专利名称：一种基于能量变换的交流变流方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电力电子技术和自动控制技术的领域，特别是一种基于能量变换的交流变流方法及装置。
背景技术：
随着电力电子技术及大规模集成电路技术的发展，开关模式变换器SMC是直流可变电源、交流电源和其它变换器电源的主要实现方式。在交流电源、电气传动系统和不间断电源UPS中使用的交流变流器，目前普遍采用脉冲宽度调制SPWM或多重化技术产生高频脉冲波，通过电机电感或输出滤波器得到近似的交流正弦信号，克服了传统交流变流器中的低次谐波。但由于SPWM中存在着高次谐波，高次谐波产生的损耗引起电机过热；为滤除高次谐波而使用的滤波器则会产生附加损耗，且增加装置的体积和成本。而在采用SPWM的调制方法时，为减少SPWM中的谐波分量，人们不得不提高调制频率，而这又不可避免的增加了变流器的开关损耗。因此长期以来，人们一直致力于研制可以产生标准正弦电压的拓扑结构和控制方法。提高交流输出电压质量(减少谐波分量)一直是交流变换器要解决的主要问题之一。据有关研究资料表明，交流拖动系统在总的电气拖动系统中的比例目前已经达到85％。而且旧的交直流调速系统的技术改造也有很大的市场容量。随着交流变换器价格的降低，质量和容量的不断的提高，UPS的应用也在不断扩大。因此高质量的交流变流器具有广泛的市场前景。
发明内容
本发明的目的在于设计一种基于能量变换的交流变流方法及装置，该方法及装置涉及的交流变流技术采用双复合式斩波电路，将输出电压与给定的电压相比较，计算出需要转换的电能量，决定开关管的通断，完成输出电压对正弦给定的滞环跟踪，消除了谐波分量，免去了交流变频电源中的输出滤波器；该方法应用在电气拖动领域，可防止了高频谐波造成的损耗和电气疲劳。
本发明的技术方案一种基于能量变换的交流变流的方法，其特征在于它是由以下步骤所组成(1)由正弦信号发生器根据给定电路的给定电压和给定频率产生正弦参考信号；(2)由减法器比较器单元对检测电路给出的输出电压和上述正弦参考信号进行减法运算，当结果大于设定的误差值ΔVR时，对驱动单元给出触发开关管Q2的信号；当结果小于设定的误差值-ΔVR时，对驱动单元给出触发开关管Q1的信号；(3)由乘方运算单元完成对正弦信号发生器给出的给定电压和检测电路给出的检测电压进行平方运算，运算规则遵循下式；C3L1×VR2----C3L1×V02]]>(4)由乘法器积分器单元根据检测电路给出的检测电压和输出电流完成负载在一个周期内消耗的能量的计算，计算规则遵循下式；2L1×∫onoffv0(t)io(t)dt]]>(5)由加减法平方根运算单元根据乘法运算单元的结果和乘法积分器单元的结果计算出开关管关断时要求的电感电流值；(6)由比较器单元根据加减法平方根运算单元计算的电感电流值和检测电路检测的电感电流进行比较，当检测的电感电流等于计算的电感电流值时，对驱动单元给出开关管的关断信号。
一种基于能量变换的交流变流装置，其特征在于它是由交流变流主电路、给定电路、检测电路、基于能量变换的交流变流方法的控制电路及驱动电路所构成，所说的交流变流主电路采用双复合式斩波器电路，交流变流主电路的输入端连接直流电压；给定电路给出交流电压值和频率值到基于能量变换的交流变流方法的控制电路的相应输入端；交流变流主电路的输出电压、电感电流、负载电流经检测电路变换后连接到基于能量变换的交流变流方法的控制电路的相应输入端，基于能量变换的交流变流方法的控制电路的控制输出端经驱动电路与主电路的控制输入端连接，交流变流主电路的电压输出端连接外接负载。
上述所说的交流变流主电路采用的双复合式斩波器电路是由电容C1、开关管Q1、整流管D1、开关管Q2、整流管D2、电感L1、电容C3构成负值正弦波电路；由电容C2、开关管Q3、整流管D3、开关管Q4、整流管D4、电感L2、电容C4构成正值正弦波电路，二电路共同为负载提供正弦波输出电压。
上述所说的基于能量变换的交流变流方法的控制电路是由正弦信号发生器电路、减法器比较器电路、乘方运算器电路、乘法器积分器电路、加减法平方根运算电路及比较器电路构成；由正弦信号发生器产生正弦参考信号分别给减法比较器电路和乘法运算电路；减法器比较器电路的输出电压输入端连接检测电路的输出电压检测端，减法器比较器电路的触发输出端连接驱动电路的触发信号输入端；正弦信号发生器的给定电压输出端和检测电路的检测电压输出端经乘方运算电路与加减法平方根运算电路连接；检测电路的检测电压输出端和负载电流输出端经乘法器积分器电路与加减法平方根运算电路连接；加减法平方根运算电路的电感电流计算值输出端和检测电路的电感电流检测输出端经比较器电路与驱动电路的关断信号输入端连接。
