CN113141014A - 一种交流调压装置及控制方法 - Google Patents

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姜淳琳
许玉林
成世杰
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Abstract

本发明公开了一种交流调压装置及控制方法，其包括包括连接电网的输入端（Ui1、Ui2）、输入电容（3）、上桥臂（1）、下桥臂（2）、吸收模块（4）及放电模块（14），通过调节上桥臂（1）、下桥臂（2）中开关器件的PWM占空比，则可控制Uo1、Uo2输出总电压，从而达到一个预设的电压值。本发明的一种交流调压装置及控制方法可实现交流供电的直接稳压，相比已经有技术，显著降低了线路复杂程度及装置成本，可有效稳定电网供电电压，其具有响应速度快，成本低，控制方法简单，可靠性高，维护方便、效率高。

Description

一种交流调压装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一用于电网供电系统的一种交流调压装置及控制方法，属于电力电子领域。
背景技术
随着人们生活水平的提高和家用电器的普及，别是住宅用户的用电量逐年大幅增长，然而厂矿单位、住宅小区、商店等配电线路更新改造速度相对滞后，导致线路末端电压远低于允许范围，同时电压波动很大，电网普遍频繁出现过负荷现象，洗衣机、空调器、电视机等非照明负荷难以正常工作，并对电器设备造成巨大危害。同时，由于新增电气负荷大量采用电动机、压缩机等旋转设备和电力电子装置，对无功功率需求很大，并产生大量高次谐波电流，因而导致低压线路损耗显著增大，整个电网的功率因数低，供电电压波动很大。
解决上述低电压及电压波动大的问题的最佳方案是，在配电网上，直接加装供电电压稳定装置。为低压电网加装电压自动调节装置，可实时自动调节供电电压，使其稳定于标准值，可向用电设备直接提供无功，提高配电网实际输电容量；提高供电变压器运行安全性；大幅度改善由于高压线路雷击、瞬间短路、过负荷等原因造成的电压闪变等异常情况，保护用电设备的安全。
中国专利CN204360256U公开了一种无触点交流稳压器，其采用多绕组变压器及多路晶闸管切换开关来实现稳压功能。该技术为有级调压，同时为实现级差不至于过大，需要很多路晶闸管切换开关，电路复杂，成本高，同时由于晶闸管开关切换速度慢，最快仅为10mS，对于电网的快速电压波动无能为力。尤其是，当其调节输出电压在高位时，如果电网电压发生快速跃升，其输出电压则会因为响应速度慢而产生过电压，危害用电设备安全。
发明内容
本发明的目的是设计一种交流调压装置及控制方法，可有效稳定电网供电电压，可实现电能双向传输，其具有响应速度快，成本低，可靠性高，控制简单，维护方便、效率高。
本发明的一种交流调压装置，其包括：
连接电网的输入端（Ui1、Ui2），接入交流电网电压；
输入电容（3），所述输入电容（3）两个端点分别与输入端（Ui1、Ui2）连接，用于滤除电网电压电流高频成份，稳定输入电压；
上桥臂（1），其一个端点与输入端（Ui1）连接，另一个端点与输出端（Uo1）连接，用于输入、输出之间的电压电流变换，并可实现电能双向流动；
下桥臂（2），其一个端点与输出端（Uo1）连接，另一个端点与输入端（Ui2）连接，用于输入、输出之间的电压电流变换，并可实现电能双向流动；
一个吸收模块（4），其分别与上桥臂（1）的中点、下桥臂（2）的中点、及输入端（Ui2）连接，用于吸收本装置电路工作过程中产生的过电压；
一个放电模块（14），其与所述吸收模块（4）连接，用于泄放吸收模块（4）中存储的电量。
本发明的一种交流调压装置，还包括一个输入电感（5），其串联在电网输入端，用于滤除电网电流的高频成份；还包括一个输出电感（6），其串联在本装置的输出端，用于滤除输出电压、电流的高频成份。
本发明所述的一种交流调压装置，所述的上桥臂（1）及下桥臂（2）分别包括两个反向串联连接的半导体开关器件上管（7）及下管（8）、上管（10）及下管（9），形成两个由半导体开关器件组成的桥臂，两个桥臂的中点连接输出电感（6）、或者作为本装置的输出端（Uo1）；所述半导体开关器件是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种。
