基于電流跟蹤控制的負(fù)載相位調(diào)節(jié)器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種基于電流跟蹤控制的負(fù)載相位調(diào)節(jié)器，包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和AC/DC橋式變流結(jié)構(gòu)。其中橋式變流結(jié)構(gòu)中的H橋電路中，電感L的一端與交流電源的正極相連接，另一端與功率管T1的源極、功率管T3的漏極相連接，交流電源的負(fù)極與功率管T2的源極、功率管T4的漏極相連接，反向續(xù)流二極管D1、D2、D3和D4的陽極分別連接功率管T1、T2、T3、T4的源極，其陰極分別連接功率管T1、T2、T3、T4的漏極；極性電容的正極與功率管T1、T2的漏極相連接，其負(fù)極與功率管T3、T4的源極相連接，負(fù)載電阻并聯(lián)在極性電容兩端。本實(shí)用新型采用雙閉環(huán)控制策略，其硬件電路簡(jiǎn)單，能實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快。
【專利說明】基于電流跟蹤控制的負(fù)載相位調(diào)節(jié)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種基于電流跟蹤控制的負(fù)載相位調(diào)節(jié)器裝置，屬于電源技術(shù)領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 在交流電路中，由于負(fù)載的原因，負(fù)載兩端的電壓和流經(jīng)負(fù)載的電流存在相位差， 電流相位控制，是一種以輸入電壓為參考，控制輸入電流相位在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)的技 術(shù)，在功率因數(shù)調(diào)節(jié)器電子設(shè)備中都有廣泛的應(yīng)用，常見的功率因數(shù)調(diào)節(jié)器中，就需要這種 技術(shù)，以提高電力系統(tǒng)供電效率，減少不必要設(shè)備投入。功率因數(shù)調(diào)節(jié)，就是根據(jù)用電設(shè)備 的負(fù)載情況，提供互補(bǔ)無功電流的方法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)負(fù)載為容性時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備提供感性負(fù)載的電 流相位，當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，則提供容性的電流相位來實(shí)現(xiàn)。在電子負(fù)載設(shè)備中，電流相位控 制器也有廣泛的應(yīng)用，為了減少大型電子設(shè)備在試驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)階段的能量損耗，經(jīng)常采用的 方法是用電子負(fù)載模擬實(shí)際負(fù)載，將負(fù)載消耗的能量返回電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。
[0003] 由此可見一個(gè)合理的電流相位控制方法至關(guān)重要。目前電流控制技術(shù)主要有間接 電流控制和直接電流控制兩大類。前者控制簡(jiǎn)單，但其電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)不夠快，且對(duì)系統(tǒng)參數(shù) 變化較敏感；后者則直接以快速反饋的電流為控制對(duì)象，能獲得較高品質(zhì)的電流響應(yīng)，缺點(diǎn) 是控制結(jié)構(gòu)和算法較復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)在電流相位控制方法存在的問題，本實(shí)用新型采用AC/DC橋式變流為 主電路結(jié)構(gòu)，提出一種電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制裝置。
[0005] 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 基于電流跟蹤控制的負(fù)載相位調(diào)節(jié)器，包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和AC/DC橋式變 流結(jié)構(gòu)，AC/DC橋式變流結(jié)構(gòu)包括交流電源、輸入側(cè)電感L、H橋電路、輸出側(cè)極性電容和負(fù) 載，H橋電路包括功率管T1、功率管T2、功率管T3、功率管T4、反向續(xù)流二極管D1、反向續(xù)流 二極管D2、反向續(xù)流二極管D3和反向續(xù)流二極管D4 ;電感L的一端與交流電源的正極相連 接，另一端與功率管Tl的源極、功率管T3的漏極相連接，交流電源的負(fù)極與功率管T2的源 極、功率管T4的漏極相連接，反向續(xù)流二極管D1、反向續(xù)流二極D2、反向續(xù)流二極D3和反 向續(xù)流二極D4的陽極分別連接功率管T1、功率管T2、功率管T3、功率管T4的源極，反向續(xù) 流二極管D1、反向續(xù)流二極D2、反向續(xù)流二極D3和反向續(xù)流二極D4的陰極分別連接功率 管T1、功率管T2、功率管T3、功率管T4的漏極，極性電容的正極與功率管Tl的漏極、功率管 T2的漏極相連接，極性電容的負(fù)極與功率管T3的源極、功率管T4的源極相連接，負(fù)載電阻 并聯(lián)在極性電容兩端。
