CN113300359B

CN113300359B - 交流负载匹配方法及装置

Info

Publication number: CN113300359B
Application number: CN202110606257.1A
Authority: CN
Inventors: 柳介; 江翠平; 熊冬梅; 黄亭
Original assignee: Shenzhen Saidiford Technology Co ltd
Current assignee: Dongguan Guangshu Electrical Technology Co ltd
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2041-05-27
Also published as: CN113300359A

Abstract

本发明公开了一种交流负载匹配方法及装置，属于电源供电技术领域，与现有技术相比，本发明的方案可以在供电设备额定输出功率低于负载功率额定功率的情况下，仍驱动负载以低于负载额定功率的实际功率工作；且整个过程中供电设备在任何阶段均不会出现过载的情况；同时供电设备可以快速将输出电压调节至与负载匹配的值，负载以适当的低功率工作。

Description

交流负载匹配方法及装置

技术领域

本发明涉及电源供电技术领域，具体为一种交流负载匹配方法及装置。

背景技术

在一些家庭或工业应用中经常会使用UPS、储能逆变器等具有交流放电功能的设备为烧水壶、电吹风、电热丝、电磁炉等负载装置进行供电加热，有时会遇到UPS或储能逆变器额定输出功率规格较加热负载标称功率小而无法使用这些阻性负载装置的情况。

当遇到上述情况时，现有技术中有两种处理方案，一种方案是当设备交流输出接入的负载超过其额定输出功率规格的负载时，设备会因触发过流保护或过热保护而不能让负载正常工作；另一种方案是，当供电设备接入的负载超过其额定输出功率规格的负载时，供电设备先以超额的功率工作，再降低至额定功率工作；这样供电设备在输出电压高于负载消耗功率与供电设备额定满载输出功率的匹配点电压期间都工作于过载状态，容易致使部分器件损坏而是设备失效，或是设计方案上留有较大余量而增加产品成本。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种交流负载匹配方法，应用于具有交流放电功能的设备在输出端接入标称功率超过其额定满载输出功率的负载条件下，使两者功率相互匹配并让负载正常工作。

为实现上述目的，本发明提供一种交流负载匹配方法，包括下述步骤：

S1:供电设备的交流输出端与负载连接；

S2:交流输出端的输出电压从0快速上升至参考值U1；并判断此过程中的实际电流值是否超过极限电流值Imax；

S3:若此过程中的实际电流值未超过极限电流值Imax，则至少获取交流输出端输出电压为U1时，交流输出端的视在功率及功率因数；再根据该功率因数将供电设备额定输出功率映射至U1电压下的归一化功率数值，并将该归一化功率数值与视在功率进行比较,判断视在功率是否超过该归一化功率数值；

S4:若未超过，则将交流输出端的输出电压快速升至额定电压值；并以额定电压作为稳定输出电压；若超过，则在U1的基础上以步长U0逐渐增加电压；每增加一个电压步长时，至少实时计算供电设备交流输出端的视在功率，且将视在功率与额定输出功率比较，直至实时视在功率与额定输出功率匹配；交流输出端稳定以此匹配的实时视在功率输出至负载。

具体的方案，在S2之前，供电设备交流输出端输出额定电压至负载，过流或者过功率保护模块触发，供电设备交流输出端输出电压降低为0。

具体的方案，在S2中，若实际电流值超过极限电流值Imax，则关断供电设备。

具体的方案，在S3中若超过，则先判断负载是否为阻性负载；若为阻性负载，则直接计算负载消耗功率与供电设备额定功率输出功率的匹配时的电压值U2；并控制供电设备输出电压由U1快速升至U2。

具体的方案，根据该功率因数将供电设备额定输出功率映射至U1电压下的归一化功率数值时，通过计算或/和调用预先储存的电压功率关系数据表的得到。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种交流负载匹配装置，包括：

交流输出端，用于与负载连接；

比较模块，当交流输出端的输出电压从0快速上升至参考值U1时；比较模块判断此时的实际电流值是否超过预设的极限电流值Imax；

计算模块，若实际电流值未超过极限电流值Imax，则计算模块获取交流输出端输出电压为U1时，交流输出端的视在功率和功率因数；并根据该功率因数将供电设备额定输出功率映射至U1电压下的归一化功率数值，并将该归一化功率数值与视在功率进行比较,比较模块再判断视在功率是否超过该归一化功率数值；

