CN112350292B - 一种反灌能量吸收电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反灌能量吸收电路及控制方法，解决现有反灌能量处理方式实用性较差的技术问题。电路包括：储能缓冲电路，用于形成直流母线上负载瞬时关断时的反灌能量缓冲，当负载恢复使能时将缓冲蓄能向负载反馈；能量泄放电路，用于受控使能平抑直流母线上反灌能量形成的电压波动；电压采样电路，用于实时采样直流母线的电压信号；泄放控制电路，用于根据电压信号的变化形成驱动信号使能能量泄放电路；尖峰平抑电路，用于平抑电路或负载在通断或使能过程中在直流母线上形成的尖峰脉冲。能量吸收和泄放相结合的方式，可以有效吸收感性负载产生的反灌能量，限制直流母线电压升高，保护电源和用电设备，配置灵活，通用性强，可靠性高。

Description

一种反灌能量吸收电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种反灌能量吸收电路及控制方法。

背景技术

现有技术中，当直流稳压电源输出通过直流母线直接电机等感性负载时，由于电机等感性负载在断电瞬间会产生很高的反向电动势形成反灌能量造成电源和直流母线上的其他用电设备损坏。通过设置反灌能量吸收电路限制直流母线电压目前有两种解决方式：一种是直接将大功率负载电阻连接到直流母线上，这种方法损耗大，效率低，散热处理难度大；另一种是直接将大容量电容连接到直流母线上，这种方式对电容容量要求较高，体积过大，另外大容量电容在启动时会对电源造成冲击等不良影响。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种反灌能量吸收电路及控制方法，解决现有反灌能量处理方式实用性较差的技术问题。

本发明实施例的反灌能量吸收电路，包括：

储能缓冲电路，用于形成直流母线上负载瞬时关断时的反灌能量缓冲，当所述负载恢复使能时将缓冲蓄能向所述负载反馈；

能量泄放电路，用于受控使能平抑所述直流母线上反灌能量形成的电压波动；

电压采样电路，用于实时采样所述直流母线的电压信号；

泄放控制电路，用于根据所述电压信号的变化形成驱动信号使能所述能量泄放电路；

尖峰平抑电路，用于平抑电路或负载在通断或使能过程中在所述直流母线上形成的尖峰脉冲。

本发明一实施例中，所述储能缓冲电路接近负载，包括电阻R2、电容C1和二极管VD2，电阻R2与电容C1串联，二极管VD2与电阻R2并联，二极管VD2的负极端与电阻R2的自由端连接所述直流母线，电容C1的自由端连接供电回路的接地端。

本发明一实施例中，所述能量泄放电路靠近直流稳压电源，包括受控泄放开关K1、续流二极管VD1和泄放电阻R1，受控泄放开关K1包括第一通断连接端、第二通断连接端和控制信号输入端，泄放电阻R1与续流二极管VD1并联，续流二极管VD1的正极端连接受控泄放开关K1的第一通断连接端，续流二极管VD1的负极端和泄放电阻R1的自由端分别连接直流母线，控泄放开关K1的第二通断连接端连接供电回路的接地端。

本发明一实施例中，所述受控泄放开关K1为继电器、接触器、MOS管、固态继电器中的一种。

本发明一实施例中，所述尖峰平抑电路位于电压采样电路与储能缓冲电路之间，包括：

第一平抑电路，用于形成快速泄放通路，吸收供电回路中时间为ps-ns级的尖峰脉冲；和/或

第二平抑电路，用于形成快速泄放通路，吸收时间为ns-us级的尖峰脉冲。

本发明一实施例中，所述第一平抑电路包括瞬态抑制二极管VD4，并联在供电回路中，所述第二平抑电路包括压敏电阻VR1，并联在供电回路中。

本发明一实施例中，还包括故障隔离电路，故障隔离电路包括故障隔离二极管VD3和电阻R3，故障隔离二极管VD3串联在直流稳压电源输出端与直流母线间，故障隔离二极管VD3的负极端连接所述直流母线。

本发明一实施例中，所述泄放控制电路包括处理单元、驱动电路，处理单元的信号输出端连接驱动电路的信号输入端，驱动电路的信号输出端连接受控泄放开关K1的控制信号输入端输出功率信号，处理单元包括具有模数转换功能的数据输入端连接电压采样电路的信号输出端。

