專利名稱：一種基于能量變換的交流變流方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的領(lǐng)域，特別是一種基于能量變換的交流變流方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)模式變換器SMC是直流可變電源、交流電源和其它變換器電源的主要實現(xiàn)方式。在交流電源、電氣傳動系統(tǒng)和不間斷電源UPS中使用的交流變流器，目前普遍采用脈沖寬度調(diào)制SPWM或多重化技術(shù)產(chǎn)生高頻脈沖波，通過電機電感或輸出濾波器得到近似的交流正弦信號，克服了傳統(tǒng)交流變流器中的低次諧波。但由于SPWM中存在著高次諧波，高次諧波產(chǎn)生的損耗引起電機過熱；為濾除高次諧波而使用的濾波器則會產(chǎn)生附加損耗，且增加裝置的體積和成本。而在采用SPWM的調(diào)制方法時，為減少SPWM中的諧波分量，人們不得不提高調(diào)制頻率，而這又不可避免的增加了變流器的開關(guān)損耗。因此長期以來，人們一直致力于研制可以產(chǎn)生標準正弦電壓的拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法。提高交流輸出電壓質(zhì)量(減少諧波分量)一直是交流變換器要解決的主要問題之一。據(jù)有關(guān)研究資料表明，交流拖動系統(tǒng)在總的電氣拖動系統(tǒng)中的比例目前已經(jīng)達到85％。而且舊的交直流調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)改造也有很大的市場容量。隨著交流變換器價格的降低，質(zhì)量和容量的不斷的提高，UPS的應(yīng)用也在不斷擴大。因此高質(zhì)量的交流變流器具有廣泛的市場前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種基于能量變換的交流變流方法及裝置，該方法及裝置涉及的交流變流技術(shù)采用雙復(fù)合式斬波電路，將輸出電壓與給定的電壓相比較，計算出需要轉(zhuǎn)換的電能量，決定開關(guān)管的通斷，完成輸出電壓對正弦給定的滯環(huán)跟蹤，消除了諧波分量，免去了交流變頻電源中的輸出濾波器；該方法應(yīng)用在電氣拖動領(lǐng)域，可防止了高頻諧波造成的損耗和電氣疲勞。
本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于能量變換的交流變流的方法，其特征在于它是由以下步驟所組成(1)由正弦信號發(fā)生器根據(jù)給定電路的給定電壓和給定頻率產(chǎn)生正弦參考信號；(2)由減法器比較器單元對檢測電路給出的輸出電壓和上述正弦參考信號進行減法運算，當結(jié)果大于設(shè)定的誤差值ΔVR時，對驅(qū)動單元給出觸發(fā)開關(guān)管Q2的信號；當結(jié)果小于設(shè)定的誤差值-ΔVR時，對驅(qū)動單元給出觸發(fā)開關(guān)管Q1的信號；(3)由乘方運算單元完成對正弦信號發(fā)生器給出的給定電壓和檢測電路給出的檢測電壓進行平方運算，運算規(guī)則遵循下式；C3L1×VR2----C3L1×V02]]>(4)由乘法器積分器單元根據(jù)檢測電路給出的檢測電壓和輸出電流完成負載在一個周期內(nèi)消耗的能量的計算，計算規(guī)則遵循下式；2L1×∫onoffv0(t)io(t)dt]]>(5)由加減法平方根運算單元根據(jù)乘法運算單元的結(jié)果和乘法積分器單元的結(jié)果計算出開關(guān)管關(guān)斷時要求的電感電流值；(6)由比較器單元根據(jù)加減法平方根運算單元計算的電感電流值和檢測電路檢測的電感電流進行比較，當檢測的電感電流等于計算的電感電流值時，對驅(qū)動單元給出開關(guān)管的關(guān)斷信號。
一種基于能量變換的交流變流裝置，其特征在于它是由交流變流主電路、給定電路、檢測電路、基于能量變換的交流變流方法的控制電路及驅(qū)動電路所構(gòu)成，所說的交流變流主電路采用雙復(fù)合式斬波器電路，交流變流主電路的輸入端連接直流電壓；給定電路給出交流電壓值和頻率值到基于能量變換的交流變流方法的控制電路的相應(yīng)輸入端；交流變流主電路的輸出電壓、電感電流、負載電流經(jīng)檢測電路變換后連接到基于能量變換的交流變流方法的控制電路的相應(yīng)輸入端，基于能量變換的交流變流方法的控制電路的控制輸出端經(jīng)驅(qū)動電路與主電路的控制輸入端連接，交流變流主電路的電壓輸出端連接外接負載。
