CN114050729B - 一种脉冲负载的恒功率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉冲负载的恒功率控制方法，该控制方法应用于所述的一种脉冲负载的恒功率控制电路，计算参考的Umidbus_ref值与实际的Umidbus值的误差值△Umidbus；根据△Umidbus的范围，确定参考的Imidbus_ref值。本发明解决了现有技术存在的以下问题：不能有效解决电子设备引起供电设备工作不稳定的问题，匹配负载增加了电子设备的用电需求与散热需求，可靠性较低，且只能适应固定的脉冲功率变换幅度。

Description

一种脉冲负载的恒功率控制方法
技术领域
本发明涉及电功率技术领域，具体是一种脉冲负载的恒功率控制方法。
背景技术
电子设备的工作电压为直流电，供电设备往往是交流电源，因此需要通过整流技术将供电设备提供的交流电转化为电子设备工作需要的直流电。传统二极管整流电路或多脉冲整流电路产生大量的谐波电流，易引起电磁兼容性问题，且功率因数较低，增加了线路损耗，造成供电设备温升偏高、降低使用寿命。采取有源功率因数校正电路可以解决上述问题，且随着电力电子变换技术的成熟，其体积、重量与功率密度特性均优于传统整流电路，并易于实现模块化组合。有源功率因数校正电路分为升压型与降压型两种，降压型即电流型Buck电路因高可靠性、无直通短路故障、输出电压较低、无需软启动电路等优点，在特种领域得到广泛应用。
根据工作模式要求，雷达或电子战等电子设备的用电功率将呈宽频段、脉冲变化特性。由于该类电子设备的用电功率需求越来越大、供电设备的功率容量有限，当脉冲用电功率容量占供电设备输出功率容量的比重达到40%以上、且脉冲变化频率与供电设备闭环控制环路频率重合时，会影响供电设备的工作稳定性，进而引起供电设备输出电压幅值不稳定、调制系数超过GJB181相关标准规定要求。
目前，采用在电子设备内增加储能电容的方式可降低电子设备脉冲功率变化的斜率，但受体积、重量等因素限制，储能电容的容量远远低于需求容量，并不能有效解决电子设备引起供电设备工作不稳定的问题。另外，采取在电子设备内增加匹配负载的方式可降低电子设备脉冲功率变化的幅度，但匹配负载增加了电子设备的用电需求与散热需求，可靠性较低，且只能适应固定的脉冲功率变换幅度。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种脉冲负载的恒功率控制方法，解决现有技术存在的以下问题：不能有效解决电子设备引起供电设备工作不稳定的问题，匹配负载增加了电子设备的用电需求与散热需求，可靠性较低，且只能适应固定的脉冲功率变换幅度。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种脉冲负载的恒功率控制电路，包括依次电相连的三相交流输入端口、降压型Buck PFC变换器、两相交错升压型稳压电路、控制器，所述控制器与所述降压型Buck PFC变换器、所述两相交错升压型稳压电路电相连，所述三相交流输入端口用以输入待进行恒功率控制的信号，所述降压型Buck PFC变换器用以将产生的待进行恒功率控制的信号的电压升高，降压型Buck PFC变换器的输出电压记作Umidbus，降压型Buck PFC变换器的输出电流记为Imidbus，所述两相交错升压型稳压电路用以将经所述降压型Buck PFC变换器电压升高的信号的电压进一步升高，输出电压记作Uboost，所述控制器用以控制所述降压型BuckPFC变换器、所述两相交错升压型稳压电路。
作为一种优选的技术方案，还包括输入滤波电路，三相交流输入端口、输入滤波电路、降压型Buck PFC变换器依次电相连。
一种脉冲负载的恒功率控制方法，应用于所述的一种脉冲负载的恒功率控制电路，计算参考的Umidbus_ref值与实际的Umidbus值的误差值△Umidbus；根据△Umidbus的范围，确定参考的Imidbus_ref值。
作为一种优选的技术方案，根据△Umidbus的范围，确定维持Pmidbus_ref/Umidbus值得到Imidbus_ref或在Pmidbus_ref/Umidbus值的基础上增加补偿量、减去补偿量得到Imidbus_ref。
作为一种优选的技术方案，若△Umidbus＞A，则在Pmidbus_ref/Umidbus值的基础上增加补偿量；其中，9V＜A＜11V。
作为一种优选的技术方案，若△Umidbus＜B，则在Pmidbus_ref/Umidbus值的基础上减去补偿量。
作为一种优选的技术方案，若B≤△Umidbus≤A，则维持Pmidbus_ref/Umidbus值得到Imidbus_ref；其中，-11V＜B＜-9V。
作为一种优选的技术方案，A=10V，B=-10V。
作为一种优选的技术方案，在Pmidbus_ref/Umidbus值的基础上增加的补偿量和/或减去的补偿量由PID环路运算得到。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