本发明一实施例中，利用上述的反灌能量吸收电路，包括：

实时采集直流母线上的电压信号形成实时电压数据；

将实时电压数据与第一电压阈值比较，当大于第一电压阈值时，形成使能数据驱动驱动电路输出驱动信号将能量泄放电路导通，利用泄放电阻消耗反灌能量；

当实时电压数据与第一电压阈值比较小于第一电压阈值时但大于第二电压阈值时，重复使能数据驱动驱动电路输出驱动信号保持能量泄放电路导通，利用泄放电阻持续消耗反灌能量；

当实时电压数据与第二电压阈值比较，当小于第二电压阈值时，形成关断数据驱动驱动电路输出驱动信号将能量泄放电路断开保持直流母线电压稳定。

本发明一实施例中，还包括：

比较实时电压数据间是否存在确定的趋于第一电压阈值的上升趋势，如存在则根据第一预置PID数据设置使能数据输出频率；

比较实时电压数据间是否存在确定的趋于第二电压阈值的下降趋势，如存在则根据第二预置PID数据设置使能数据输出频率。

本发明实施例的反灌能量吸收电路及控制方法针对反灌能量对直流母线上其他负载和电源本身的影响和干扰形成反灌能量平抑过程中不同等级的平抑措施，消除反灌能量和平抑电路动作对直流母线上电流和电压稳定性的不利影响，避免对直流母线上连接的其他负载造成破坏。采用能量吸收和泄放相结合的方式，可以有效吸收感性负载产生的反灌能量，限制直流母线电压升高，保护电源和用电设备，配置灵活，通用性强，可靠性高。

附图说明

图1所示为本发明一实施例反灌能量吸收电路的架构示意图。

图2所示为本发明一实施例反灌能量吸收电路的结构示意图。

图3所示为本发明一实施例反灌能量吸收电路控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明一实施例的反灌能量吸收电路如图1所示。在图1中，本实施例包括：

储能缓冲电路，用于形成直流母线上负载瞬时关断时的反灌能量缓冲，当负载恢复使能时将缓冲蓄能向负载反馈。

本领域技术人员可以理解，反灌能量往往由于负载意外关断或闪断或因故障等因素失控运行导致。反灌能量的合理处理可以有效降低供电系统内的热量变化和信号干扰。

能量泄放电路，用于受控使能平抑直流母线上反灌能量形成的电压波动。

本领域技术人员可以理解，泄放电路采用确定类型的负载对输入的能量进行消耗，在能量消耗过程中需要对能量的热量转换和电路老化做出平衡。

电压采样电路，用于实时采样直流母线的电压信号。

本领域技术人员可以理解，电压采样电路具有适合负载极限运行状态的采样率和信号幅值耐受度。

泄放控制电路，用于根据直流母线电压信号的变化形成驱动信号使能能量泄放电路。

本领域技术人员可以理解，泄放控制电路具有基本的运算能力，可以对模拟信号或数据信号进行比较、转换和放大。

尖峰平抑电路，用于平抑电路或负载在通断或使能过程中在直流母线上形成的尖峰脉冲。

本领域技术人员可以理解，尖峰脉冲受形成因素决定存在不同的幅值、波形和频率，不同的尖峰脉冲会造成不同类型的谐波或干扰。

本发明实施例的反灌能量吸收电路针对反灌能量对直流母线上其他负载和电源本身的影响和干扰形成反灌能量平抑过程中不同等级的平抑措施，消除反灌能量和平抑电路动作对直流母线上电流和电压稳定性的不利影响，避免对直流母线上连接的其他负载造成破坏。

本发明一实施例的反灌能量吸收电路如图2所示。在图2中，储能缓冲电路接近负载，包括电阻R2、电容C1和二极管VD2，电阻R2与电容C1串联，二极管VD2与电阻R2并联，二极管VD2的负极端与电阻R2的自由端连接直流母线，电容C1的自由端连接供电回路的接地端。

当负载端有反灌能量时，通过电阻R2对电容C1充电，将反灌能量储存到电容C1中，从而限制电压升高。当恢复正常工作时，电容C1中储存的多余能量通过二极管VD2释放到负载端。