本发明所述的一种交流调压装置，所述的上桥臂（1）及下桥臂（2）分别包括两个反向串联连接的半导体开关器件上管（7）及下管（8）、上管（10）及下管（9），形成两个由半导体开关器件组成的桥臂；其中上管（7）与下管（8）共漏极串联、而上管（10）与下管（9）共源极串联连接，或者上管（7）与下管（8）共源极串联、而上管（10）与下管（9）共漏极串联连接；所述半导体开关器件是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种。
本发明所述的一种交流调压装置，所述的吸收模块（4）包括： 两个共阴极连接的二极管（11）、及二极管（12），其中二极管（11）的阳极与上桥臂（1）的中点连接，二极管（12）的阳极与输入端（Ui2）连接；
一个电容器（13），其一端与二极管（11）、及二极管（12）的公共端连接，另一端与下桥臂（2）的中点连接；当本装置电路产生过电压时，电流会经过二极管（11）、或二极管（12）对所述电容器（13）充电，从而达到吸收过电压的目的。
本发明所述的一种交流调压装置，所述的放电模块（14）包括半导体开关器件与放电电阻串联的电路，所述串联电路的两端分别所述与吸收模块（4）中的电容器（13）两端连接，当电容器两端电压超过预设值时，开通半导体开关器件，使电容器（13）存储的电能通过所述放电电阻放电，从而使电容电压维持在一个设定范围。
本发明的一种交流调压装置及控制方法，所述装置包括输入端（Ui1、Ui2）、输入电容（3），上桥臂（1）、下桥臂（2）、吸收模块（4）及放电模块（14）；所述控制方法包括：
当输入端（Ui1、Ui2）电压为正时，所述半导体开关器件下管（8）、下管（9）工作于PWM调制互补状态，上管（7）、上管（10）工作于导通状态，从而在其两个输出端（Uo1、Uo2）间产生一个以输入电容（3）的端电压为基波的PWM调制后正电压；
当输入端（Ui1、Ui2）电压为负时，所述半导体开关器件上管（7）、上管（10）工作于PWM调制互补状态，下管（8）、下管（9）工作于导通状态，从而在其两个输出端（Uo1、Uo2）间产生一个以输入电容（3）的端电压为基波的PWM调制后负电压；
通过调节上桥臂（1）、下桥臂（2）中开关器件PWM占空比，则可控制Uo1、Uo2输出电压，从而达到一个预设的电压值；若将Uo1、Uo2作为输入，而Ui1、Ui2作为输出，则可实现升压功能，且电能可实现双向传输。
本发明的一种交流调压装置的控制方法还包括：
当输出电流为正（电流由Uo1流出、Uo2流入）时，使下管（8）、及上管（10）中，至少有一个保持开通状态，则可确保输出电流具有续流通路，从而避免快速切断电流而产生的过电压；
当输出电流为负（电流由Uo1流入、Uo2流出）时，使上管（7）、及下管（9）中，至少有一个保持开通状态，则可确保输出电流具有续流通路，从而避免快速切断电流而产生的过电压。
本发明的一种交流调压装置的控制方法还包括：
所述上管（7）、上管（10）设置有开通死区时间，即当上管（7）关断后，要延时一个预设的时间后，上管（10）方可开通，当上管（10）关断后，要延时一个预设的时间后，上管（7）方可开通；
同样的，下管（8）、下管（9）设置有开通死区时间；
通过设置死区时间，可避免两只互补工作的开关器件直通所造成的短路。
本发明的一种交流调压装置的控制方法还包括：
当所述吸收模块（4）内部的电容器（13）两端电压超过预设值时，开通放电模块（14）内的半导体开关器件，使电容器（13）存储的电能通过所述放电电阻放电；
当所述吸收模块（4）内部的电容器（13）两端电压低于预设值时，关断放电模块（14）内的半导体开关器件，停止释放电容器（13）存储的电能；
通过上述方法及步骤，可使得电容器（13）两端电压总是维持在一个预设的范围。
本发明采用上述技术方案，能产生如下有益的技术效果：
本发明可实现交流供电的直接稳压、并双向传输，相比已经有技术，显著降低了线路复杂程度及装置成本，可有效稳定电网供电电压，其具有响应速度快，成本低，控制简单，可靠性高，维护方便、效率高。
