CN113904564B - 一种电感线圈充放电电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电感线圈充放电电源，包括有依序电连接的变压器、晶闸管整流电路、直流侧滤波电路、H桥逆变器和电感线圈，还包括有用于采集晶闸管整流电路输出电压的电压传感器、用于采集H桥逆变器输出侧电流的电流传感器，以及用于接收电压传感器、电流传感器电参数并控制晶闸管、H桥逆变器关断的控制器，还包括有计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序被所述控制器执行时控制电感线圈充放电电源实现在电流上升时间T1与电流下降时间T2内的电流波形的精确控制和较小的电流谐波、电压谐波。

Description

一种电感线圈充放电电源

技术领域

本发明涉及核聚变等离子体运动控制或电磁储能释放等领域，尤其是一种电感线圈充放电电源。

背景技术

在核聚变装置或电磁储能研究领域，需要用到各种特殊用途的电感线圈，而这些电感线圈的电流或电压过程波形技术要求特殊，或者要实现电感线圈的缓慢充电后再快速放电。图1所示为电感线圈的典型电流电压波形示意图。在较长的时间T1时间(比如50秒)内，电感线圈内的直流电流需要在外部电源的控制作用下实现从0逐步增大到某最大值I(比如200A)，而在后续的T2时间段内，其电流又从I变化到0。在T1的时间内，电感线圈的电压非常小，而且一般要求电压高频纹波也非常小，比如小于2V。而在非常短的时间T2(比如100毫秒)内，电感线圈电流需要迅速控制降为0A。针对这样特殊的电流波形，常规的单相逆变电源和控制方法无法全面满足技术指标要求。

本发明提出一种能实现类似电流电压严格技术指标要求的电源电气系统结构和相应的电流控制方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种简单实用的电源结构及其控制方法，以实现图1所示的电感线圈的电流波形，一方面保障在电流上升时间T1与电流下降时间T2内的电流精确控制和较小的电流谐波，而且还实现充电过程中电感线圈上的谐波电压毛刺小。

为实现所述目的，提供一种电感线圈充放电电源，包括有依序电连接的用于实现输入电压大小匹配的变压器、通过导通角将交流电压变换成直流电压的晶闸管整流电路、用于减少直流纹波的直流侧滤波电路、用于控制电感线圈两端电参数的H桥逆变器和作为负载的电感线圈，

还包括有用于采集晶闸管整流电路输出电压的电压传感器、用于采集H桥逆变器输出侧电流的电流传感器，以及用于接收电压传感器、电流传感器电参数并控制晶闸管、H桥逆变器关断的控制器，

还包括有计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序被所述控制器执行时实现以下步骤：

S1、根据T1时间段内电感线圈的电流变化率情况，计算该时间段内的直流电压目标值U1*；

S2、根据T2时间段内电感线圈的电流变化率情况，计算该时间段内的直流电压目标值U2*；

S3、控制晶闸管整流电路恒定输出直流电压U1*；

S4、启动H桥逆变器，控制其输出电流跟踪T1时间段内电感线圈电流缓慢上升的目标电流波形；

S5、在T1时间段结束时刻，控制晶闸管整流电路恒定输出直流电压U2*；

S6、控制H桥逆变器的输出电流跟踪T2时间段内电感线圈电流快速下降的目标电流波形。

其中，在相应时间段内，根据电感线圈的电流变化率情况计算相应直流电压目标值的方法进一步包括：

根据相应时间段内的电流目标波形，测算出该时间段的电流最大变化率di/dt,根据直流电压目标值Udc*＝|L×di/dt|/η+2×UIGBT+U0，算出该时间段的直流电压目标值，式中，L为电感线圈的电感量，UIGBT为H桥逆变器中单个开关的导通压降，η为PWM调制中最大调制比，U0为设计裕量。

其中，所述H桥逆变器中开关为IGBT开关管，所述直流电压目标值Udc*＝|L×di/dt|/η+2×UIGBT+U0，进一步优化为Udc*＝|L×di/dt|+15。