如图2所示，在本发明一实施例中，能量泄放电路靠近直流稳压电源，包括受控泄放开关K1、续流二极管VD1和泄放电阻R1，受控泄放开关K1串联泄放电阻R1，受控泄放开关K1包括第一通断连接端、第二通断连接端和控制信号输入端，续流二极管VD1的正极端连接受控泄放开关K1的第一通断连接端，续流二极管VD1的负极端连接直流母线，泄放电阻R1与续流二极管VD1并联，控泄放开关K1的第二通断连接端连接供电回路的接地端。

在本发明一实施例中，受控泄放开关K1根据负载类型选择继电器、接触器、MOS管、固态继电器等开关器件，开关器件经封装形成第一通断连接端、第二通断连接端和控制信号输入端。

供电回路正常工作时，受控泄放开关K1保持断开状态。当负载端有反灌能量时，受控泄放开关K1受控接通，通过泄放消耗元件消耗反灌能量，从而限制直流母线上电压上升。当受控泄放开关K1受控由接通到关断时，续流二极管VD1为泄放电阻R1支路电流提供续流通路，防止产生电压尖峰损坏受控泄放开关K1。

如图2所示，在本发明一实施例中，电压采样电路位于储能缓冲电路与能量泄放电路之间，在供电回路中与直流母线直接连接或间隔连接。

在本发明一实施例中，优选包括运算放大器的采样电路或串联分压电路的电压跟随器。

如图2所示，在本发明一实施例中，泄放控制电路包括处理单元、驱动电路，处理单元的信号输出端连接驱动电路的信号输入端，驱动电路的信号输出端连接受控泄放开关K1的控制信号输入端输出功率信号，处理单元包括具有模数转换功能的数据输入端连接电压采样电路的信号输出端。

在本发明一实施例中，处理单元可以采用DSP(Digital Signal Processing)数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、MCU(Microcontroller Unit)系统板、SoC(system on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。处理单元通过数据通信端连接RS232,CAN等通信链路与上位系统形成数据连接，实现根据不同应用场合需求，灵活配置电压阈值范围。

如图2所示，在本发明一实施例中，尖峰平抑电路位于电压采样电路与储能缓冲电路之间，包括：

第一平抑电路，包括瞬态抑制二极管VD4，形成快速泄放通路，用于吸收供电回路中时间为ps-ns级的尖峰脉冲。

第二平抑电路，包括压敏电阻VR1，形成快速泄放通路，用于吸收时间为ns-us级的尖峰脉冲。

如图2所示，在本发明一实施例中，还包括故障隔离电路，故障隔离电路包括故障隔离二极管VD3和电阻R3，故障隔离二极管VD3串联在直流稳压电源输出端与直流母线间，故障隔离二极管VD3的负极端连接直流母线。故障隔离二极管VD3的反向耐压值高于直流母线电压信号的监测阈值，起到故障隔离作用，一方面防止直流母线电压过高使直流稳压电源损坏，另一方面当直流稳压电源自身出现故障时，可与直流母线隔离开。

电阻R3并联在直流稳压电源与负载之间。起到预防供电回路故障短路。

本发明一实施例反灌能量吸收电路控制方法如图3所示。在图3中，本实施的方法处理过程对应的软件代码部署在泄放控制电路中，例包括：

步骤100：实时采集直流母线上的电压信号形成实时电压数据；

实时电压数据可以形成不断更新的数据序列。

步骤200：将实时电压数据与第一电压阈值比较，当大于第一电压阈值时，形成使能数据驱动驱动电路输出驱动信号将能量泄放电路导通，利用泄放电阻消耗反灌能量；

步骤300：当实时电压数据与第一电压阈值比较小于第一电压阈值时但大于第二电压阈值时，重复使能数据驱动驱动电路输出驱动信号保持能量泄放电路导通，利用泄放电阻持续消耗反灌能量；

步骤400：当实时电压数据与第二电压阈值比较，当小于第二电压阈值时，形成关断数据驱动驱动电路输出驱动信号将能量泄放电路断开保持直流母线电压稳定。

本发明实施例的反灌能量吸收电路控制方法将反灌能量的影响保持在一个较窄的电压幅值范围内，尽可能避免对直流母线上其他负荷的系统性影响。

如图3所示，在本发明一实施例中，在步骤200前还包括：

步骤150：比较实时电压数据间是否存在确定的趋于第一电压阈值的上升趋势，如存在则根据第一预置PID数据设置使能数据输出频率。

本发明实施例的反灌能量吸收电路控制方法根据反灌能量的变化趋势进行反灌能量消耗，维持直流母线上电压变化平顺，削弱对其他负荷的系统性影响。

如图3所示，在本发明一实施例中，在步骤400前还包括：

步骤350：比较实时电压数据间是否存在确定的趋于第二电压阈值的下降趋势，如存在则根据第二预置PID数据设置使能数据输出频率。

本发明实施例的反灌能量吸收电路控制方法根据反灌能量的变化趋势进行反灌能量消耗，维持直流母线上电压变化平顺，削弱对其他负荷的系统性影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种反灌能量吸收电路，其特征在于，包括：