和控制模块，若未超过，则控制模块将交流输出端的输出电压快速升至额定电压值；并以额定电压作为稳定输出电压；若超过，则控制模块控制交流输出端的输出电压在U1的基础上以步长U0逐渐增加；每增加一个电压步长时，至少实时计算供电设备交流输出端的视在功率，且将视在功率与额定输出功率比较，直至实时视在功率与额定输出功率匹配；供电设备稳定以此匹配的实时视在功率输出至负载。

具体的方案，在交流输出端的输出电压从0快速上升至参考值U1时之前，供电设备交流输出端输出额定电压至负载，过流或者过功率保护模块触发，供电设备交流输出端输出电压降低为0。

具体的方案，当交流输出端的输出电压从0快速上升至参考值U1时，若实际电流值超过极限电流值Imax，则关断供电设备。

具体的方案，控制模块控制交流输出端的输出电压在U1的基础上以步长U0逐渐增加前；计算模块则先判断负载是否为阻性负载；若为阻性负载，则计算模块计算负载消耗功率与供电设备额定功率输出功率的匹配时的电压值U2；且控制模块控制交流输出端输出电压由U1快速升至U2。

具体的方案，根据该功率因数将供电设备额定输出功率映射至U1电压下的归一化功率数值时，计算单元通过计算或/和调用预先储存的电压功率关系数据表的得到。

本发明的有益效果是：本发明提供的交流负载匹配方法包括下述步骤：

S1:供电设备的交流输出端与负载连接；

与现有技术相比，本发明的方案可以在供电设备额定输出功率低于负载功率额定功率的情况下，仍驱动负载以低于额定功率的实际功率工作；且整个过程中供电设备在任何阶段均不会出现过载的情况；同时供电设备可以快速将输出电压调节至与负载匹配的值，负载以适当的低功率工作。

附图说明

图1为本发明的供电设备与负载连接后再启动的升压逻辑图；

图2为本发明的供电设备启动后再与负载连接的升压逻辑图。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

如背景技术所述，当供电设备的输出功率低于用电设备的工作功率时，现有技术有两种处理方式，第一种是直接切断供电设备和负载直接的连接，供电设备不再为负载供电；但是多数情况下负载是可以以低功率工作的；因此直接停止对负载供电，并非最佳方案；另一种方案是，先让供电设备超载工作，再逐渐降低供电设备的输出功率，虽然可以让负载以低功率工作，但是超载工作容易致使供电设备的部分器件损坏；基于此，本发明提供了一种交流负载匹配方法，用于负载的额定功率大于供电设备额定功率的情况下，驱动负载工作。

参阅图1，该方法包括下述步骤：

S1:供电设备的交流输出端与负载连接；

该步骤中，在电压U1下视在功率若超过该归一化功率数值，则说明在交流输出端输出额定电压时，供电设备的实际输出功率会大于供电设备的额定功率；反之，若在电压U1下视在功率未超过该归一化功率数值，则说明在交流输出端输出额定电压时，供电设备的实际输出功率会小于供电设备的额定功率。

本发明的总体思路是将供电设备的输出功率由0提升至与负载适配的功率，且整个提升功率过程中供电设备不会超载工作，实现驱动负载以低功率工作，同时在提供功率过程中巧妙设计，使得供电设备的输出功率能快速提升至适当值，负载与供电设备连接后可以快速启动。

在本实施例中，负载为烧水壶、电吹风、电热丝、电磁炉等；在S2中，先将交流输出端的输出电压从0快速上升至参考值U1，并判断此过程中的实际电流值是否超过极限电流值Imax；该步骤的目的在于初步判定，负载的额定功率是否远超用电设备的额定功率值；若负载的额定功率远超用电设备的额定功率值，则说明该供电设备不可能驱动该负载以低功率工作，若强行驱动，则会导致供电设备由于超载工作而损坏；只有当供电设备的额定输出功率与负载的额定工作功率相差不大时，才能继续使用该供电设备为该负载供电。

其中，U1是小于额定电压的电压值；例如供电设备的额定输出电压为100V，额定功率为2500W，则极限电流值为Imax为25A，U1为50V；当供电设备的输出电压由0上升至为50V时，供电设备的交流输出端输出的实际电流从0上升至15A，小于Imax，则说明该供电设备的额定功率与该负载的工作功率相差不大，可以驱动该负载以低功率工作；若在当供电设备的输出电压由0上升至为50V的过程中，任意阶段交流输出端输出的实际电流达到25A，则触发过流保护单元或者过功率保护单元，供电设备停止工作，同时说明负载的额定工作功率远大于该供电设备的工作功率；其中U1为预先设定的值，可以为额定电压的一半或者三分之二；优选的，U1的值为驱动该负载以最低功率工作时的电压值；该值需要预设针对不同用电设备测定得到。