其中，在步骤S3和/或步骤S5中，采取电压闭环控制方法通过控制晶闸管的导通角来得到T1时间段内的直流电压U1*和/或T2时间段内的直流电压U2*；且/或

在步骤S4和/或步骤S6中，采取电流闭环控制和单极性倍频调制方法来控制H桥逆变器的输出电流。

其中，还包括有过压保护电路，过压保护电路包含耗能电阻、IGBT开关管、二极管，其中耗能电阻串联该IGBT开关管形成耗能电阻支路，耗能电阻支路跨接于晶闸管整流电路输出端的直流母线之间，二极管与耗能电阻并联且其阴极朝向直流母线的正母线，且/或

H桥逆变器的输出端连接有用于对输出电流谐波进行滤波的输出滤波电路。

其中，所述变压器为副边多绕组变压器，其中每个副边均接一组依序电连接的晶闸管整流电路、H桥逆变器，且各个H桥逆变器的输出级联。

其中，所述程序被所述控制器执行时，对每个晶闸管整流电路单独采取电压闭环控制，对各个H桥逆变器则采取集中电流闭环控制，通过将电流闭环输出的调制波与各载波移相的三角波进行比较得到各H桥臂开关管的驱动脉冲。

其中，所述变压器为副边多绕组变压器，其中每个副边均接一组依序电连接的晶闸管整流电路、H桥逆变器，且各个H桥逆变器的输出并联。

其中，所述程序被所述控制器执行时，对每个H桥逆变器单独采取电流闭环控制，对每个晶闸管整流电路单独采取电压闭环控制。

其中，所述变压器、晶闸管整流电路工作于三相或单相。

本发明是针对控制目标而提出采用一种晶闸管整流加H桥逆变的电气拓扑结构，并基于该主电路电气拓扑结构，提出相应的关键参数设计方法及控制流程与方法，使电感线圈在充电电流从零慢慢增大过程中，电感线圈中的电流和电压谐波毛刺非常小，控制输出的谐波幅值理论上能实现尽可能接近于0,相比于在H桥的输出光采取高频滤波的传动方法效果好，能真正实现非常平滑的电流波形，避免或减小电感线圈在通流时产生的强大磁场中出现高频电磁波辐射，从而避免对周围环境和设备的电磁干扰影响。而在电感线圈快速放电过程中，控制H桥直流侧电压快速上升到足够高的直流电压，足以使电感线圈电流在H桥逆变输出的直流负电压作用下迅速控制降到零。从而实现图1提到的电流示意波形。并且，本发明采用H桥逆变来控制电感线圈的电流快速下降，比传统的仅靠电感线圈简单地带电阻消耗能量放电要好，因为仅靠电阻放电的话，放电电流的波形控制将靠等效放电电阻阻值的控制来完成，电阻等效阻值的控制远比采用H桥来实现电感线圈两端的电压控制来实现放电电流的波形复杂，实现难度也非常大。

所述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的所述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的台件。

在附图中：

图1示出了电感线圈的电流和电压波形示意图；

图2示出了本发明的电源主电路电气拓扑电路；

图3示出了本发明的控制流程图；

图4示出了本发明的电感线圈电流波形实例图；

图5为本发明的线圈电流仿真控制波形图；

图6为本发明的H桥级联输出的电气拓扑结构；

图7为本发明的H桥并联输出的电气拓扑结构；

图8为基于单相交流电压输入的电源主电路电气拓扑电路；

图9为基于单相交流电压输入的H桥级联输出的电气拓扑结构；

图10为基于单相交流电压输入的H桥并联输出的电气拓扑结构。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了实现图1所示的电感线圈的电流与电压波形，本发明提出的电源结构采用图2所示的主电路电气拓扑方案，整个主电路主要由依序电连接的变压器1、晶闸管整流电路2、直流侧滤波电路3、过压保护电路4、H桥逆变器5、输出滤波电路6及作为负载的电感线圈7几部分组成。

图示中的电感线圈7就是要实现电流充放电波形控制的纯电感负载。

图2所示电路中，变压器1主要作用是实现输入电压大小匹配，为晶闸管整流电路2提供合适的交流输入电压。

晶闸管整流电路2的作用是通过控制晶闸管的导通角将交流电压变换成后面的直流侧电压。

直流滤波电路3由分别串联于直流母线的两个电感以及两端跨接直流母线的电容组成，用于减小晶闸管整流输出的直流纹波电压，进一步降低充电过程中电感线圈上的谐波电压毛刺。

过压保护电路4由耗能电阻、IGBT开关管、二极管构成，耗能电阻串联IGBT开关管形成耗能电阻支路，耗能电阻支路跨接于直流母线之间，二极管与耗能电阻并联，其阴极朝向直流正母线。过压保护电路4用于防止直流母线电压过压，当电感线圈7的电流能量通过H桥的续流二极管回流到直流侧，导致直流侧出现过压时，通过控制开通耗能电阻支路的IGBT开关管，将直流侧多余的能量消耗掉。