[0007] 所述控制電路采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。
[0008] 所述驅(qū)動(dòng)電路包括光耦隔離電路、H橋驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)部分。
[0009] 所述控制電路和驅(qū)動(dòng)電路之間添加隔離模塊，隔離模塊為光耦芯片ISP521。
[0010] 本實(shí)用新型的裝置采用新型AC/DC橋式變流結(jié)構(gòu)，采用電流相位和輸出電壓雙給 定方法，保證輸出電壓的穩(wěn)定性，同時(shí)使輸入電流跟蹤預(yù)先給定的正弦波。電流控制策略為 滯環(huán)跟蹤控制，硬件電路簡(jiǎn)單，屬于實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快，并且由于電流內(nèi)環(huán)對(duì)電壓外環(huán) 的改造作用，從而改善了電壓外環(huán)的動(dòng)態(tài)性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1是本實(shí)用新型的電流相控器主電路；
[0012] 圖2是電流is流向?yàn)檎龝r(shí)的等效電路；(a)為T2、T3導(dǎo)通；(b)為D1、D4導(dǎo)通；
[0013] 圖3是電流is流向?yàn)樨?fù)時(shí)的等效電路；(a)為T1、T4導(dǎo)通；(b)為D2、D3導(dǎo)通；
[0014] 圖4是電流跟蹤控制原理圖；
[0015] 圖5是光耦隔離電路圖；
[0016] 圖6是電流I1和ic的波形圖；(a)為電流h，（b)為電流i c ;
[0017] 圖7是輸出電流和輸出電壓的脈動(dòng)圖；(a)為電流脈動(dòng)；(b)為電壓脈動(dòng)；
[0018] 圖8是電流和電壓的不同相位關(guān)系圖；（a)為0°相位差；(b)30°相位差；（c)60°相 位差；（d) 90°相位差。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0020] ⑴主電路設(shè)計(jì)。本實(shí)用新型的電流相位控制器的控制原理圖如圖1所示?；陔?流跟蹤控制的負(fù)載相位調(diào)節(jié)器中的AC/DC橋式變流結(jié)構(gòu)是由交流電源、輸入側(cè)電感L、H橋 電路、輸出側(cè)極性電容和負(fù)載組成?？紤]到輸入電壓和輸入電流之間存在相位差，因此\和 is之間有下列關(guān)系。
[0021] ①.is和Us同極性，且為正，控制觸發(fā)脈沖，觸發(fā)T 2、T3，此時(shí)，電流的導(dǎo)通路徑如 圖2(&)實(shí)線所示。1^諸能，由于11 3和隊(duì)同相，使電流、±曾加迅速。由于1'2、1'3，受？11脈沖 控制，當(dāng)Τ 2、Τ3，截止時(shí)，電流導(dǎo)通路徑如圖2 (b)實(shí)線所示，受開關(guān)切換的影響，Us和U。反相， 使電流is值逐漸變小。
[0022] ②.is和Us同極性且為負(fù)，控制觸發(fā)脈沖，觸發(fā)1\、T 4，此時(shí)，電流的導(dǎo)通路徑如圖 3(a)實(shí)線所示。L反向儲(chǔ)能，由于Us和11。同相,使電流;^反向增加迅速。同樣，由于I\、T 4, 受PWM脈沖控制，當(dāng)1\、T4，截止時(shí)，電流導(dǎo)通路徑如圖3 (b)實(shí)線所示，受開關(guān)切換的影響， Us和U。反相，使電流is的絕對(duì)值逐漸變小。
[0023] 上述兩種情況均為電源向變流器輸出功率，一方面電容儲(chǔ)能，另一方面，為負(fù)載提 供電能量。
[0024] ③.is和Us反極性且is為正，控制觸發(fā)脈沖，觸發(fā)T 3、T2，此時(shí)，電流的導(dǎo)通路徑仍 如圖2(a)實(shí)線所示。由于113和隊(duì)反相且有U t^Usm，綜合結(jié)果使電流is增加。同理，由于 T2、T3，受PWM脈沖控制，當(dāng)T2、T3，截止時(shí)，電流導(dǎo)通路徑如圖2 (b)實(shí)線所示，受開關(guān)切換的 影響，is和Us及U。反相,使電流is值迅速變小。
[0025] ④.、和Us反極性且、為負(fù)，工作過程同③，電流導(dǎo)通路徑如圖3 (a)和圖3(b)實(shí) 線所示。
[0026] 上述兩種情況，變流器的電容反送電能到電源。值得注意的是，is為正時(shí)，T 2, T3被 觸發(fā)或關(guān)斷，D1, D4續(xù)流，T1, T4不工作；當(dāng)is為負(fù)時(shí)，T1, T4被觸發(fā)或關(guān)斷，D2, D3續(xù)流，T2, T3 不工作。
[0027] (2).控制方法及實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型采用雙閉環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制， 原理結(jié)構(gòu)如圖4所示，以保證輸出電壓的穩(wěn)定性，同時(shí)使輸入電流跟蹤預(yù)先給定的正弦波。 由于外環(huán)電壓的控制是通過內(nèi)環(huán)的電流控制而間接實(shí)現(xiàn)的，因此內(nèi)環(huán)的輸入電流控制是關(guān) 鍵，本實(shí)用新型的電流控制策略為直接電流控制技術(shù)中的滯環(huán)跟蹤控制，電流滯環(huán)比較控 制方式硬件電路簡(jiǎn)單，屬于實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快，并且由于電流內(nèi)環(huán)對(duì)電壓外環(huán)的改造作 用，從而改善了電壓外環(huán)的動(dòng)態(tài)性能。
