交流可调电力测量专用电源及其控制方法

专利名称:交流可调电力测量专用电源及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种应用有控制极的半导体器件的AC/AC电源变换装置，尤其涉及一种微处理器控制的为便携式电力电子测量仪器提供线性可调的正弦交流电压及电流的电源变换装置。
背景技术：
电力测量要模拟供电及用电现场的运行条件，往往要在其测量仪器上提供线性可调的正弦交流电压及电流。现有的AC/DC/DC/AC方式通常需要使用变压器，而且变压器的容量必须满足输出功率的要求，电力测量设备的电源通常需要3-lOkw的输出功率， 能够满足3-lOkw的输出功率要求的变压器不但重量很大的，而且制造变压器需要消耗大量有色金属和电工钢，其制造成本也很高。采用AC/AC变换装置实现升压或降压调压是一种常用的方法。中国发明专利“双buck/boost双向交流斩波器”(中国发明专利号 ZL200610096870. 9发明专利公开号CN1967993)公开了一种双buck/boost双向交流斩波器，包括由一端接地的滤波电容与交流正弦电压电源并联构成的电源电路还包括第一 buck/boost电路和第二 buck/boost电路，该发明解决了电流换向问题，可实现降压或者升压AC/AC变换。但是，由于该发明的技术方案是通过将两个DC/DC基本拓扑(buck/boost 电路)进行并联得到的，受buck/boost电路结构的影响，其电路结构，尤其是其控制电路比较复杂。

发明内容
本发明的目的是要提供一种微处理器控制的简单可靠的交流可调电力测量专用电源，以新的简单可靠的电路结构解决AC/AC电源变换的技术问题，为电力测量仪器提供的输出稳定的可调正弦电压及电流。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是
一种交流可调电力测量专用电源，包括开关换流单元、输入采样单元、输出采样单元、控制单元和驱动单元，所述的开关换流单元连接在交流电源和交流负载之间。所述的开关换流单元采用4个具有控制极的开关器件和4个二极管，组成包含镜像桥臂的类 Buck-Boost电路；所述Buck-Boost电路的开关器件共用一组滤波电感和滤波电容。4个二极管的阳极和阴极分别反向并联到第一至第四4个开关器件的阴极和阳极；第一开关器件和第二开关器件的阳极构成开关换流单元的输入端，分别连接到输入交流电源的两端；第三开关器件和第四开关器件的阴极分别连接到滤波电容的两端，构成开关换流单元的输出端，分别连接到输出交流负载的两端；第一开关器件的阴极连接到第三开关器件的阳极和滤波电感元件的一端，第二开关器件的阴极连接到第四开关器件的阳极和滤波电感元件的另一端。所述开关换流单元通过所述输入采样单元和输出采样单元连接到与所述的控制单元；所述控制单元通过所述的驱动单元连接到所述4个开关器件的控制极。
本发明的交流可调电力测量专用电源的一种较佳的技术方案是所述控制单元采用微处理器程序控制单元，包括执行控制程序的微处理器、存储数据和控制程序的存储器、 IO接口电路、AD转换器和PWM输出单元；所述控制单元的输入端包括数字信号输入端和模拟信号输入端，所述数字信号输入端通过IO接口电路连接到微处理器，所述模拟信号输入端通过AD转换器连接到微处理器，其中至少有一个模拟信号输入端连接有输出电压调节元件；所述PWM输出单元至少包含4路PWM模块，微处理器通过PWM模块连接所述的驱动单兀。
本发明的交流可调电力测量专用电源的一种更好的技术方案是所述输出采样单元包括电压采样电路和电压过零检测电路；电压采样电路的输入端连接在所述开关换流单元的输出端，电压采样电路的输出端连接到所述控制单元的模拟信号输入端；开关换流单元的输出端通过电压过零检测电路连接到所述控制单元的数字信号输入端。