上述所說的交流變流主電路采用的雙復(fù)合式斬波器電路是由電容C1、開關(guān)管Q1、整流管D1、開關(guān)管Q2、整流管D2、電感L1、電容C3構(gòu)成負值正弦波電路；由電容C2、開關(guān)管Q3、整流管D3、開關(guān)管Q4、整流管D4、電感L2、電容C4構(gòu)成正值正弦波電路，二電路共同為負載提供正弦波輸出電壓。
上述所說的基于能量變換的交流變流方法的控制電路是由正弦信號發(fā)生器電路、減法器比較器電路、乘方運算器電路、乘法器積分器電路、加減法平方根運算電路及比較器電路構(gòu)成；由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦參考信號分別給減法比較器電路和乘法運算電路；減法器比較器電路的輸出電壓輸入端連接檢測電路的輸出電壓檢測端，減法器比較器電路的觸發(fā)輸出端連接驅(qū)動電路的觸發(fā)信號輸入端；正弦信號發(fā)生器的給定電壓輸出端和檢測電路的檢測電壓輸出端經(jīng)乘方運算電路與加減法平方根運算電路連接；檢測電路的檢測電壓輸出端和負載電流輸出端經(jīng)乘法器積分器電路與加減法平方根運算電路連接；加減法平方根運算電路的電感電流計算值輸出端和檢測電路的電感電流檢測輸出端經(jīng)比較器電路與驅(qū)動電路的關(guān)斷信號輸入端連接。
上述所說的控制電路中的各運算單元電路可以由微機系統(tǒng)總成，也可以由各硬件運算單元構(gòu)成。
本發(fā)明的工作原理與工作過程為本發(fā)明所闡述的交流變流方法及裝置輸出低諧波的正弦波形。其中主電路的工作原理與工作過程為在主電路中(見圖2)，由電容C1、開關(guān)管Q1、整流管D1、開關(guān)管Q2、整流管D2、電感L1、電容C3構(gòu)成負值正弦波電路，產(chǎn)生圖3所示的上面的虛線正弦波形；由電容C2、開關(guān)管Q3、整流管D3、開關(guān)管Q4、整流管D4、電感L2、電容C4構(gòu)成正值正弦波電路，產(chǎn)生圖3所示的下面的細實線正弦波形；兩個波形疊加后在負載上的輸出電壓波形如圖3中的粗實線所示的正弦電壓?？傠娐返墓ぷ髟砼c工作過程為由給定電路給出交流電壓值和頻率值；由檢測電路從上至下分別得到輸出電壓檢測信號、負載電流檢測信號、電感電流檢測信號；由控制電路完成基于能量變換的變流控制的運算，決定開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷；由驅(qū)動單元根據(jù)控制電路的觸發(fā)和關(guān)斷信號，驅(qū)動開關(guān)管的通斷。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于1、將二套直流復(fù)合式斬波電路反向串聯(lián)，從而構(gòu)成交流變流主電路，具有創(chuàng)新性；2、采用能量變換控制方法能直接輸出正弦電壓波形，具有創(chuàng)新性；3、解決了目前采用的SPWM調(diào)制方式中會產(chǎn)生一定的損耗的高次諧波且為去除高次諧波需要附加濾波器的麻煩，減少了裝置的體積、成本和損耗，提高了效率，具有實用性和先進性；4、傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)在負載變化和其它擾動的影響下，有一定的動態(tài)調(diào)整時間和超調(diào)量；采用現(xiàn)代控制方式必須了解控制對象的傳遞函數(shù)；而開關(guān)式變流器，其數(shù)學(xué)模型的建立是比較難的，采用本發(fā)明的能量變換方法解決了上述問題。


附圖1為本發(fā)明所涉一種基于能量變換的交流變流方法的裝置的整體電路框圖。
附圖2為本發(fā)明所涉一種基于能量變換的交流變流方法的裝置中的交流變流主電路結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3為本發(fā)明所涉一種基于能量變換的交流變流方法的裝置中的交流變流主電路輸出電壓波形示意圖。
