的结构示意图;
图6是图5所示的升降压电路中升降压单元的电路原理图;
图7是图2所示的供电系统中第一控制电路的第一实施例的结构示意图;
图8是图2所示的供电系统中第一控制电路的第二实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
图2是本发明实施例的兼容单相、三相输入的供电系统的结构示意图。如图2所示,供电系统1包括输入模块11、升降压电路12、第一控制电路13和输出电路14。
输入电路11耦接于交流电源,用于对交流电源输入的交流电U0进行整流滤波以产生第一直流电U1。其中,交流电源包括第一输入端U~、第二输入端V~、第三输入端W~。
在本实施例中,输入电路11至少包括滤波器和三相整流器,交流电源可以为三相交流电、单相交流电或缺相的三相交流电。其中,当交流电源为三相交流电或缺相的三相交流电时,三相交流电的三根火线分别与第一输入端U~、第二输入端V~和第三输入端W~连接。当交流电源为单相交流电时,单相交流电的火线和零线接入第一输入端U~、第二输入端V~、第三输入端W~中的任意两个输入端即可。
请一并参考图3和图4,图3是380V三相交流电经输入电路整流滤波后的波形图,图4是220V单相交流电经输入电路整流滤波后的波形图。其中,当交流电源为缺相的380V三相交流电时,经输入电路11整流滤波后的波形图与图4类似,仅仅是幅值不同而已。
升降压电路12分别耦接于输入模块11和第一控制电路13,用于接收第一控制电路13输出的第一控制信号S1和第二控制信号S2,并根据第一控制信号S1和第二控制信号S2对第一直流电U1进行升压、降压或升降压处理以产生第二直流电U2。
第一控制电路13耦接于升降压电路12,用于接收交流电U0和第二直流电U2并根据交流电U0和第二直流电U2产生第一控制信号S1和第二控制信号S2。
输出电路14耦接于升降压电路12,用于根据第二直流电U2产生不同电压值的多路负载直流电。
请一并参考图5,图5是图2所示的供电系统中升降压电路的结构示意图。如图5所示,升降压电路12包括相互并联的多个升降压单元121。每个升降压单元121的输入端分别与第一直流电U1的正极U1+、负极U1-连接,每个升降压单元121的输出端分别与第二直流电U2的正极U2+、负极U2-连接,其中,第一直流电U1的负极U1-与第二直流电U2的负极U2-连接。
其中,每个升降压单元121的内部电路结构是完全相同的。
其中,升降压单元121的数量由供电系统1需要提供的功率也即由供电系统1所在的系统实际工作时所需的总功率大小、以及升降压单元121可输出的功率大小决定。其中,升降压单元121可输出功率的大小由实际电路的空间布局、散热条件、元器件电流承受能力、元器件成本等决定。举例来说,如果每个升降压单元121的功率为1.5kW且总功率要求3kW,则升降压单元121的数量为2。如果每个升降压单元121的功率为1kW且总功率要求3kW,则升降压单元121的数量为3。在本实施例中,当供电系统1应用至袜机系统时,总功率为2kW,升降压单元121的数量为2。
请一并参考图6,图6是图5所示升降压电路中升降压单元的电路原理图。如图6所示,升降压单元121包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、电感L和电容C。
第一开关管Q1的栅极接收第一控制信号S1、漏极与第一直流电U1的正极U1+连接、源极分别与第一二极管D1的阴极和电感L的一端连接。
第二开关管Q2的栅极接收第二控制信号S2、漏极分别与电感L的另一端连接和第二二极管D2的阳极连接。
第一二极管D1的阳极、第二开关管Q2的源极、电容C的一端、第一直流电U1的负极U1-和第二直流电U2的负极U2-连接。
第二二极管D2的阴极、电容C的另一端和第二直流电U2的正极U2+连接。
请一并参考图7,图7是图2所示的供电系统中第一控制电路的第一实施例的结构示意图。如图7所示,第一控制电路13包括输入电压采样单元131、数字信号处理单元132、输出电压采样单元133和驱动单元134。