本发明的交流可调电力测量专用电源的另一种更好的技术方案是所述电流采样单元包括电流采样电路和电流过零检测电路；电流采样电路串联在所述开关换流单元的输入端，电流采样电路的输出端通过电流过零检测电路连接到所述控制单元的数字信号输入端。
本发明的交流可调电力测量专用电源的一种经过改进的技术方案是所述电压过零检测电路和电流过零检测电路的输出端连接到所述微处理器的外部信号捕获输入端，微处理器利用上升/下降沿捕获判断电压和电流的相位。
本发明的交流可调电力测量专用电源的进一步改进的技术方案是所述驱动单元包含高压侧悬浮驱动电路和光耦元件，所述控制单元的输出端通过光耦元件和高压侧悬浮驱动电路两级隔离后连接到所述开关器件的控制极。
本发明的另一个目的是要提供用于上述交流可调电力测量专用电源的微处理器程序控制方法，解决AC/AC电源变换器开关器件换流控制电路复杂的技术问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是
一种用于上述交流可调电力测量专用电源的微处理器程序控制方法，包含以下步骤
S100)调用AD转换子程序对输出电压进行数模转换采样输入的步骤；
S200)调用AD转换子程序对输出电压调节元件提供的参考电压进行数模转换的步骤；
S300)根据输出参考电压和输出电压，使用数字PID算法确定占空比的步骤；
S400)根据占空比设定PWM输出单元的定时值的步骤；
S500)检测电压和电流过零标志位的步骤；
S600)判断电压和电流过零标志位，调用开关器件状态控制子程序的步骤，该步骤包括以下动作
若电流下降过零标志位为1且电压上升过零标志位为1，调用开关器件状态控制子程序S620，返回步骤SlOO循环执行控制程序；
若电流上升过零标志位为1且电压上升过零标志位为1，调用开关器件状态控制子程序S640，返回步骤SlOO循环执行控制程序；
若电流上升过零标志位为1且电压下降过零标志位为1，调用开关器件状态控制子程序S660，返回步骤SlOO循环执行控制程序；[0023]若电流下降过零标志位为1且电压下降过零标志位为1，调用开关器件状态控制子程序S680，返回步骤SlOO循环执行控制程序。
本发明的微处理器程序控制方法的一种较佳的技术方案是所述的开关器件状态控制子程序包括以下步骤
S620)令PWM输出单元的第一输出端保持低电平；令PWM输出单元的第二输出端保持高电平；令PWM输出单元的第三输出端保持高电平；令PWM输出单元的第四输出端按照步骤S300确定的占空比输出PWM斩波信号；返回主程序；
S640)令PWM输出单元的第一输出端按照步骤S300确定的占空比输出PWM斩波信号；令PWM输出单元的第二输出端保持高电平令PWM输出单元的第三输出端保持高电平； 令PWM输出单元的第四输出端保持低电平；返回主程序；
S660)令PWM输出单元的第一输出端保持高电平；令PWM输出单元的第二输出端保持低电平；令PWM输出单元的第三输出端按照步骤S300确定的占空比输出PWM斩波信号；令PWM输出单元的第四输出端保持低电平；返回主程序；
S680)令PWM输出单元的第一输出端保持高电平；令PWM输出单元的第二输出端按照步骤S300确定的占空比输出PWM斩波信号；令PWM输出单元的第三输出端保持高电平；令PWM输出单元的第四输出端保持低电平；返回主程序。
本发明的微处理器程序控制方法的一种较佳的技术方案是AD转换子程序包含对 AD转换采样输入数据进行数字平滑滤波的步骤。
本发明的微处理器程序控制方法的进一步改进的技术方案是所述的微处理器程序控制方法还包含执行过电压判断和过电压保护动作的步骤，若输出电压超过预设的过压保护参考值，则控制开关器件切断电源。
本发明的有益效果是