附圖4為本發(fā)明所涉一種基于能量變換的交流變流方法的裝置中的控制電路電路框圖。
其中C1、C2、C3、C4為電容，D！、D2、D3、D4為整流管，Q！、Q2、Q3、Q4為開關(guān)管，L！、L2為電感。
具體實施例方式實施例一種基于能量變換的交流變流的方法，其特征在于它是由以下步驟所組成(1)由正弦信號發(fā)生器根據(jù)給定電壓和給定頻率產(chǎn)生正弦參考信號；(2)由減法器比較器單元對輸出電壓比較參考電壓低ΔVR或高ΔVR時，分別觸發(fā)Q1、Q2；(3)由乘方運算單元完成給定電壓和檢測電壓的平方運算；C3L1×VR2----C3L1×V02]]>(4)由乘法器積分器單元完成負載在一個周期內(nèi)消耗的能量的計算；2L1×∫onoffv0(t)io(t)dt]]>(5)由加減法平方根運算單元求出開關(guān)管關(guān)斷時要求的電感電流值；
(6)由比較器單元給出開關(guān)管的關(guān)斷信號。
一種基于能量變換的交流變流裝置(見圖1)，其特征在于它是由交流變流主電路、給定電路、檢測電路、基于能量變換的交流變流方法的控制電路及驅(qū)動電路所構(gòu)成，所說的交流變流主電路采用雙復(fù)合式斬波器電路，交流變流主電路的輸入端連接直流電壓；給定電路給出交流電壓值和頻率值到基于能量變換的交流變流方法的控制電路的相應(yīng)輸入端；交流變流主電路的輸出電壓、電感電流、負載電流經(jīng)檢測電路變換后連接到基于能量變換的交流變流方法的控制電路的相應(yīng)輸入端，基于能量變換的交流變流方法的控制電路的控制輸出端經(jīng)驅(qū)動電路與主電路的控制輸入端連接，交流變流主電路的電壓輸出端連接外接負載。
上述所說的交流變流主電路采用的雙復(fù)合式斬波器電路(見圖2)是由電容C1、開關(guān)管Q1、整流管D1、開關(guān)管Q2、整流管D2、電感L1、電容C3構(gòu)成負值正弦波電路；由電容C2、開關(guān)管Q3、整流管D3、開關(guān)管Q4、整流管D4、電感L2、電容C4構(gòu)成正值正弦波電路，二電路共同為負載提供正弦波輸出電壓(見圖3)。
上述所說的基于能量變換的交流變流方法的控制電路(見圖4)是由正弦信號發(fā)生器電路、減法器比較器電路、乘方運算器電路、乘法器積分器電路、加減法平方根運算電路及比較器電路構(gòu)成；由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦參考信號分別給減法比較器電路和乘法運算電路；減法器比較器電路的輸出電壓輸入端連接檢測電路的輸出電壓檢測端，減法器比較器電路的觸發(fā)輸出端連接驅(qū)動電路的觸發(fā)信號輸入端；正弦信號發(fā)生器的給定電壓輸出端和檢測電路的檢測電壓輸出端經(jīng)乘方運算電路與加減法平方根運算電路連接；檢測電路的檢測電壓輸出端和負載電流輸出端經(jīng)乘法器積分器電路與加減法平方根運算電路連接；加減法平方根運算電路的電感電流計算值輸出端和檢測電路的電感電流檢測輸出端經(jīng)比較器電路與驅(qū)動電路的關(guān)斷信號輸入端連接。
上述所說的控制電路中的各運算單元電路可以由微機系統(tǒng)總成，也可以由各常規(guī)硬件單元電路構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種基于能量變換的交流變流的方法，其特征在于它是由以下步驟所組成(1)由正弦信號發(fā)生器根據(jù)給定電路的給定電壓和給定頻率產(chǎn)生正弦參考信號；(2)由減法器比較器單元對檢測電路給出的輸出電壓和上述正弦參考信號進行減法運算，當結(jié)果大于設(shè)定的誤差值ΔVR時，對驅(qū)動單元給出觸發(fā)開關(guān)管Q2的信號；當結(jié)果小于設(shè)定的誤差值-ΔVR時，對驅(qū)動單元給出觸發(fā)開關(guān)管Q1的信號；(3)由乘方運算單元完成對正弦信號發(fā)生器給出的給定電壓和檢測電路給出的檢測電壓進行平方運算，運算規(guī)則遵循下式；C3L1×VR2----C3L1×V02]]>(4)由乘法器積分器單元根據(jù)檢測電路給出的檢測電壓和輸出電流完成負載在一個周期內(nèi)消耗的能量的計算，計算規(guī)則遵循下式；2L1×∫onoffv0(t)io(t)dt]]>(5)由加減法平方根運算單元根據(jù)乘法運算單元的結(jié)果和乘法積分器單元的結(jié)果計算出開關(guān)管關(guān)斷時要求的電感電流值；(6)由比較器單元根據(jù)加減法平方根運算單元計算的電感電流值和檢測電路檢測的電感電流進行比較，當檢測的電感電流等于計算的電感電流值時，對驅(qū)動單元給出開關(guān)管的關(guān)斷信號。