输入电压采样单元131耦接于交流电源的第一输入端U~、第二输入端V~、第三输入端W~、以及数字信号处理单元132,用于对交流电U0的电压进行采样后将采样后的交流电U0的瞬时电压值输出至数字信号处理单元132。
输出电压采样单元133耦接于升降压电路12和数字信号处理单元132,用于对升降压电路12输出的第二直流电U2进行采样后将采样后的第二直流电U2的电压值输出至数字信号处理单元132。
数字信号处理单元132用于比较采样后的交流电U0的瞬时电压值和第二直流电U2的电压值并根据比较结果控制驱动单元134输出第一控制信号S1和第二控制信号S2。
其中,当比较结果为在工频周期内交流电U0的瞬时电压值一直低于第二直流电U2的电压值时,设置第一控制信号S1以控制第一开关管Q1处于导通状态,设置第二控制信号S2以控制第二开关管Q2处于高频开关状态,以使升降压电路12对第一直流电U1进行升压处理后产生第二直流电U2,也即升降压电路12工作在第一工作模式。
其中,当比较结果为在工频周期内交流电U0的瞬时电压值有超过第二直流电U2的电压值时,设置第一控制信号S1、第二控制信号S2以控制第一开关管Q1、第二开关管Q2处于高频开关状态,以使升降压电路12对第一直流电U1进行升降压处理后产生第二直流电U2,也即升降压电路12工作在第二工作模式。其中,在第二工作模式,第一开关管Q1、第二开关管Q2同时开通同时关断,也就是说,第一控制信号S1、第二控制信号S2输出的控制信号是完全相同的。
其中,当比较结果为在工频周期内交流电U0的瞬时电压值一直超过第二直流电U2的电压值时,设置第一控制信号S1以控制第一开关管Q1处于高频开关状态,设置第二控制信号S2以控制第二开关管Q2处于截止状态,以使升降压电路12对第一直流电U1进行降压处理后产生第二直流电U2,也即升降压电路12工作在第三工作模式。
在本实施例中,优选地,当第一控制信号S1为脉冲信号也即第一开关管Q1处于高频开关状态时,相互并联的多个升降压单元121中的多个第一控制信号S1可以设置为占空比相同、相位错开固定时长;和/或当第二控制信号S2为脉冲信号也即第二开关管Q2处于高频开关状态时,相互并联的多个升降压单元121中的多个第二控制信号S2可以设置为占空比相同、相位错开固定时长,从而降低第二直流电U2的输出电流的波动值。换个角度来说,将多个第一控制信号S1和/或多个第二控制信号S2中的部分信号的相位错开,可以达到降低第二直流电U2输出电流波动的技术效果。
在本实施例中,工频为市电的频率,工频周期为工频的倒数。举例来说,中国的市电的频率是50Hz,因此工频周期就是0.02秒。
在本实施例中,当供电系统1应用至袜机系统时,第二直流电U2的电压值优选为400V。
本领域的技术人员可以理解,对于本发明中的升降压电路12,通常的控制方法为:交流电U0的瞬时电压值大于第二直流电U2的电压值时,升降压电路12工作于降压模式;交流电U0的瞬时电压值小于第二直流电U2的电压值时,升降压电路12工作于升压模式。而本发明不采用通常的控制方法的原因是:当交流电U0的瞬时电压值与第二直流电U2的电压值接近时,由于输入电压采样单元131和输出电压采样单元133的采样误差,第一控制电路13无法准确判断升降压电路12应该工作于升压模式还是降压模式,由此会导致输入电流震荡,此电流震荡会产生人耳可听见的噪声。
另外,本发明在实际应用的过程中,为了简化控制,一般仅设置升降压电路12工作在第一工作模式也即升压模式或第二工作模式也即升降压模式。
请继续参考图2,输出电路14包括伺服控制电路141、多路隔离输出电路142和第二控制电路143。
伺服控制电路141用于接收第二直流电U2并根据第二直流电U2产生驱动伺服电机(未图示)的三相驱动电压u、v、w。多路隔离输出电路142用于接收第二控制电路143输出的多个第三控制信号S3,并根据多个第三控制信号S3对第二直流电U2进行处理以输出多个不同电压值的负载直流电。第二控制电路143用于根据多个不同电压值的负载直流电的需求产生多个第三控制信号S3。