本发明的交流可调电力测量专用电源采用全控式开关器件拓扑结构，输出不采用输出变压器，适应感性负载体积小重量轻，不消耗有色金属，特别适合便携设备使用。本发明的交流可调电力测量专用电源可用于大电流的感性负载，具有较好的可靠性和较好的正弦波形。
共用一组滤波电感和滤波电容，与现有技术公开的双buck/boost双向交流斩波器相比，省略了一组滤波电感和滤波电容，使电路拓扑结构更加简单。本发明通过电路要素变更和省略，在提高可靠性和降低成本的基础上，保持了现有技术方案的全部功能。由于滤波电感和滤波电容元件在AC/AC变换电路中工作在高电压、高频率、大电流的工作状态，省略滤波电感和滤波电容不仅可以降低成本，还可以提高可靠性。
通过采用微处理器程序控制的方法，解决AC/AC电源变换器开关器件换流控制电路复杂的技术问题，根据电压和电流的相位差适时控制开关器件，使其在正弦波周期中按要求导通和关闭，通过占空比变化来实现调压，使电源变换器在一定的输入电压范围内都能输出稳定的正弦电压及电流，在简化电路硬件结构的同时，满足电力测量设备及其他领域对可调交流电源稳定性和可靠性的要求。


图1是本发明的交流可调电力测量专用电源的拓扑结构电原理图；[0036]图2是开关器件驱动信号波形图；
图3是类Buck-Boost电路的开关换流单元的工作状态示意图；
图4是本发明的交流可调电力测量专用电源的微处理器程序控制单元的电原理图；
图5是电压过零检测电路的电原理图；
图6是电压过零检测电路的波形图；
图7是电流采样电路和电流过零检测电路的电原理图；
图8是电流采样电路和电流过零检测电路的波形图；
图9是定时器中断产生可调PWM的定时波形图。
图10是驱动单元的电原理图；
图11是本发明的微处理器程序控制方法的主程序流程图；
图12是开关器件状态控制子程序的流程图；
图13是AD转换子程序的流程图；
图14是过零检测上升/下降沿捕捉中断程序的流程图。
具体实施方式
为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。
图1为本发明的交流可调电力测量专用电源的一个实施例的拓扑结构电原理图， 包括开关换流单元10、输入采样单元20、输出采样单元30、控制单元40和驱动单元50，开关换流单元10连接在交流电源AC和交流负载之间，开关换流单元采用4个具有控制极的开关器件和4个二极管，组成包含镜像桥臂的类Buck-Boost电路；类Buck-Boost电路的开关器件Sl至S4共用一组滤波电感L和滤波电容C ;4个二极管的阳极和阴极分别反向并联到第一至第四4个开关器件Sl至S4的阴极和阳极；第一开关器件Sl和第二开关器件S2 的阳极构成开关换流单元10的输入端，分别连接到输入交流电源AC的两端；第三开关器件 S3和第四开关器件S4的阴极分别连接到滤波电容C的两端，构成开关换流单元10的输出端，分别连接到输出交流负载的两端；第一开关器件Sl的阴极连接到第三开关器件S3的阳极和滤波电感元件L的一端，第二开关器件S2的阴极连接到第四开关器件S4的阳极和滤波电感元件L的另一端。开关换流单元10通过输入采样单元20和输出采样单元30连接到与控制单元40 ；控制单元40通过驱动单元50连接到4个开关器件的控制极。
在本实施例中，Si、S2、S3、S4采用四个IGBT (绝缘栅双极型晶体管)，其中Si、S3 与S2、S4也可以分别用一个串联的IGBT模块来组成。同样，4个开关器件也可以采用功率MOSFET或其他的控制极可关断的半导体开关器件。在本发明中开关器件的阳极对应于 IGBT的集电极或MOSFET的漏极，阴极对应于IGBT的发射极或MOSFET的源极，控制极对应于IGBT或MOSFET的门极或栅极。