附图说明
图1是本发明一种交流调压装置的电气结构框图。
图2是本发明一种交流调压装置的另一个电气结构框图。
图3是本发明吸收模块（4）的电气原理图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括其他没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1是本发明一种交流调压装置的电气结构框图。如图所示电网电压通过输入端（Ui1、Ui2），接入本装置。图（1）中输入电容（3）的两个端点分别与输入端（Ui1、Ui2）连接，用于滤除电网电压电流高频成份，并稳定输入电压；
本发明装置的上桥臂（1），其一个端点与输入端（Ui1）连接，另一个端点与输出端（Uo1）连接，而下桥臂（2）的一个端点与输出端（Uo1）连接，另一个端点与输入端（Ui2）连接，该连接方式形成一个双极性降压电路，并可实现电能双向流动；
本发明装置的吸收模块（4），分别与上桥臂（1）的中点、下桥臂（2）的中点、及输入端（Ui2）连接，用于吸收本装置电路工作过程中产生的过电压；
本发明装置的放电模块（14），其与所述吸收模块（4）连接，用于泄放吸收模块（4）中存储的电量。
本发明装置的上桥臂（1）及下桥臂（2）分别包括两个反向串联连接的半导体开关器件上管（7）及下管（8）、上管（10）及下管（9），形成两个由半导体开关器件组成的桥臂，两个桥臂的中点作为本装置的输出端（Uo1），还可连接输出电感（6）；所述半导体开关器件是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种。通过本发明的上管及下管协调进行PWM调制，则可实现交流调压及能量双向传递的功能。
进一步的，本发明装置的上桥臂（1）及下桥臂（2）分别包括两个反向串联连接的半导体开关器件上管（7）及下管（8）、上管（10）及下管（9），形成两个由半导体开关器件组成的桥臂；其中上管（7）与下管（8）共漏极串联、而上管（10）与下管（9）共源极串联连接，或者上管（7）与下管（8）共源极串联、而上管（10）与下管（9）共漏极串联连接；所述半导体开关器件是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种。
图2是本发明一种交流调压装置的另一个电气结构框图。其包括了一个串联在电网输入端的输入电感（5），及一个串联在本装置的输出端的输出电感（6），这两个电感分别用于滤除输入、输出电压、电流的高频成份，消除电磁干扰。
图3是本发明装置的吸收模块（4），包括两个共阴极连接的二极管（11）、及二极管（12），其中二极管（11）的阳极与上桥臂（1）的中点连接，二极管（12）的阳极与输入端（Ui2）连接；还包括一个电容器（13），其一端与二极管（11）、及二极管（12）的公共端连接，另一端与下桥臂（2）的中点连接；当本装置电路产生过电压时，电流会经过二极管（11）、或二极管（12）对所述电容器（13）充电，从而达到吸收过电压的目的。
本发明装置的放电模块（14）包括半导体开关器件与放电电阻串联的电路，所述串联电路的两端分别所述与吸收模块（4）中的电容器（13）两端连接，当电容器两端电压超过预设值时，开通半导体开关器件，使电容器（13）存储的电能通过所述放电电阻放电，从而使电容电压维持在一个设定范围。放电模块（14）内的开关器件可以是IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种，放电电阻阻值及功率均根据具体装置的电压、功率计算设定。
基于图1图2及图3本发明的一种交流调压装置的控制方法，其工作过程为如下步骤：
当输入端（Ui1、Ui2）电压为正时，半导体开关器件下管（8）、下管（9）工作于PWM调制互补状态，上管（7）、上管（10）工作于导通状态，从而在其两个输出端（Uo1、Uo2）间产生一个以输入电容（3）的端电压为基波的PWM调制后电压；
当输入端（Ui1、Ui2）电压为负时，所述半导体开关器件上管（7）、上管（10）工作于PWM调制互补状态，下管（8）、下管（9）工作于导通状态，从而在其两个输出端（Uo1、Uo2）间产生一个以输入电容（3）的端电压为基波的PWM调制后电压；