在本实施例中,多路隔离输出电路142可以为有多个输出绕组的LLC谐振变换器、也可以为有多个输出绕组的正激变换器。在本实施例中,当供电系统1应用至袜机系统时,多个不同电压值的负载直流电包括+5V、+24V、-24V、+200V的负载直流电。
在本实施例中,优选地,第一控制电路13进一步与第二控制电路143和伺服控制电路141耦接,第一控制电路13还用于当交流电源出现掉电或欠压时,通知第二控制电路143关闭多路隔离输出电路142的输出、以及通知伺服控制电路141关闭输出以使伺服电机停止工作,从而提高供电系统1工作的安全性。
图8是图2所示的供电系统中第一控制电路的第二实施例的结构示意图。图8所示的第一控制电路13和图7所示的第一控制电路13的区别在于:第一控制电路13’进一步包括输入电流采样单元135和输出电流采样单元136。
输入电流采样单元135耦接于交流电源的第一输入端U~、第二输入端V~、第三输入端W~、以及数字信号处理单元132,用于对交流电U0的电流进行采样后将采样后的交流电U0的电流值输出至数字信号处理单元132。
输出电流采样单元136耦接于升降压电路12和数字信号处理单元132,用于对升降压电路12输出的第二直流电U2的电流进行采样后将采样后的第二直流电U2的电流值输出至数字信号处理单元132。
数字信号处理单元132用于根据采样后的交流电U0的电流值和第二直流电U2的电流值判断第二直流电U2是否过流。具体来说,数字信号处理单元132根据采样后的交流电U0的电流值确定过流阈值,当第二直流电U2的电流值大于过流阈值时,则判定第二直流电U2过流。此时,数字信号处理单元132通过控制驱动单元134输出第一控制信号S1和第二控制信号S2以控制第一开关管Q1、第二开关管Q2处于截止状态,从而停止输出第二直流电U2。
优选地,为了保证升降压电路12能正常工作,还可以在每个升降压单元121上设置温度传感器(未图示),利用温度传感器实时获取每个升降压单元121的温度,并将温度传送给数字信号处理单元132,由数字信号处理单元132根据每个升降压单元121的温度来决定升降压电路12的工作状态如开始工作、停止工作等。
本发明的有益效果是:区别于现有技术的情况,本发明的兼容单相、三相输入的供电系统包括输入电路、升降压电路、第一控制电路和输出电路;输入电路用于对交流电源输入的交流电进行整流滤波以产生第一直流电;升降压电路用于接收第一控制信号和第二控制信号,并根据第一控制信号和第二控制信号对第一直流电进行升压、降压或升降压处理以产生第二直流电;第一控制电路用于接收交流电和第二直流电并根据交流电和第二直流电产生第一控制信号和第二控制信号;输出电路用于根据第二直流电产生不同电压值的多路负载直流电。通过上述方式,本发明的供电系统不需要使用三相变压器即可得到不同电压值的多路负载直流电,体积重量变轻、结构相对简单;与此同时,本发明的供电系统利用输入电路对交流电进行整流滤波,可以同时兼容单相、三相交流电输入,使用范围更广;另外,本发明的供电系统在使用三相供电系统时,可以自动实现三相负载平衡。
以上所述仅为本发明的实施方式,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种兼容单相、三相输入的供电系统,其特征在于,包括输入电路、升降压电路、第一控制电路和输出电路;
所述输入电路耦接于交流电源,用于对所述交流电源输入的交流电进行整流滤波以产生第一直流电;
所述升降压电路分别耦接于所述输入模块和所述第一控制电路,用于接收所述第一控制电路输出的第一控制信号和第二控制信号,并根据所述第一控制信号和所述第二控制信号对所述第一直流电进行升压、降压或升降压处理以产生第二直流电;
所述第一控制电路耦接于所述升降压电路,用于接收所述交流电和所述第二直流电并根据所述交流电和所述第二直流电产生所述第一控制信号和所述第二控制信号;
所述输出电路耦接于所述升降压电路,用于根据所述第二直流电产生不同电压值的多路负载直流电。