本发明本仅需优化电压外环的控制方法即可消除脉冲负载对供电电源的不利影响，无需额外的储能电容和匹配负载，不增加硬件电路的复杂性。
附图说明
图1为本发明所述的一种脉冲负载的恒功率控制电路的电路示意图；
图2为本发明所述的一种脉冲负载的恒功率控制方法的结构框图；
图3为本发明所述的一种脉冲负载的恒功率控制方法的一个实施效果图。
附图中标记及相应的零部件名称：1、三相交流输入端口，2、输入滤波电路，3、降压型Buck PFC变换器，4、两相交错升压型稳压电路，5、控制器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图3所示，一种脉冲负载的恒功率控制电路，包括依次电相连的三相交流输入端口1、降压型Buck PFC变换器3、两相交错升压型稳压电路4、控制器5，所述控制器5与所述降压型Buck PFC变换器3、所述两相交错升压型稳压电路4电相连，所述三相交流输入端口1用以输入待进行恒功率控制的信号，所述降压型Buck PFC变换器3用以将产生的待进行恒功率控制的信号的电压升高，降压型Buck PFC变换器3的输出电压记作Umidbus，降压型Buck PFC变换器3的输出电流记为Imidbus，所述两相交错升压型稳压电路4用以将经所述降压型Buck PFC变换器3电压升高的信号的电压进一步升高，输出电压记作Uboost，所述控制器5用以控制所述降压型Buck PFC变换器3、所述两相交错升压型稳压电路4。
作为一种优选的技术方案，还包括输入滤波电路，三相交流输入端口、输入滤波电路、降压型Buck PFC变换器依次电相连。
一种脉冲负载的恒功率控制方法，应用于所述的一种脉冲负载的恒功率控制电路，计算参考的Umidbus_ref值与实际的Umidbus值的误差值△Umidbus；根据△Umidbus的范围，确定参考的Imidbus_ref值。
作为一种优选的技术方案，根据△Umidbus的范围，确定维持Pmidbus_ref/Umidbus值得到Imidbus_ref或在Pmidbus_ref/Umidbus值的基础上增加补偿量、减去补偿量得到Imidbus_ref。
作为一种优选的技术方案，若△Umidbus＞A，则在Pmidbus_ref/Umidbus值的基础上增加补偿量；其中，9V＜A＜11V。
作为一种优选的技术方案，若△Umidbus＜B，则在Pmidbus_ref/Umidbus值的基础上减去补偿量。
作为一种优选的技术方案，若B≤△Umidbus≤A，则维持Pmidbus_ref/Umidbus值得到Imidbus_ref；其中，-11V＜B＜-9V。
作为一种优选的技术方案，A=10V，B=-10V。
作为一种优选的技术方案，在Pmidbus_ref/Umidbus值的基础上增加的补偿量和/或减去的补偿量由PID环路运算得到。
实施例2
如图1至图3所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
本发明属于电子技术领域，尤其涉及针对用电功率呈现脉冲特性的电子设备电路。
基于有源功率因数校正电路，主要采用相对简单控制方法，可减弱或甚至消除电子设备的脉冲负载特性，使供电设备稳定工作。
降压型三相功率因数校正变换电路如图1所示，由三相交流输入端口a/b/c、输入滤波电路、降压型Buck PFC变换器、两相交错升压型稳压电路Boost Converter、直流中压输出端口+Umidbus（以下简称中压）、直流升压输出端口+Uboost、数字控制器等组成。具体工作原理如下，115Vrms(L-N)/199Vrms(L-L)三相交流输入端口通过a/b/c输入端口经滤波电路为降压型PFC转换电路提供电能，PFC控制转换后在直流中压输出端口+Midbus产生一个200V预稳压直流中压输出，同时，升压型稳压电路Boost Converter将直流中压再次升压转换为270V，经直流升压输出端口+Vout输出。两个输出(+Midbus输出端和+Vout输出端)的返回端口都是-Vout端口。降压型Buck PFC变换器一般采用外环电压环、内环电流环的双环控制策略，环路输出为调制比，可采用SPWM或SPWM调制产生PWM脉冲信号控制开关管。常规电压外环的控制方法以参考电压为控制目标，经过PID环路控制实时调整调制比，使得电压输出电压尽可能稳定在参考电压值。对于脉冲负载，由于存在稳压环路，该控制策略将导致供电端的输入功率呈现周期性波动。
对于雷达或电子战等电子设备，其工作特性决定了负载功率呈周期性波动，若不采用特殊控制方法，根据能量守恒，降压型三相功率因数校正变换电路（即图1所示电路）的输入功率也同样呈现周期型波动，其频率范围1Hz~10kHz。在发电机供电的应用场合，因发电机转速的动态响应速度较慢，若三相交流电流呈现脉冲的波动，发电机端口的输出电压也将随之震荡，严重时将导致过欠压停机甚至损坏电气设备，输入电流的波动频率也易引起电磁兼容性问题。