通过调节上桥臂（1）、下桥臂（2）中开关器件PWM占空比，则可控制Uo1、Uo2输出电压，从而达到一个预设的电压值；若将Uo1、Uo2作为输入，而Ui1、Ui2作为输出，则可实现升压功能，且电能可实现双向传输。
本发明的一种交流调压装置的控制方法，其工作过程还包括以下步骤：
当输出电流为正（电流由Uo1流出、Uo2流入）时，使下管（8）、及上管（10）中，至少有一个保持开通状态，则可确保输出电流具有续流通路，从而避免快速切断电流而产生的过电压，该续流通路为输出电流经过下管（9）、上管（10）或输出电流经过下管（8）、上管（7）；
当输出电流为负（电流由Uo1流入、Uo2流出）时，使上管（7）、及下管（9）中，至少有一个保持开通状态，则可确保输出电流具有续流通路，从而避免快速切断电流而产生的过电压，该续流通路为输出电流经过下管（9）、上管（10）或输出电流经过下管（8）、上管（7）。
本发明的一种交流调压装置的控制方法，其工作过程还包括以下步骤：
所述上管（7）、上管（10）设置有开通死区时间，即当上管（7）关断后，要延时一个预设的时间后，上管（10）方可开通，当上管（10）关断后，要延时一个预设的时间后，上管（7）方可开通；
同样的，下管（8）、下管（9）设置有开通死区时间；
通过设置死区时间，可避免两只互补工作的开关器件直通所造成的短路，而死区时间的长度，则根据选用的半导体开关器件的开关特性确定，一般是数微妙。
本发明的一种交流调压装置的控制方法，其工作过程还包括以下步骤：
当所述吸收模块（4）内部的电容器（13）两端电压超过预设值时，开通放电模块（14）内的半导体开关器件，使电容器（13）存储的电能通过所述放电电阻放电；
当所述吸收模块（4）内部的电容器（13）两端电压低于预设值时，关断放电模块（14）内的半导体开关器件，停止释放电容器（13）存储的电能；
通过上述方法及步骤，可使得电容器（13）两端电压总是维持在一个预设的范围。
当由于各种异常原因导致输出电流方向判断有误或者PWM时序有误时，电路中有可能会产生过电压，则吸收模块（4）可吸收该过电压，并对电容器（13）充电，而该步骤可确保吸收电路中的电容电压保持于一个安全值，且很容易进一步增加电容电压检测功能，从而可实现过电压报警功能，提高电路的安全性。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种交流调压装置，其特征在于，其包括：
连接电网的输入端（Ui1、Ui2），接入交流电网电压；
输入电容（3），所述输入电容（3）两个端点分别与输入端（Ui1、Ui2）连接，用于滤除电网电压电流高频成份，稳定输入电压；
上桥臂（1），其一个端点与输入端（Ui1）连接，另一个端点与输出端（Uo1）连接，用于输入、输出之间的电压电流变换，并可实现电能双向流动；
下桥臂（2），其一个端点与输出端（Uo1）连接，另一个端点与输入端（Ui2）连接，用于输入、输出之间的电压电流变换，并可实现电能双向流动；
一个吸收模块（4），其分别与上桥臂（1）的中点、下桥臂（2）的中点、及输入端（Ui2）连接，用于吸收本装置电路工作过程中产生的过电压；
一个放电模块（14），其与所述吸收模块（4）连接，用于泄放吸收模块（4）中存储的电量。
2.一种交流调压装置，其特征在于，其还包括：
一个输入电感（5），串联在电网输入端，用于滤除电网电流的高频成份；
一个输出电感（6），串联在本装置的输出端，用于滤除输出电压、电流的高频成份。
3.根据权利要求1、2所述的一种交流调压装置，其特征在于，所述的上桥臂（1）及下桥臂（2）分别包括两个反向串联连接的半导体开关器件上管（7）及下管（8）、上管（10）及下管（9），形成两个由半导体开关器件组成的桥臂，两个桥臂的中点连接输出电感（6）、或者作为本装置的输出端（Uo1）；所述半导体开关器件是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种。
