CN111030501B - 一种电容充电电源的控制方法及其控制装置 - Google Patents

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    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
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Abstract

本发明公开了一种电容充电电源的控制方法及其控制装置，包括S1、构建充电电源两级拓扑结构；S2、获取脉冲功率系统的运行数据和负载的数据；S3、选取适宜的母线电容器。本发明根据脉冲功率系统的重复频率运行状况，实时调整输入的电流，使得输入电流保持连续，减小对电网的冲击和输入的谐波，提高功率因数和系统效率。

Description

一种电容充电电源的控制方法及其控制装置
技术领域
本发明属于电容充电电源的技术领域，具体涉及一种电容充电电源的控制方法及其控制装置。
背景技术
脉冲功率系统中的电容充电电源工作在一定的重复频率条件下，导致电容充电电源间歇性工作，造成电网输入电流的不连续，输入谐波大，对电网造成较大的冲击。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种电容充电电源的控制方法及其控制装置，以解决或改善上述的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种电容充电电源的控制方法及其控制装置，其包括：
S1、构建充电电源两级拓扑结构；
S2、获取脉冲功率系统的运行数据和负载的数据；
S3、选取适宜的母线电容器。
优选地，步骤S1中电容充电电源两级拓扑结构包括第一级PFC和第二级DC-DC。
优选地，步骤S2中获取脉冲功率系统的运行数据和负载的数据包括：
重复工作周期为T：
Figure BDA0002354353120000011
每个周期DC-DC的工作时间为为T1，停止工作时间为T2：
T＝T1+T2
T1由DC-DC输出电流I0，最高输出电压Umax和负载电容器CL确定：
Figure BDA0002354353120000021
工作占空比D为：
Figure BDA0002354353120000022
输出平均功率
Figure BDA0002354353120000023
为：
Figure BDA0002354353120000024
DC-DC工作效率为η1，DC-DC输入的平均功率为：
Figure BDA0002354353120000025
根据能量守恒定律，PFC的输入能量等于DC-DC模块的输入能量，假定PFC的工作效率为η2，则PFC的输入功率为：
Figure BDA0002354353120000026
PFC输入有效电流为：
Figure BDA0002354353120000027
其中，PF为输入功率因数，Us为三相输入线电压，A为常数，当输入为单相时，A＝1，当输入为三相时，
Figure BDA0002354353120000028
并将计算得到电流有效值作为PFC电流环的基准值。
优选地，步骤S3选取适宜的母线电容器：
Figure BDA0002354353120000029
其中t∈[0T]，Ut1为工作期间内负载电容器上的实时电压，t1∈[0T1]，CBUS为母线电容器的大小，为UBUS为母线电容器上的实时电压，UNOR为母线基准电压，即后级DC-DC不工作时的稳压值的要求UBUS为0.8～1.2UNOR。
一种电容充电电源的控制装置，包括电容充电电源两级拓扑结构，电容充电电源两级拓扑结构包括第一级PFC和第二级DC-DC；第一级PFC和第二级DC-DC中间采用直流母线连接。
优选地，PFC模块工作在恒流限压模式，由电压外环和电流内环组成，电压外环在限压条件下作用，电流内环电流基准值由脉冲功率系统的运行数据计算得到。
优选地，DC-DC模块通过脉冲信号使能工作，在工作时间内实时采集负载电容器上电压，当电压等于设置电压时，关闭DC-DC模块输出驱动信号，DC-DC模块停止工作，等待下一个周期有效信号。
本发明提供的电容充电电源的控制方法及其控制装置，具有以下有益效果：
本发明根据脉冲功率系统的重复频率运行状况，实时调整输入的电流，使得输入电流保持连续，减小对电网的冲击和输入的谐波，提高功率因数和系统效率。以解决脉冲功率系统中的电容充电电源工作在一定的重复频率条件下，导致电容充电电源间歇性工作，造成电网输入电流的不连续，输入谐波大，对电网造成较大冲击的问题。
附图说明
图1为电容充电电源的控制方法及其控制装置的整体框图。
图2为电容充电电源的控制方法及其控制装置的DC-DC模块基本工作模式。
图3为电容充电电源的控制方法及其控制装置的PFC模块基本工作模式。
图4为电容充电电源的控制方法及其控制装置的实施例拓扑结构图。
图5为电容充电电源的控制方法及其控制装置的三相输入电压和电流波形。
图6为电容充电电源的控制方法及其控制装置的母线电压。
图7为电容充电电源的控制方法及其控制装置的输出电压和电流。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的电容充电电源的控制方法，包括：
S1、构建充电电源两级拓扑结构；
S2、获取脉冲功率系统的运行数据和负载的数据；
S3、选取适宜的母线电容器。
以下将对上述步骤进行详细说明
步骤S1、参考图1，电容充电电源采用两级拓扑结构，第一级为PFC，可以为单相PFC也可以为三相PFC，PFC的拓扑结构可以多样形式，第二级为DC-DC，DC-DC的拓扑结构可以多样，中间采用直流母线连接。
步骤S2、获取脉冲功率系统的运行数据和负载的数据，其具体步骤包括：
脉冲功率系统运行数据包括充电电压U0，重复频率f和工作占空比，负载数据为负载电容器的电容量CL。