如图2所示，本专利提出一种新型的恒功率控制方法，通过两级变换器的中压电压端承受一定的波形纹波，减少脉冲负载对输入电流的影响，提高整机设备的稳定性。新型的恒功率控制方法与传统控制方法不同的地方为红色框内部分，恒功率控制方法计算参考中压值Umidbus_ref与实际中压值Umidbus的差值为中压误差值△Umidbus，当中压误差绝对值在10V范围以内，将其视为正常的电压波动范围，控制目的为稳定连续的平均功率，而非严格的稳压。此时通过滤波计算中压的平均功率Pmidbus_ref除以实际的中压Umidbus即可得到参考中压平均电流，通过与实际的中压平均电流经过PID环路运算后，得到调制比。
若△Umidbus大于10V，实际中压低于参考电压10V以上，在原参考平均电流基础上增加补偿量X，X可通过△Umidbus、Pmidbus_ref采用PID或其它控制公式得到，其目的是在原参考平均电流的基础上增大参考电流，提高调制比，进而提高中压，使得中压恢复至10V范围之内。
反之，若△Umidbus小于-10V，实际中压大于参考电压10V以上，在原参考平均电流基础上减去补偿量Y，Y可通过△Umidbus、Pmidbus_ref采用PID或其它控制公式得到，其目的是在原参考平均电流的基础上减少参考电流，提高调制比，进而降低中压，使得中压恢复至10V范围之内。
对于周期型波动的脉冲负载，其平均功率为恒定值，因此变换器将工作在稳定的恒功率控制环路即10V误差之内。恒功率控制方法的缺点是带来了一定的中压电压波动，但实际上，脉冲型负载一般使用如28V左右的低压电源，即在降压型三相功率因数校正变换电路的后级再加一级高压270V转28V的DC/DC隔离稳压直流电源。因此，中压的小范围波动仅微弱影响升压Boost输出电压，而对终端低压基本不会产生电压波动。
△Umidbus可以根据变换器电路参数任意设置，该门限设置较小时变换器适应脉冲负载的能力较差，该门限设置较大时变换器适应脉冲负载的能力较好、但会造成输出电压纹波变大。
恒功率控制方法可应用于任何两级变换器的控制环路中。
本发明的特点是仅需优化电压外环的控制方法即可消除脉冲负载对供电电源的不利影响，无需额外的储能电容和匹配负载，不增加硬件电路的复杂性。
图3为本发明的一个实施效果图，在同样的脉冲负载情况下，未加恒功率控制方法时，交流输入电流呈现周期性的脉冲波动，当施加恒功率控制方法后输入电流波形稳定，仅midbus中压的变化幅度略有增加。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种脉冲负载的恒功率控制方法，其特征在于，应用于以下脉冲负载的恒功率控制电路，包括依次电相连的三相交流输入端口（1）、降压型Buck PFC变换器（3）、两相交错升压型稳压电路（4）、控制器（5），所述控制器（5）与所述降压型Buck PFC变换器（3）、所述两相交错升压型稳压电路（4）电相连，所述三相交流输入端口（1）用以输入待进行恒功率控制的信号，所述降压型Buck PFC变换器（3）用以将产生的待进行恒功率控制的信号的电压升高，降压型Buck PFC变换器（3）的输出电压记作Umidbus，降压型Buck PFC变换器（3）的输出电流记为Imidbus，所述两相交错升压型稳压电路（4）用以将经所述降压型Buck PFC变换器（3）电压升高的信号的电压进一步升高，输出电压记作Uboost，所述控制器（5）用以控制所述降压型Buck PFC变换器（3）、所述两相交错升压型稳压电路（4）；
计算参考的Umidbus_ref值与实际的Umidbus值的误差值△Umidbus；根据△Umidbus的范围，确定维持Pmidbus_ref/Umidbus值得到Imidbus_ref或在Pmidbus_ref/Umidbus值的基础上增加补偿量、减去补偿量得到Imidbus_ref，从而确定参考的Imidbus_ref值；
其中，Umidbus_ref值表示参考中压值，Umidbus表示实际中压值，△Umidbus表示中压误差值，Pmidbus_ref表示中压的平均功率，Imidbus_ref表示参考中压平均电流。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲负载的恒功率控制方法，其特征在于，若△Umidbus＞A，则在Pmidbus_ref/Umidbus值的基础上增加补偿量；其中，9V＜A＜11V。
3.根据权利要求2所述的一种脉冲负载的恒功率控制方法，其特征在于，若△Umidbus＜B，则在Pmidbus_ref/Umidbus值的基础上减去补偿量。
4.根据权利要求3所述的一种脉冲负载的恒功率控制方法，其特征在于，若B≤△Umidbus≤A，则维持Pmidbus_ref/Umidbus值得到Imidbus_ref；其中，-11V＜B＜-9V。
5.根据权利要求4所述的一种脉冲负载的恒功率控制方法，其特征在于，A=10V，B=-10V。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种脉冲负载的恒功率控制方法，其特征在于，在Pmidbus_ref/Umidbus值的基础上增加的补偿量和/或减去的补偿量由PID环路运算得到。
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