图1所示结构类似于将升降压Buck-Boost电路进行镜像，增加一个桥臂，同时将 Buck-Boost中的二极管用带有反并联二极管的开关器件替代，在本发明中将其称之为类 Buck-Boost电路。这种结构实现的难点在于当交流电压过零时的换流问题，为了解决这个问题，可以采样输入Vi和输出电压Vo，当Vi > Vo时，令S2、S4常开，S1、S3高频互补。当Vi < Vo时，S1、S3常开，S2、S4高频互补。开关器件的开关驱动信号如图2所示。在tO到 tl这段时间里，S2和S4常开，电感上的电流IL可能大于零也可能小于零。当IL > 0，Sl 开通时，电流经Sl和S2的反并联二极管流通，电感L储能，如图3 (a)所示；Sl关闭时，电流经S4和S3的反并联二极管向负载释放能量，如图3(b)所示；当IL < 0，S3关闭时，电流经S2和Sl的反并联二极管向电源回馈能量，如图3 (c)所示S3开通时，电流经S3和S4 的反并联二极管向负载释放能量，如图3(d)所示。tl到t2时段电路的工作过程可类似分析得到。
当电路工作在占空比D大于0. 5的情况下，该电路可实现升压功能，而当占空比小于0. 5时，电路可以实现降压功能。通过对输出电压进行采样反馈控制，控制电路工作的占空比，就可以提供稳定的可调正弦波电源输出。
假定开关管为理想元件，可以瞬间导通和截止，而且导通时压降为零，截止时漏电流为零；电感、电容是理想元件；输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 在一个开关周期里，输入的正弦电压可近似认为是直流电压，根据Buck-Boost的工作原理，输入电压与输出电压的关系
D
:t.其中uo、Ui分别为一个开关周期里的输入电压和输出电压，D为占空比。从一个完整的工频周期来看，输入电压有效值和输出电压有效值的关系也符合
rm = V1
1 r%
I-^P
因此，在输入电压Vi不稳定或负载变化的时候，只需改变占空比D即可稳定输出电压Vo。滤波电感L和滤波电容C的选择可参照现有技术Buck-Boost电路参数通过设计计算得到。
本发明的交流可调电力测量专用电源的控制单元40的一个较佳的实施例如图4 所示，控制单元10采用微处理器程序控制单元。在本实施例中，采用STC12CM12AD单片机 ICl作为控制芯片，芯片内部集成了执行控制程序的微处理器、存储数据和控制程序的存储器、10接口电路、AD转换器、定时器和4通道捕获比较单元(PCA模块)。3端稳压器Ul提供5V单片机工作电压，ZD1、ZD2和ZD3为5. IV稳压管用于保护单片机。
数字信号输入端通过10接口电路连接到微处理器，模拟信号输入端通过AD转换器连接到微处理器，构成控制单元10的数字信号输入端和模拟信号输入端。
单片机Pl. 2、Pl. 3工作在高阻状态，用作AD转换输入端。输出电压调节元件Wl 连接在AD转换器的输入端Pl. 3。输出电压调节元件Wl是用于调节输出电压的电位器，可以产生0 5V的直流电压，通过AD转换成00 IFF的十六进制码作为调压基准。输出采样单元中采用电压传感器对输出电压进行采样，电压传感器将0 250V交流电压变换为 0 5V的直流电压。电压传感器的输出端连接到控制单元的输入端DV，再通过RC滤波电路滤除高频干扰后，连接到AD转换器的输入端Pl. 2，将采样电压送入微处理器做平均值计算，并与电压调节元件Wl设定的输出电压做运算，得到占空比D的值。
本实施例利用单片机的定时器和PCA模块构成4路可调占空比PWM输出单元，微处理器通过程序控制PWM输出单元的4路PWM输出。[0063]单片机的PCA模块含有一个特殊的16位定时计数器，有4个16位的捕获/比较模块与之相连。16位PCA定时计数器的计数值就是寄存器CH和CL的内容。每个模块可编程工作在4种模式下上升/下降沿捕获、软件定时器、高速输出或可调制脉冲输出。当 PCA定时计数器溢出时，如果微处理器的CMOD寄存器设置为允许中断状态，就可以产生定时计数中断。所有PCA模块共用一个中断向量。