在本实施例中，交流输出端配置有电压传感器和电流传感器，用于检测输出端电压和电流信号。

当通过S2初步判断供电设备可以驱动负载以低功率工作后，则交流输出端持续输出U1一段时间，同时计算模块获取该段时间内交流输出端的视在功率、有功功率、无功功率、频率、相位差、功率因数等等信息；再根据该功率因数将供电设备额定输出功率映射至U1电压下的归一化功率数值，并将该归一化功率数值与视在功率进行比较,判断视在功率是否超过该归一化功率数值。

例如U1为50V，在U1下获取的功率因数为0.8，视在功率为600W；则计算模块可以调动预先储存数据，找到功率因数为0.8时的电压和视在功率的关系表；同时按照关系表得到当交流输出端的输出电压为参考电压U1时对应的视在功率值；电压和视在功率的关系表部分内容如所示：

功率因数	0.8	0.8	0.8	0.8
					电压	U1	U2	……	U
视在功率	P1	P2	……	P
					功率因数	0.9	0.9	0.9	0.9
电压	U1	U2	……	U
					视在功率	P10	P20	……	P0

其中，上表中各个功率因数下电压和视在功率的值可以预先测定获取后，预存在计算模块中；不同功率因数的间隔值和相同功率因数下的电压间隔值；均可调整。

根据该功率因数将供电设备输出功率归一化，得到额定功率在U1电压值下的功率映射值后，将该功率映射值与U1下的视在功率值进行对比，若该功率映射值大于供电设备在U1下的视在功率值，则说明供电设备的实际额定功率规格是大于负载工作的功率；因此可以放心将供电设备的交流输出端的输出电压快速提升至额定输出电压；供电设备不存在超载工作的风险。

例如根据U1为50V，功率因数为0.8，实际视在功率为600W；查询电压和视在功率的关系，得到在功率因数为0.8，U1为额定电压归一化至50V时，归一化的功率映射值为650W；实际视在功率小于供电设备归一化的功率映射值；此时可以直接控制供电设备的交流输出端以额定电压工作，不会出现过载工作的情况。

反之，若该额定电压值下交流输出端的功率值大于供电设备的实际额定功率值，则不能直接控制交流输出端输出额定电压，否则供电设备将会超载工作，有被损坏的风险；例如根据表格查询,在U1为50V时，归一化的功率映射值为500W，小于U1下的实际视在功率600W，此时应进一步判断外部负载的类型，并根据负载类型的不同，控制交流输出端输出电压快速升高直至输出功率与负载工作功率匹配。

例如当计算单元获取的功率因素为1时，可以判断负载为线性负载，即阻性负载，例如负载为扫水壶或者电热丝；若功率因数小于1，则可以判断负载为非线性负载，例如微波炉。

若检测为阻性负载，则直接计算负载消耗功率与供电设备额定功率输出功率的匹配时的电压值U2；并控制供电设备输出电压由U1快速升至U2；例如供电设备的额定输出功率为2500W，参考电压U1为50V时，视在功率为700W；阻性负载满足关系U1²/U²＝P1/P；计算可以得出，供电设备输出94.49V时，以满功率工作；故直接控制供电设备的电压值由U1：50V快速升至U2：94.49V，此时供电设备驱动负载以低于额定功率的较低功率工作；例如驱动烧水壶以较低功率烧水，仍可将水烧开，但是相比与烧水壶以额定功率工作，烧水时间更长。

若检测为非线性负载，则在U1的基础上以步长U0逐渐增加电压；每增加一个电压步长时，至少实时计算供电设备交流输出端的视在功率，且将视在功率与额定输出功率比较，直至实时视在功率与额定输出功率匹配；交流输出端稳定以此匹配的实时视在功率输出至负载。

例如，计算单元获取功率因素为0.8，负载为非线性负载；此时可以设定步长U0为5V，在U1：50V的基础上逐渐升高交流输出端的输出电压值；当输出端的输出电压提高至55V时，计算单元获取此时的视在功率，并将此时的视在功率与供电设备的额定功率比较，若此时的视在功率仍不能与供电设备的额定功率匹配，则继续升高输出电压至60V，并获取此时的视在功率，并判断此时的视在功率是否与供电设备的额定功率匹配；若不匹配，则继续增加交流输出端的输出电压值，直至当前电压下的视在功率与供电设备的额定功率匹配，再稳定输出该电压值至负载，驱动负载以低于额定功率的较低功率工作。