重复工作周期为：
Figure BDA0002354353120000041
每个周期DC-DC工作时间为为T1，停止工+作时间为T2。
T＝T1+T2
T1由DC-DC输出电流I0，最高输出电压Umax和负载电容器确定：
Figure BDA0002354353120000051
工作占空比为：
Figure BDA0002354353120000052
输出平均功率为：
Figure BDA0002354353120000053
DC-DC工作效率为η1，DC-DC输入的平均功率为：
Figure BDA0002354353120000054
根据能量守恒定律，PFC的输入能量等于DC-DC模块的输入能量，假定PFC的工作效率为η2，则PFC的输入功率为：
Figure BDA0002354353120000055
PFC输入有效电流为：
Figure BDA0002354353120000056
其中PF为输入功率因数，Us为三相输入线电压，A为常数，当输入为单相时，A＝1，当输入为三相时，
Figure BDA0002354353120000057
将计算得到电流有效值作为PFC电流环的基准值。
步骤S3、选取适宜的母线电容器；
工作在步骤S1和S2模式条件，会造成直流母线电压的波动，需要选取合适的母线电容器，使其波动在一定范围内。
因此可得：
Figure BDA0002354353120000061
其中t∈[0T]，Ut1为工作期间内负载电容器上的实时电压，t1∈[0T1]，CBUS为母线电容器的大小，为UBUS为母线电容器上的实时电压，UNOR为母线基准电压，即后级DC-DC不工作时的稳压值的要求UBUS为0.8～1.2UNOR。
根据本申请的一个实施例，一种电容充电电源的控制装置，包括电容充电电源两级拓扑结构，电容充电电源两级拓扑结构包括第一级PFC和第二级DC-DC；第一级PFC和第二级DC-DC中间采用直流母线连接。
参考图2，DC-DC模块通过脉冲信号使能工作，在工作时间内实时采集负载电容器上电压，当电压等于设置电压时，关闭DC-DC模块输出驱动信号，DC-DC模块停止工作，等待下一个周期有效信号。
参考图3，PFC模块工作在恒流限压模式，由电压外环和电流内环组成，电压外环在限压条件下作用，电流内环电流基准值由脉冲功率系统的运行数据计算得到。
根据本申请的一个实施例，参考图4，PFC模块为三相PWM整流器，输入为380Vac，50Hz。DC-DC模块采用LCC谐振技术，输出为6kV，输出电流为11A，负载电容器位30μF。
拓扑结构如图4所示。建立模型进行仿真，仿真条件为工作重复频率为100Hz，工作10个脉冲。
根据步骤S2公式计算得出，输出平均功率为54kW。
LCC DC-DC充电模块的效率为96％，DC-DC输入功率为56.25kW；PFC模块的效率为97％，则PFC的输入功率为57.98kW；输入功率因数为0.98，则输入电流为90A，作为PFC模块的基准值。
输入电压和电流波形如图5所示，输入电流为正弦，很好跟随电压，功率因数为0.99，输入电流有效值为89A，THDi为12％。
母线电压如图6所示，电压波动范围为832V-863V，电压趋于稳定，说明计算的电流基准值符合预期。
输出电压和电流如图7所示，输出电压和电流工作在脉冲状态，电压从0线性上升到6kV，电流峰值为25A，平均值为11.2A，然后保持，此时电流停止输出，到10ms时放电，电压回到0，准备下一个周期。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种电容充电电源的控制方法，其特征在于，包括：
S1、构建充电电源两级拓扑结构；
S2、获取脉冲功率系统的运行数据和负载的数据，包括：
重复工作周期为T：
Figure FDA0003169534120000011
每个周期DC-DC的工作时间为为T1，停止工作时间为T2：
T＝T1+T2
T1由DC-DC输出电流I0，最高输出电压Umax和负载电容器CL确定：
Figure FDA0003169534120000012
工作占空比D为：
Figure FDA0003169534120000013
输出平均功率
Figure FDA0003169534120000014
为：
Figure FDA0003169534120000015
DC-DC工作效率为η1，DC-DC输入的平均功率为：
Figure FDA0003169534120000016
根据能量守恒定律，PFC的输入能量等于DC-DC模块的输入能量，假定PFC的工作效率为η2，则PFC的输入功率为：
Figure FDA0003169534120000017
PFC输入有效电流为：
Figure FDA0003169534120000018
其中，PF为输入功率因数，Us为三相输入线电压，A为常数，当输入为单相时，A＝1，当输入为三相时，
Figure FDA0003169534120000021
并将计算得到电流有效值作为PFC电流环的基准值；
S3、选取适宜的母线电容器。
2.根据权利要求1所述的电容充电电源的控制方法，其特征在于：所述步骤S1中电容充电电源两级拓扑结构包括第一级PFC和第二级DC-DC。
3.根据权利要求1所述的电容充电电源的控制方法，其特征在于：所述步骤S3选取的母线电容器为：
Figure FDA0003169534120000022
其中：t∈[0 T]，Ut1为工作期间内负载电容器上的实时电压，t1∈[0 T1]，CBUS为母线电容器的大小，为UBUS为母线电容器上的实时电压，UNOR为母线基准电压，即后级DC-DC不工作时的稳压值的要求UBUS为0.8～1.2UNOR。
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