4.根据权利要求1、2所述的一种交流调压装置，其特征在于，所述的上桥臂（1）及下桥臂（2）分别包括两个反向串联连接的半导体开关器件上管（7）及下管（8）、上管（10）及下管（9），形成两个由半导体开关器件组成的桥臂；其中上管（7）与下管（8）共漏极串联、而上管（10）与下管（9）共源极串联连接，或者上管（7）与下管（8）共源极串联、而上管（10）与下管（9）共漏极串联连接；所述半导体开关器件是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种。
5.根据权利要求1、2所述的一种交流调压装置，其特征在于，所述的吸收模块（4）包括：两个共阴极连接的二极管（11）、及二极管（12），其中二极管（11）的阳极与上桥臂（1）的中点连接，二极管（12）的阳极与输入端（Ui2）连接；
一个电容器（13），其一端与二极管（11）、及二极管（12）的公共端连接，另一端与下桥臂（2）的中点连接；当本装置电路产生过电压时，电流会经过二极管（11）、或二极管（12）对所述电容器（13）充电，从而达到吸收过电压的目的。
6.根据权利要求1、2所述的一种交流调压装置，其特征在于，所述的放电模块（14）包括半导体开关器件与放电电阻串联的电路，所述串联电路的两端分别所述与吸收模块（4）中的电容器（13）两端连接，当电容器两端电压超过预设值时，开通半导体开关器件，使电容器（13）存储的电能通过所述放电电阻放电，从而使电容电压维持在一个设定范围。
7.一种交流调压装置及控制方法，其特征在于，所述装置包括输入端（Ui1、Ui2）、输入电容（3），上桥臂（1）、下桥臂（2）、吸收模块（4）及放电模块（14）；所述控制方法包括：
当输入端（Ui1、Ui2）电压为正时，所述半导体开关器件下管（8）、下管（9）工作于PWM调制互补状态，上管（7）、上管（10）工作于导通状态，从而在其两个输出端（Uo1、Uo2）间产生一个以输入电容（3）的端电压为基波的PWM调制后正电压；
当输入端（Ui1、Ui2）电压为负时，所述半导体开关器件上管（7）、上管（10）工作于PWM调制互补状态，下管（8）、下管（9）工作于导通状态，从而在其两个输出端（Uo1、Uo2）间产生一个以输入电容（3）的端电压为基波的PWM调制后负电压；
通过调节上桥臂（1）、下桥臂（2）中开关器件PWM占空比，则可控制Uo1、Uo2输出电压，从而达到一个预设的电压值；若将Uo1、Uo2作为输入，而Ui1、Ui2作为输出，则可实现升压功能，且电能可实现双向传输。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，其还包括：
当输出电流为正（电流由Uo1流出、Uo2流入）时，使下管（8）、及上管（10）中，至少有一个保持开通状态，则可确保输出电流具有续流通路，从而避免快速切断电流而产生的过电压；
当输出电流为负（电流由Uo1流入、Uo2流出）时，使上管（7）、及下管（9）中，至少有一个保持开通状态，则可确保输出电流具有续流通路，从而避免快速切断电流而产生的过电压。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，其还包括：
所述上管（7）、上管（10）设置有开通死区时间，即当上管（7）关断后，要延时一个预设的时间后，上管（10）方可开通，当上管（10）关断后，要延时一个预设的时间后，上管（7）方可开通；
同样的，下管（8）、下管（9）设置有开通死区时间；
通过设置死区时间，可避免两只互补工作的开关器件直通所造成的短路。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，其还包括：
当所述吸收模块（4）内部的电容器（13）两端电压超过预设值时，开通放电模块（14）内的半导体开关器件，使电容器（13）存储的电能通过所述放电电阻放电；
当所述吸收模块（4）内部的电容器（13）两端电压低于预设值时，关断放电模块（14）内的半导体开关器件，停止释放电容器（13）存储的电能；
通过上述方法及步骤，可使得电容器（13）两端电压总是维持在一个预设的范围。
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