在本实施例中，当前视在功率与供电设备的额定功率匹配是指，两者大小差异不超过10％。

优选的方案，上述增加步长的过程中，可以先通过计算单元调用电压与视在功率的关系表，快速获取当前负载下，当视在功率达到供电设备额定功率的50％-70％时交流输出端的输出电压值U3，并控制交流输出端输出电压快速升至U3；再按照上述步长逐渐增加U3的值；该方式使非线性负载下，供电设备的输出电压快速提高到使负载可以以低功率工作的值。

例如；计算单元获取功率因素为0.8，负载为非线性负载；当前电压U1为50V；供电设备的额定输出功率为2500W；通过查表发现，当功率因素为0.8时，视在功率为1250W对应的电压值为75V，可以直接控制交流输出端的电压升高至75V后，再按照5V的步长逐渐提高输出电压值，直至当前电压值的视在功率与供电设备的额定功率相互匹配。

优选的方案，参阅图2，在S2之前，供电设备交流输出端输出额定电压至负载，过流或者过功率保护模块触发，供电设备交流输出端输出电压降低为0；例如，供电设备先启机工作后，再接入超过该供电设备额定功率的负载，交流输出端电流传感器上将会识别到一个电流过流信号，并出发过流保护模块或者过功率保护模块，供电设备重起，并重新执行本发明的步骤S1-S4。

本发明中的电流和电压传感器、计算单元、控制单元可以为独立的模块，也可以为两个或两个以上功能集成的模块。

本发明的优势在于：

1、与现有技术相比，本发明的方案可以在供电设备额定输出功率低于负载功率额定功率的情况下，仍驱动负载以低于额定功率的实际功率工作；且整个过程中供电设备在任何阶段均不会出现过载的情况；同时供电设备可以快速将输出电压调节至与负载匹配的值，负载以适当的低功率工作。

2、该方案兼容适配负载功率不高于供电设备额定功率或者远高于供电设备额定功率的情况，可以放心大胆的接入任意功率的负载。

3、通过计算模块控制交流输出端的电压快速升高至适当值，使得输出端输出功率快速与负载匹配；负载可以快速启动。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种交流负载匹配方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1:供电设备的交流输出端与负载连接；

2.根据权利要求1所述的交流负载匹配方法，其特征在于，在S2之前，供电设备交流输出端输出额定电压至负载，过流或者过功率保护模块触发，供电设备交流输出端输出电压降低为0。

3.根据权利要求1所述的交流负载匹配方法，其特征在于，在S2中，若实际电流值超过极限电流值Imax，则关断供电设备。

4.根据权利要求1所述的交流负载匹配方法，其特征在于，在S3中若超过，则先判断负载是否为阻性负载；若为阻性负载，则直接计算负载消耗功率与供电设备额定功率输出功率的匹配时的电压值U2；并控制供电设备输出电压由U1快速升至U2。

5.根据权利要求1所述的交流负载匹配方法，其特征在于，根据该功率因数将供电设备额定输出功率映射至U1电压下的归一化功率数值时，通过计算或/和调用预先储存的电压功率关系数据表的得到。

6.一种交流负载匹配装置，其特征在于，包括：

交流输出端，用于与负载连接；

7.根据权利要求6所述的交流负载匹配装置，其特征在于，在交流输出端的输出电压从0快速上升至参考值U1时之前，供电设备交流输出端输出额定电压至负载，过流或者过功率保护模块触发，供电设备交流输出端输出电压降低为0。

8.根据权利要求6所述的交流负载匹配装置，其特征在于，当交流输出端的输出电压从0快速上升至参考值U1时，若实际电流值超过极限电流值Imax，则关断供电设备。

9.根据权利要求6所述的交流负载匹配装置，其特征在于，控制模块控制交流输出端的输出电压在U1的基础上以步长U0逐渐增加前；计算模块则先判断负载是否为阻性负载；若为阻性负载，则计算模块计算负载消耗功率与供电设备额定功率输出功率的匹配时的电压值U2；且控制模块控制交流输出端输出电压由U1快速升至U2。

10.根据权利要求6所述的交流负载匹配装置，其特征在于，根据该功率因数将供电设备额定输出功率映射至U1电压下的归一化功率数值时，计算单元通过计算或/和调用预先储存的电压功率关系数据表的得到。