PCA的每个模块都对应一个特殊功能寄存器.它们分别是模块0对应CCAPM0，模块1对应CCAPM1，模块2对应CCAPM2，模块3对应CCAPM3。特殊功能寄存器包含了相应模块的工作模式控制位。
PCA定时计数器是4个模块的公共时间基准，可通过编程工作在1/12振荡频率、 1/2振荡频率、定时器0溢出或ECI脚的输入(P3. 4)。定时器的计数源由CMOD寄存器确定。 设置PCAO和PCAl工作在上升/下降沿模式下，来检测电压、电流的过零点信号。
所有PCA模块都可以作PWM输出，要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWMn和 ECOMn位必须置位，其输出频率取决于PCA定时器的时钟源。
权利要求
1.一种交流可调电力测量专用电源，包括开关换流单元、输入采样单元、输出采样单元、控制单元和驱动单元，所述的开关换流单元连接在交流电源和交流负载之间，其特征在于所述的开关换流单元采用4个具有控制极的开关器件和4个二极管，组成包含镜像桥臂的类Buck-Boost电路；所述类Buck-Boost电路的开关器件共用一组滤波电感和滤波电容；4个二极管的阳极和阴极分别反向并联到第一至第四4个开关器件的阴极和阳极；第一开关器件和第二开关器件的阳极构成开关换流单元的输入端，分别连接到输入交流电源的两端；第三开关器件和第四开关器件的阴极分别连接到滤波电容的两端，构成开关换流单元的输出端，分别连接到输出交流负载的两端；第一开关器件的阴极连接到第三开关器件的阳极和滤波电感元件的一端，第二开关器件的阴极连接到第四开关器件的阳极和滤波电感元件的另一端；所述开关换流单元通过所述输入采样单元和输出采样单元连接到与所述的控制单元； 所述控制单元通过所述的驱动单元连接到所述4个开关器件的控制极。
2.根据权利要求
1所述的交流可调电力测量专用电源，其特征在于所述控制单元是微处理器程序控制单元，包括执行控制程序的微处理器、存储数据和控制程序的存储器、IO接口电路、AD转换器和PWM输出单元；所述控制单元的输入端包括数字信号输入端和模拟信号输入端，所述数字信号输入端通过IO接口电路连接到微处理器，所述模拟信号输入端通过AD转换器连接到微处理器，其中至少有一个模拟信号输入端连接有输出电压调节元件； 所述PWM输出单元至少包含4路PWM模块，微处理器通过PWM模块连接所述的驱动单元。
3.根据权利要求
1所述的交流可调电力测量专用电源，其特征在于所述输出采样单元包括电压采样电路和电压过零检测电路；电压采样电路的输入端连接在所述开关换流单元的输出端，电压采样电路的输出端连接到所述控制单元的模拟信号输入端；开关换流单元的输出端通过电压过零检测电路连接到所述控制单元的数字信号输入端。
4.根据权利要求
1所述的交流可调电力测量专用电源，其特征在于所述输入采样单元包括电流采样电路和电流过零检测电路；电流采样电路连接在所述开关换流单元的输入端，电流采样电路的输出端通过电流过零检测电路连接到所述控制单元的数字信号输入端。
5.根据权利要求
3或权利要求
4所述的交流可调电力测量专用电源，其特征在于所述电压过零检测电路和电流过零检测电路的输出端连接到所述微处理器的外部信号捕获输入端，微处理器利用上升/下降沿捕获判断电压和电流的相位。
6.根据权利要求
1至4任一权利要求
所述的交流可调电力测量专用电源，其特征在于所述驱动单元包含高压侧悬浮驱动电路和光耦元件，所述控制单元的输出端通过光耦元件和高压侧悬浮驱动电路两级隔离后连接到所述开关器件的控制极。
7.一种用于权利要求