H桥逆变器5由四个IGBT开关管组成，作用是控制电感线圈7两端的电压，实现其目标电流波形，实现电感电流缓慢充电而快速放电，其中，IGBT开关管由于额定参数为4500V/3000A，可支撑电路工作于大功率环境，并达到高速通断控制。

输出滤波电路6与直流滤波电路3结构相同，作用是对输出电流谐波进行滤波，进一步降低充电过程中电感线圈上的电流谐波。

本发明中，为了进行晶闸管整流控制，设有多个电压传感器实时采样检测晶闸管整流电路2的输入端的交流电压ua、ub及uc大小，以及直流侧的正负母线间的电压大小。为了控制H桥的输出电流，对H桥逆变器5的输出侧电流也设置电流传感器进行实时检测采样。

为了提高输出电流的控制精度，减小高频谐波毛刺，选取高精度的电压与电流传感器，比如为了使输出电压谐波毛刺幅值小于1V，输出电流谐波毛刺小于1A，则直流母线的电压传感器的采样误差要求≤0.5V，输出的电流传感器的采样误差要求≤0.5A。

本发明中，设置控制器来接收各电压传感器、电流传感器的电参数，并控制晶闸管、IGBT开关管、H桥逆变器的开关导通。

为保障在电流上升时间T1与电流下降时间T2内的电流精确控制，确保谐波电流峰值小于1A，同时实现充电过程中电感线圈上的谐波电压毛刺峰值小于1V，需要控制几个主要系统参数如下：

1)根据图1中电感线圈在T1时间段内的电流目标波形，测算出电流最大变化率di/dt,假设电感线圈的电感量为L，假设H桥单个IGBT开关管导通压降为U_IGBT，假设采取的PWM调制中最大调制比为η，则直流侧母线的直流工作电压大小可按公式Udc^*＝|L×di/dt|/η+2×U_IGBT+U₀进行估算，其中U₀为设计裕量，在5到10伏的范围内取值，为了使输出高频谐波电压和谐波电流毛刺幅值尽可能小，在满足电流准确控制的前提下，U₀尽可能取小，参考实际IGBT开关管的一般导通电压大小在2到3V，为简化计算，可经验取Udc^*＝|L×di/dt|+15伏。

2)根据1)的分析，在图示T1的时间段内，直流母线工作电压非常小，比如在15伏以内，而在T2时间段内，由于电感线圈的电流下降变化率较大，由此产生的反电势非常大，这就要求H桥直流侧工作电压非常高，比如大到2000V，这时直流母线电压就必须大到2010左右V。因此为了同时满足T1时间段和T2时间段对直流侧工作电压的要求，整流部分必须配套采用晶闸管整流，并采取电压闭环控制方法通过控制晶闸管的导通角来得到T1时间段内的低直流电压和T2时间段内的高直流电压。