2.根据权利要求1所述的供电系统,其特征在于,所述升降压电路包括相互并联的多个升降压单元。
3.根据权利要求2所述的供电系统,其特征在于,所述升降压单元包括:第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、电感和电容;
所述第一开关管的栅极接收所述第一控制信号、漏极与所述第一直流电的正极连接、源极分别与所述第一二极管的阴极和所述电感的一端连接;
所述第二开关管的栅极接收所述第二控制信号、漏极分别与所述电感的另一端和所述第二二极管的阳极连接;
所述第一二极管的阳极、所述第二开关管的源极、所述电容的一端、所述第一直流电的负极和所述第二直流电的负极连接;
所述第二二极管的阴极、所述电容的另一端和所述第二直流电的正极连接。
4.根据权利要求3所述的供电系统,其特征在于,所述第一控制电路包括输入电压采样单元、数字信号处理单元、输出电压采样单元和驱动单元;
所述输入电压采样单元用于对所述交流电的电压进行采样;
所述输出电压采样单元用于对所述第二直流电的电压进行采样;
所述数字信号处理单元用于比较采样后的所述交流电的瞬时电压值和所述第二直流电的电压值并根据比较结果控制所述驱动单元输出所述第一控制信号和所述第二控制信号。
5.根据权利要求4所述的供电系统,其特征在于,当所述比较结果为在工频周期内所述交流电的瞬时电压值一直低于所述第二直流电的电压值时,设置所述第一控制信号以控制所述第一开关管处于导通状态,设置所述第二控制信号以控制所述第二开关管处于高频开关状态,以使所述升降压电路对所述第一直流电进行升压处理。
6.根据权利要求4所述的供电系统,其特征在于,当所述比较结果为在工频周期内所述交流电的瞬时电压值有超过所述第二直流电的电压值时,设置所述第一控制信号、第二控制信号以控制所述第一开关管、所述第二开关管处于高频开关状态,以使所述升降压电路对所述第一直流电进行升降压处理。
7.根据权利要求4所述的供电系统,其特征在于,当所述比较结果为在工频周期内所述交流电的瞬时电压值一直超过所述第二直流电的电压值时,设置所述第一控制信号以控制所述第一开关管处于高频开关状态,设置所述第二控制信号以控制所述第二开关管处于截止状态,以使所述升降压电路对所述第一直流电进行降压处理。
8.根据权利要求4所述的供电系统,其特征在于,所述第一控制电路进一步包括输入电流采样单元和输出电流采样单元;
所述输入电流采样单元用于对所述交流电的电流进行采样;
所述输出电流采样单元用于对所述第二直流电的电流进行采样;
所述数字信号处理单元用于根据采样后的所述交流电的电流值和所述第二直流电的电流值判断所述第二直流电是否过流。
9.根据权利要求3所述的供电系统,其特征在于,当所述第一控制信号为脉冲信号时,相互并联的多个所述升降压单元中的多个所述第一控制信号占空比相同、相位错开固定时长;当所述第二控制信号为脉冲信号时,相互并联的多个所述升降压单元中的多个所述第二控制信号占空比相同、相位错开固定时长。
10.根据权利要求1所述的供电系统,其特征在于,所述输出电路包括伺服控制电路、多路隔离输出电路和第二控制电路;
所述伺服控制电路用于接收所述第二直流电并根据所述第二直流电产生驱动伺服电机的三相驱动电压;
所述多路隔离输出电路用于接收所述第二控制电路输出的多个第三控制信号,并根据多个所述第三控制信号对所述第二直流电进行处理以输出多个不同电压值的所述负载直流电;
所述第二控制电路用于根据多个不同电压值的所述负载直流电的需求产生多个所述第三控制信号。
11.根据权利要求10所述的供电系统,其特征在于,所述第一控制电路还用于当所述交流电出现掉电或欠压时,通知所述第二控制电路关闭所述多路隔离输出电路、以及通知所述伺服控制电路关闭输出以使所述伺服电机停止工作。
12.根据权利要求1所述的供电系统,其特征在于,所述交流电源为三相交流电、单相交流电或缺相的三相交流电。
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