1所述的交流可调电力测量专用电源的微处理器程序控制方法， 包含以下步骤S100)调用AD转换子程序对输出电压进行数模转换采样输入的步骤；S200)调用AD转换子程序对输出电压调节元件提供的参考电压进行数模转换的步骤；S300)根据输出参考电压和输出电压，使用数字PID算法确定占空比的步骤；S400)根据占空比设定PWM输出单元的定时值的步骤； S500)检测电压和电流过零标志位的步骤；S600)判断电压和电流过零标志位，调用开关器件状态控制子程序的步骤，该步骤包括以下动作若电流下降过零标志位为1且电压上升过零标志位为1，调用开关器件状态控制子程序S620，返回步骤SlOO循环执行控制程序；若电流上升过零标志位为1且电压上升过零标志位为1，调用开关器件状态控制子程序S640，返回步骤SlOO循环执行控制程序；若电流上升过零标志位为1且电压下降过零标志位为1，调用开关器件状态控制子程序S660，返回步骤SlOO循环执行控制程序；若电流下降过零标志位为1且电压下降过零标志位为1，调用开关器件状态控制子程序S680，返回步骤SlOO循环执行控制程序。
8.根据权利要求
7所述的微处理器程序控制方法，其特征在于所述的开关器件状态控制子程序包括以下步骤S620)令PWM输出单元的第一输出端保持低电平；令PWM输出单元的第二输出端保持高电平；令PWM输出单元的第三输出端保持高电平；令PWM输出单元的第四输出端按照步骤S300确定的占空比输出PffM斩波信号；返回主程序；S640)令PWM输出单元的第一输出端按照步骤S300确定的占空比输出PWM斩波信号； 令PWM输出单元的第二输出端保持高电平令PWM输出单元的第三输出端保持高电平；令 PWM输出单元的第四输出端保持低电平；返回主程序；S660)令PWM输出单元的第一输出端保持高电平；令PWM输出单元的第二输出端保持低电平；令P丽输出单元的第三输出端按照步骤S300确定的占空比输出PWM斩波信号；令 PWM输出单元的第四输出端保持低电平；返回主程序；S680)令PWM输出单元的第一输出端保持高电平；令PWM输出单元的第二输出端按照步骤S300确定的占空比输出PWM斩波信号；令PWM输出单元的第三输出端保持高电平；令 PWM输出单元的第四输出端保持低电平；返回主程序。
9.根据权利要求
7所述的微处理器程序控制方法，其特征在于所述AD转换子程序包含对AD转换采样输入数据进行数字平滑滤波的步骤。
10.根据权利要求
7所述的微处理器程序控制方法，其特征在于所述的微处理器程序控制方法，包含执行过电压判断和过电压保护动作的步骤，若输出电压超过预设的过压保护参考值，则控制开关器件切断电源。
专利摘要
本发明涉及一种应用有控制极的半导体器件的AC/AC电源变换装置，尤其涉及一种微处理器控制的为便携式电力电子测量仪器提供线性可调的正弦交流电压及电流的电源变换装置，以及一种用于该交流可调电力测量专用电源的微处理器程序控制方法。包括开关换流单元、输入采样单元、输出采样单元、控制单元和驱动单元，所述的开关换流单元连接在交流电源和交流负载之间，开关换流单元采用4个具有控制极的开关器件和4个二极管，开关器件共用一组滤波电感和滤波电容；开关换流单元通过所述输入采样单元和输出采样单元连接到与所述的控制单元；所述控制单元通过所述的驱动单元连接到所述4个开关器件的控制极。
文档编号H02H7/10GKCN102324855SQ201110281075
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月20日
发明者孙伟华, 孙长河, 朱钰, 王竞翔, 蔚晓明, 赵园, 邵宝珠, 马斌 申请人:东北电力科学研究院有限公司, 太原山互科技有限公司, 山西省电力公司电力科学研究院, 辽宁省电力有限公司