上述所说的控制电路中的各运算单元电路可以由微机系统总成，也可以由各硬件运算单元构成。
本发明的工作原理与工作过程为本发明所阐述的交流变流方法及装置输出低谐波的正弦波形。其中主电路的工作原理与工作过程为在主电路中(见图2)，由电容C1、开关管Q1、整流管D1、开关管Q2、整流管D2、电感L1、电容C3构成负值正弦波电路，产生图3所示的上面的虚线正弦波形；由电容C2、开关管Q3、整流管D3、开关管Q4、整流管D4、电感L2、电容C4构成正值正弦波电路，产生图3所示的下面的细实线正弦波形；两个波形叠加后在负载上的输出电压波形如图3中的粗实线所示的正弦电压。总电路的工作原理与工作过程为由给定电路给出交流电压值和频率值；由检测电路从上至下分别得到输出电压检测信号、负载电流检测信号、电感电流检测信号；由控制电路完成基于能量变换的变流控制的运算，决定开关管的导通和关断；由驱动单元根据控制电路的触发和关断信号，驱动开关管的通断。
本发明的优越性在于1、将二套直流复合式斩波电路反向串联，从而构成交流变流主电路，具有创新性；2、采用能量变换控制方法能直接输出正弦电压波形，具有创新性；3、解决了目前采用的SPWM调制方式中会产生一定的损耗的高次谐波且为去除高次谐波需要附加滤波器的麻烦，减少了装置的体积、成本和损耗，提高了效率，具有实用性和先进性；4、传统的闭环控制系统在负载变化和其它扰动的影响下，有一定的动态调整时间和超调量；采用现代控制方式必须了解控制对象的传递函数；而开关式变流器，其数学模型的建立是比较难的，采用本发明的能量变换方法解决了上述问题。
附图1为本发明所涉一种基于能量变换的交流变流方法的装置的整体电路框图。
附图2为本发明所涉一种基于能量变换的交流变流方法的装置中的交流变流主电路结构示意图。
附图3为本发明所涉一种基于能量变换的交流变流方法的装置中的交流变流主电路输出电压波形示意图。
附图4为本发明所涉一种基于能量变换的交流变流方法的装置中的控制电路电路框图。
其中C1、C2、C3、C4为电容，D！、D2、D3、D4为整流管，Q！、Q2、Q3、Q4为开关管，L！、L2为电感。
具体实施例方式实施例一种基于能量变换的交流变流的方法，其特征在于它是由以下步骤所组成(1)由正弦信号发生器根据给定电压和给定频率产生正弦参考信号；(2)由减法器比较器单元对输出电压比较参考电压低ΔVR或高ΔVR时，分别触发Q1、Q2；(3)由乘方运算单元完成给定电压和检测电压的平方运算；C3L1×VR2----C3L1×V02]]>(4)由乘法器积分器单元完成负载在一个周期内消耗的能量的计算；2L1×∫onoffv0(t)io(t)dt]]>(5)由加减法平方根运算单元求出开关管关断时要求的电感电流值；
(6)由比较器单元给出开关管的关断信号。
一种基于能量变换的交流变流装置(见图1)，其特征在于它是由交流变流主电路、给定电路、检测电路、基于能量变换的交流变流方法的控制电路及驱动电路所构成，所说的交流变流主电路采用双复合式斩波器电路，交流变流主电路的输入端连接直流电压；给定电路给出交流电压值和频率值到基于能量变换的交流变流方法的控制电路的相应输入端；交流变流主电路的输出电压、电感电流、负载电流经检测电路变换后连接到基于能量变换的交流变流方法的控制电路的相应输入端，基于能量变换的交流变流方法的控制电路的控制输出端经驱动电路与主电路的控制输入端连接，交流变流主电路的电压输出端连接外接负载。
上述所说的交流变流主电路采用的双复合式斩波器电路(见图2)是由电容C1、开关管Q1、整流管D1、开关管Q2、整流管D2、电感L1、电容C3构成负值正弦波电路；由电容C2、开关管Q3、整流管D3、开关管Q4、整流管D4、电感L2、电容C4构成正值正弦波电路，二电路共同为负载提供正弦波输出电压(见图3)。
上述所说的基于能量变换的交流变流方法的控制电路(见图4)是由正弦信号发生器电路、减法器比较器电路、乘方运算器电路、乘法器积分器电路、加减法平方根运算电路及比较器电路构成；由正弦信号发生器产生正弦参考信号分别给减法比较器电路和乘法运算电路；减法器比较器电路的输出电压输入端连接检测电路的输出电压检测端，减法器比较器电路的触发输出端连接驱动电路的触发信号输入端；正弦信号发生器的给定电压输出端和检测电路的检测电压输出端经乘方运算电路与加减法平方根运算电路连接；检测电路的检测电压输出端和负载电流输出端经乘法器积分器电路与加减法平方根运算电路连接；加减法平方根运算电路的电感电流计算值输出端和检测电路的电感电流检测输出端经比较器电路与驱动电路的关断信号输入端连接。