具体而言，如图3所示，整个系统的控制流程包括以下步骤：

S1、根据T1时间段内电感线圈的电流变化率情况，参考估算公式Udc*＝|L×di/dt|+15计算确定该时间段内的直流电压目标值U1*；

S2、根据T2时间段内电感线圈的电流变化率情况，计算确定该时间段内的直流电压目标值U2*；

S3、晶闸管整流电路进入电压闭环控制，设定直流侧电压控制指令为恒定的U1*；

S4、启动H桥逆变器，采取电流闭环控制和单极性倍频调制方法控制其输出电流跟踪T1时间段内电感线圈电流缓慢上升的目标电流波形；

S5、T1时间段结束时刻，将直流侧电压控制指令改为恒定的U2*；

S6、在电流闭环和单极性倍频调制控制下，控制H桥逆变器的输出电流跟踪T2时间段内电感线圈电流快速下降的目标电流波形，直至下降到0。

控制流程中的晶闸管整流的电压闭环控制以及H桥的电流闭环和单极性倍频调制方法是常规的控制方法，在相关专业书籍上能找到描述，这里不再阐述。

本发明是针对控制目标而提出采用一种晶闸管整流加H桥单相逆变的电气拓扑结构，并基于该主电路电气拓扑结构，提出相应的关键参数设计方法及控制流程与方法，使电感线圈在充电电流从零慢慢增大过程中，电感线圈中的电流和电压谐波毛刺非常小，控制输出的谐波幅值理论上能实现尽可能接近于0,相比于在H桥的输出光采取高频滤波的传动方法效果好，能真正实现非常平滑的电流波形，避免或减小电感线圈在通流时产生的强大磁场中出现高频电磁波辐射，从而避免对周围环境和设备的电磁干扰影响。而在电感线圈快速放电过程中，控制H桥直流侧电压快速上升到足够高的直流电压，足以使电感线圈电流在H桥逆变输出的直流负电压作用下迅速控制降到零。从而实现前面图1提到的电流示意波形。

需要重点指出的是，本发明采用H桥逆变来控制电感线圈的电流快速下降，比传统的仅靠电感线圈简单地带电阻消耗能量放电要好，因为仅靠电阻放电的话，放电电流的波形控制将靠等效放电电阻阻值的控制来完成，电阻等效阻值的控制远比采用H桥来实现电感线圈两端的电压控制来实现放电电流的波形复杂，实现难度也非常大。

为便于理解上述方案，这里列举一个简单的实例辅助理解，假设电感线圈的电感量为600mH，其充放电电流波形大致如下图4所示，在0到50秒内，需要电源为电感线圈充电的电流从0线性递增到最大值100A，而在100秒的结束时刻，电源又必须实现电感线圈的电流从最大值100A在0.1秒内迅速放电到0。

基于前面提出的方法，参考经验公式Udc^*＝(L×di/dt)+15，在电流上升段可取H桥的直流侧目标控制电压U1^*恒定为16.2V。在放电阶段可取直流侧目标控制电压U2^*恒定为615V。相应的，晶闸管整流输出端的输入交流电压可取460V左右，然后根据上述控制流程控制上述拓扑结构工作，得到图5所示的根据上述原理方法进行仿真控制得到的线圈电流电压波形图(IGBT开关管开关频率3000Hz)，从仿真图可知，基于所提出的系统电气原理和控制方法控制电感线圈电流达到了较高的效果，实际电流谐波电流幅值小于0.2A，电感线圈上的电压谐波毛刺峰值小于1V。

根据电感线圈电流的大小以及电流下降时反电动势的大小的不同需要，本发明的主电路电气拓扑有几种变形：

比如电感反电动势太大时，为了实现更大的直流输出电压，变压器1可采用副边多绕组变压器，其中每个副边均接一组依序电连接的晶闸管整流电路2、直流侧滤波电路3、过压保护电路4、H桥逆变器5，然后将各个H桥逆变器5的输出级联，当然，可以在每个H桥逆变器5的输出端处设置输出滤波电路6进行滤波，其结构如如图6所示。

控制时，每个晶闸管整流电路2单独采取电压闭环控制，晶闸管整流电路2输出的直流电压目标值设置方法与图3所示方法类似，而各H桥整体则采取集中电流闭环控制，电流闭环输出的调制波与各载波移相的三角波进行比较得到各H桥臂IGBT开关管的驱动脉冲。因这里的H桥级联控制方法不是本发明的关键，也是可在相关文献中找到介绍，因此这里不再赘述。

而需要输出的电感电流太大时，可以在图6所示拓扑结构的基础上，将各个H桥逆变器5的输出改为并联，结构如图7所示。控制时，每个H桥逆变器5单独采取电流闭环控制，每个晶闸管整流电路2单独采取电压闭环控制，晶闸管整流电路2输出的直流电压目标值设置方法与图3所示方法类似，这里不再赘述。

另外，本发明虽然详细介绍的方案是以变压器输入为三相交流电的情形，倘若只有单相交流电输入的情况下，则采取对图2改进成如图8所示型式，即输入侧(变压器、晶闸管整流电路)由三相变成单相。而图6与图7做类似地改进，分别如图9和图10所示，这些都应属于本专利为实现电感线圈充放电波形而提出的电气方案的专利保护范围。