2.一種基于能量變換的交流變流方法的裝置，其特征在于它是由交流變流主電路、給定電路、檢測電路、基于能量變換的交流變流方法的控制電路及驅(qū)動電路所構(gòu)成，所說的交流變流主電路采用雙復(fù)合式斬波器電路，交流變流主電路的輸入端連接直流電壓；給定電路給出交流電壓值和頻率值到基于能量變換的交流變流方法的控制電路的相應(yīng)輸入端；交流變流主電路的輸出電壓、電感電流、負載電流經(jīng)檢測電路變換后連接到基于能量變換的交流變流方法的控制電路的相應(yīng)輸入端，基于能量變換的交流變流方法的控制電路的控制輸出端經(jīng)驅(qū)動電路與主電路的控制輸入端連接，交流變流主電路的電壓輸出端連接外接負載。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所說的一種基于能量變換的交流變流方法的裝置，其特征在于所說的交流變流主電路采用的雙復(fù)合式斬波器電路是由電容C1、開關(guān)管Q1、整流管D1、開關(guān)管Q2、整流管D2、電感L1、電容C3構(gòu)成負值正弦波電路；由電容C2、開關(guān)管Q3、整流管D3、開關(guān)管Q4、整流管D4、電感L2、電容C4構(gòu)成正值正弦波電路，二電路共同為負載提供正弦波輸出電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所說的一種基于能量變換的交流變流方法的裝置，其特征在于所說的基于能量變換的交流變流方法的控制電路是由正弦信號發(fā)生器電路、減法器比較器電路、乘方運算器電路、乘法器積分器電路、加減法平方根運算電路及比較器電路構(gòu)成；由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦參考信號分別給減法比較器電路和乘法運算電路；減法器比較器電路的輸出電壓輸入端連接檢測電路的輸出電壓檢測端，減法器比較器電路的觸發(fā)輸出端連接驅(qū)動電路的觸發(fā)信號輸入端；正弦信號發(fā)生器的給定電壓輸出端和檢測電路的檢測電壓輸出端經(jīng)乘方運算電路與加減法平方根運算電路連接；檢測電路的檢測電壓輸出端和負載電流輸出端經(jīng)乘法器積分器電路與加減法平方根運算電路連接；加減法平方根運算電路的電感電流計算值輸出端和檢測電路的電感電流檢測輸出端經(jīng)比較器電路與驅(qū)動電路的關(guān)斷信號輸入端連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所說的一種基于能量變換的交流變流方法的裝置，其特征在于所說的控制電路中的各運算單元電路可以由微機系統(tǒng)總成，也可以由各常規(guī)硬件單元電路構(gòu)成。
全文摘要
一種基于能量變換的交流變流的方法及裝置，它是由給定電路給出交流電壓值和頻率值；由檢測電路檢測輸出電壓檢測信號、負載電流檢測信號、電感電流檢測信號；由控制電路完成基于能量變換的變流控制的運算，決定開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷；由驅(qū)動單元根據(jù)控制電路的觸發(fā)和關(guān)斷信號，驅(qū)動開關(guān)管的通斷。本發(fā)明的優(yōu)越性在于采用能量變換控制方法能直接輸出正弦電壓波形，解決了目前采用的SPWM波形中的高次諧波和為去除高次諧波需要附加濾波器的麻煩，減少了裝置的體積、成本和損耗，提高了效率；本裝置具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。
文檔編號H02M7/48GK1457141SQ03120908
公開日2003年11月19日 申請日期2003年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月25日
發(fā)明者王云亮 申請人:天津理工學(xué)院