储能缓冲电路，用于形成直流母线上负载瞬时关断时的反灌能量缓冲，当所述负载恢复使能时将缓冲蓄能向所述负载反馈；

能量泄放电路，用于受控使能平抑所述直流母线上反灌能量形成的电压波动；所述能量泄放电路靠近直流稳压电源，包括受控泄放开关K1、续流二极管VD1和泄放电阻R1，受控泄放开关K1包括第一通断连接端、第二通断连接端和控制信号输入端，泄放电阻R1与续流二极管VD1并联，续流二极管VD1的正极端连接受控泄放开关K1的第一通断连接端，续流二极管VD1的负极端和泄放电阻R1的自由端分别连接直流母线，控泄放开关K1的第二通断连接端连接供电回路的接地端；

电压采样电路，用于实时采样所述直流母线的电压信号；

泄放控制电路，用于根据所述电压信号的变化形成驱动信号使能所述能量泄放电路；

尖峰平抑电路，用于平抑电路或负载在通断或使能过程中在所述直流母线上形成的尖峰脉冲；所述尖峰平抑电路位于电压采样电路与储能缓冲电路之间，包括：

第一平抑电路，用于形成快速泄放通路，吸收供电回路中时间为ps-ns级的尖峰脉冲；和/或第二平抑电路，用于形成快速泄放通路，吸收时间为ns-us级的尖峰脉冲；所述第一平抑电路包括瞬态抑制二极管VD4，并联在供电回路中，所述第二平抑电路包括压敏电阻VR1，并联在供电回路中。

2.如权利要求1所述的反灌能量吸收电路，其特征在于，所述储能缓冲电路接近负载，包括电阻R2、电容C1和二极管VD2，电阻R2与电容C1串联，二极管VD2与电阻R2并联，二极管VD2的负极端与电阻R2的自由端连接所述直流母线，电容C1的自由端连接供电回路的接地端。

3.如权利要求1所述的反灌能量吸收电路，其特征在于，所述受控泄放开关K1为继电器、接触器、MOS管、固态继电器中的一种。

4.如权利要求1所述的反灌能量吸收电路，其特征在于，还包括故障隔离电路，故障隔离电路包括故障隔离二极管VD3和电阻R3，故障隔离二极管VD3串联在直流稳压电源输出端与直流母线间，故障隔离二极管VD3的负极端连接所述直流母线。

5.如权利要求1所述的反灌能量吸收电路，其特征在于，所述泄放控制电路包括处理单元、驱动电路，处理单元的信号输出端连接驱动电路的信号输入端，驱动电路的信号输出端连接受控泄放开关K1的控制信号输入端输出功率信号，处理单元包括具有模数转换功能的数据输入端连接电压采样电路的信号输出端。

6.一种反灌能量吸收电路的控制方法，其特征在于，利用如权利要求1至5任一所述的反灌能量吸收电路，包括：

实时采集直流母线上的电压信号形成实时电压数据；

将实时电压数据与第一电压阈值比较，当大于第一电压阈值时，形成使能数据驱动驱动电路输出驱动信号将能量泄放电路导通，利用泄放电阻消耗反灌能量；

当实时电压数据与第一电压阈值比较小于第一电压阈值时但大于第二电压阈值时，重复使能数据驱动驱动电路输出驱动信号保持能量泄放电路导通，利用泄放电阻持续消耗反灌能量；

当实时电压数据与第二电压阈值比较，当小于第二电压阈值时，形成关断数据驱动驱动电路输出驱动信号将能量泄放电路断开保持直流母线电压稳定；

还包括：

比较实时电压数据间是否存在确定的趋于第一电压阈值的上升趋势，如存在则根据第一预置PID数据设置使能数据输出频率；

比较实时电压数据间是否存在确定的趋于第二电压阈值的下降趋势，如存在则根据第二预置PID数据设置使能数据输出频率。

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