本发明中，图3所示方法可以被编程为程序步骤及装置存储于计算机可读存储介质中，通过被控制器调用执行的方式进行实施。且计算机可读存储介质中的所述程序被控制器执行时，实现图3所示方法。其中，所述装置应当被理解为计算机程序实现的功能模块。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (9)

1.一种电感线圈充放电电源，其特征在于：

包括有依序电连接的用于实现输入电压大小匹配的变压器、通过导通角将交流电压变换成直流电压的晶闸管整流电路、用于减少直流纹波的直流侧滤波电路、用于控制电感线圈两端电参数的H桥逆变器和作为负载的电感线圈，

还包括有用于采集晶闸管整流电路输出电压的电压传感器、用于采集H桥逆变器输出侧电流的电流传感器，以及用于接收电压传感器、电流传感器电参数并控制晶闸管、H桥逆变器关断的控制器，

还包括有计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序被所述控制器执行时实现以下步骤：

S1、控制晶闸管整流电路恒定输出直流电压U1*，其中U1*为根据T1时间段内电感线圈的电流变化率情况所计算而得的该时间段内的直流电压目标值；

S2、启动H桥逆变器，控制其输出电流跟踪T1时间段内电感线圈电流缓慢上升的目标电流波形；

S3、在T1时间段结束时刻，控制晶闸管整流电路恒定输出直流电压U2*，其中U2*为根据T2时间段内电感线圈的电流变化率情况所计算而得的该时间段内的直流电压目标值；

S4、控制H桥逆变器的输出电流跟踪T2时间段内电感线圈电流快速下降的目标电流波形。

2.如权利要求1所述的电感线圈充放电电源，其特征在于，在相应时间段内，根据电感线圈的电流变化率情况计算相应直流电压目标值的方法进一步包括：

根据相应时间段内的电流目标波形，测算出该时间段的电流最大变化率di/dt,根据直流电压目标值Udc^*＝|L×di/dt|/η+2×U_IGBT+U₀，算出该时间段的直流电压目标值，式中，L为电感线圈的电感量，U_IGBT为H桥逆变器中单个开关的导通压降，η为PWM调制中最大调制比，U₀为设计裕量。

3.如权利要求1所述的电感线圈充放电电源，其特征在于，

在步骤S1和/或步骤S3中，采取电压闭环控制方法通过控制晶闸管的导通角来得到T1时间段内的直流电压U1*和/或T2时间段内的直流电压U2*；且/或

在步骤S2和/或步骤S4中，采取电流闭环控制和单极性倍频调制方法来控制H桥逆变器的输出电流。

4.如权利要求1-3任一项所述的电感线圈充放电电源，其特征在于，

还包括有过压保护电路，过压保护电路包含耗能电阻、IGBT开关管、二极管，其中耗能电阻串联该IGBT开关管形成耗能电阻支路，耗能电阻支路跨接于晶闸管整流电路输出端的直流母线之间，二极管与耗能电阻并联且其阴极朝向直流母线的正母线，且/或

H桥逆变器的输出端连接有用于对输出电流谐波进行滤波的输出滤波电路。

5.如权利要求1所述的电感线圈充放电电源，其特征在于，所述变压器为副边多绕组变压器，其中每个副边均接一组依序电连接的晶闸管整流电路、H桥逆变器，且各个H桥逆变器的输出级联。

6.如权利要求5所述的电感线圈充放电电源，其特征在于，所述程序被所述控制器执行时，对每个晶闸管整流电路单独采取电压闭环控制，对各个H桥逆变器则采取集中电流闭环控制，通过将电流闭环输出的调制波与各载波移相的三角波进行比较得到各H桥臂开关管的驱动脉冲。

7.如权利要求1所述的电感线圈充放电电源，其特征在于，所述变压器为副边多绕组变压器，其中每个副边均接一组依序电连接的晶闸管整流电路、H桥逆变器，且各个H桥逆变器的输出并联。

8.如权利要求7所述的电感线圈充放电电源，其特征在于，所述程序被所述控制器执行时，对每个H桥逆变器单独采取电流闭环控制，对每个晶闸管整流电路单独采取电压闭环控制。

9.如权利要求1、5或7所述的电感线圈充放电电源，其特征在于，所述变压器、晶闸管整流电路工作于三相或单相。