上述所说的控制电路中的各运算单元电路可以由微机系统总成，也可以由各常规硬件单元电路构成。
权利要求
1.一种基于能量变换的交流变流的方法，其特征在于它是由以下步骤所组成(1)由正弦信号发生器根据给定电路的给定电压和给定频率产生正弦参考信号；(2)由减法器比较器单元对检测电路给出的输出电压和上述正弦参考信号进行减法运算，当结果大于设定的误差值ΔVR时，对驱动单元给出触发开关管Q2的信号；当结果小于设定的误差值-ΔVR时，对驱动单元给出触发开关管Q1的信号；(3)由乘方运算单元完成对正弦信号发生器给出的给定电压和检测电路给出的检测电压进行平方运算，运算规则遵循下式；C3L1×VR2----C3L1×V02]]>(4)由乘法器积分器单元根据检测电路给出的检测电压和输出电流完成负载在一个周期内消耗的能量的计算，计算规则遵循下式；2L1×∫onoffv0(t)io(t)dt]]>(5)由加减法平方根运算单元根据乘法运算单元的结果和乘法积分器单元的结果计算出开关管关断时要求的电感电流值；(6)由比较器单元根据加减法平方根运算单元计算的电感电流值和检测电路检测的电感电流进行比较，当检测的电感电流等于计算的电感电流值时，对驱动单元给出开关管的关断信号。
2.一种基于能量变换的交流变流方法的装置，其特征在于它是由交流变流主电路、给定电路、检测电路、基于能量变换的交流变流方法的控制电路及驱动电路所构成，所说的交流变流主电路采用双复合式斩波器电路，交流变流主电路的输入端连接直流电压；给定电路给出交流电压值和频率值到基于能量变换的交流变流方法的控制电路的相应输入端；交流变流主电路的输出电压、电感电流、负载电流经检测电路变换后连接到基于能量变换的交流变流方法的控制电路的相应输入端，基于能量变换的交流变流方法的控制电路的控制输出端经驱动电路与主电路的控制输入端连接，交流变流主电路的电压输出端连接外接负载。
3.根据权利要求2所说的一种基于能量变换的交流变流方法的装置，其特征在于所说的交流变流主电路采用的双复合式斩波器电路是由电容C1、开关管Q1、整流管D1、开关管Q2、整流管D2、电感L1、电容C3构成负值正弦波电路；由电容C2、开关管Q3、整流管D3、开关管Q4、整流管D4、电感L2、电容C4构成正值正弦波电路，二电路共同为负载提供正弦波输出电压。
4.根据权利要求2所说的一种基于能量变换的交流变流方法的装置，其特征在于所说的基于能量变换的交流变流方法的控制电路是由正弦信号发生器电路、减法器比较器电路、乘方运算器电路、乘法器积分器电路、加减法平方根运算电路及比较器电路构成；由正弦信号发生器产生正弦参考信号分别给减法比较器电路和乘法运算电路；减法器比较器电路的输出电压输入端连接检测电路的输出电压检测端，减法器比较器电路的触发输出端连接驱动电路的触发信号输入端；正弦信号发生器的给定电压输出端和检测电路的检测电压输出端经乘方运算电路与加减法平方根运算电路连接；检测电路的检测电压输出端和负载电流输出端经乘法器积分器电路与加减法平方根运算电路连接；加减法平方根运算电路的电感电流计算值输出端和检测电路的电感电流检测输出端经比较器电路与驱动电路的关断信号输入端连接。
5.根据权利要求2所说的一种基于能量变换的交流变流方法的装置，其特征在于所说的控制电路中的各运算单元电路可以由微机系统总成，也可以由各常规硬件单元电路构成。
全文摘要
一种基于能量变换的交流变流的方法及装置，它是由给定电路给出交流电压值和频率值；由检测电路检测输出电压检测信号、负载电流检测信号、电感电流检测信号；由控制电路完成基于能量变换的变流控制的运算，决定开关管的导通和关断；由驱动单元根据控制电路的触发和关断信号，驱动开关管的通断。本发明的优越性在于采用能量变换控制方法能直接输出正弦电压波形，解决了目前采用的SPWM波形中的高次谐波和为去除高次谐波需要附加滤波器的麻烦，减少了装置的体积、成本和损耗，提高了效率；本装置具有良好的动态性能和稳态性能。
文档编号H02M7/48GK1457141SQ03120908
公开日2003年11月19日 申请日期2003年3月25日 优先权日2003年3月25日
发明者王云亮 申请人:天津理工学院