[0028] ⑶驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電路包括光耦隔離電路、全橋驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)部分。由控制 電路產(chǎn)生的PWM觸發(fā)信號(hào)先接到光耦隔離模塊，經(jīng)電-光-電轉(zhuǎn)化后再傳輸?shù)饺珮蝌?qū)動(dòng)模 塊，最后的輸出的PWM信號(hào)就可以直接觸發(fā)各個(gè)開關(guān)管。
[0029] 基于電流跟蹤控制的負(fù)載相位調(diào)節(jié)器采取AC/DC橋式變流結(jié)構(gòu)，雙閉環(huán)控制策 略，由控制電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過光耦隔離，驅(qū)動(dòng)電路，控制H橋電路中開關(guān)管的導(dǎo)通與 關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)電流在一定范圍內(nèi)跟蹤給定值，輸入電流的變化導(dǎo)致輸出電壓也隨 之改變，從而實(shí)現(xiàn)電壓的閉環(huán)控制。
[0030] 1.首先搭建如圖1所示的實(shí)驗(yàn)主電路，用帶反向續(xù)流二極管的MOSFET管或IGBT 管構(gòu)成的H橋，作為單相電流相位控制的主電路。輸入電壓Us和輸入電流is的正參考方 向如圖所示，電感L起控制電流變化速度的作用，輸出電容C起平滑和穩(wěn)定輸出電壓的作 用。電感電流參考方向和濾波電容的參考方向如圖所示，輸入電壓為電源電壓220V，頻率 50Hz。正常工作時(shí)，使U Q>Usm。
[0031] 電感L的一端與交流電源的正極相連接，另一端與功率管Tl的源極、功率管T3的 漏極相連接，交流電源的負(fù)極與功率管T2的源極、功率管T4的漏極相連接，反向續(xù)流二極 管D1、D2、D3、D4的陽極分別連接功率管T1、T2、T3、T4的源極，反向續(xù)流二極管D1、D2、D3、 D4的陰極分別連接功率管T1、T2、T3、T4的漏極，極性電容的正極與功率管Tl的漏極、功率 管T2的漏極相連接，極性電容的負(fù)極與功率管T3的源極、功率管T4的源極相連接，負(fù)載電 阻并聯(lián)在電容C兩端。
[0032] 2.為了減少主電路和控制電路間的相互干擾，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要在控制回 路和驅(qū)動(dòng)回路之間添加隔尚I旲塊。本設(shè)計(jì)中選用光f禹芯片ISP521將控制回路和驅(qū)動(dòng)回路 隔離。ISP521是常用的線性光耦，在各種要求比較精密的功能電路中常常被當(dāng)作耦合器件， 具有上下級(jí)電路完全隔離的作用，相互不產(chǎn)生影響，可大大提高工作電路的可靠性。驅(qū)動(dòng)芯 片選用的是IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器和半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2111，IR2110驅(qū)動(dòng)器兼有光 耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選，IR2111其內(nèi)部采用自 舉技術(shù)，芯片內(nèi)部自動(dòng)設(shè)置650ns死區(qū)時(shí)間，能夠有效地防止上下管直通，將半橋驅(qū)動(dòng)芯片 IR2111產(chǎn)生的兩路互補(bǔ)信號(hào)交叉送入兩片IR2110的HIN端和LIN端，每片IR2110驅(qū)動(dòng)一 個(gè)橋臂上的兩個(gè)M0SFET，減少了驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電源的需求，并具有完善的保護(hù)功能。本實(shí)用新 型的光耦隔離和驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。
[0033] 3.本實(shí)用新型采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，由于外環(huán)電壓的控制 是通過內(nèi)環(huán)的電流控制而間接實(shí)現(xiàn)的，因此內(nèi)環(huán)的輸入電流控制是關(guān)鍵，本實(shí)用新型的電 流控制策略為滯環(huán)跟蹤控制。
[0034] 電流的幅值由功率平衡關(guān)系得到，當(dāng)功率角Θ變大時(shí)，無功功率的值增加，對(duì)應(yīng) 的有功功率在不改變輸入電流有效值的情況下會(huì)降低，使輸出端得不到預(yù)定的功率，就會(huì) 引起輸出電壓的下降。用直流側(cè)輸出電壓的給定值U:與實(shí)際輸出電壓U。的偏差作為PID 調(diào)節(jié)器的輸入，其輸出則為輸入電流給定信號(hào)的幅值Is*，根據(jù)PID調(diào)節(jié)器的控制原理可得 式⑴

【權(quán)利要求】
1. 基于電流跟蹤控制的負(fù)載相位調(diào)節(jié)器，包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和AC/DC橋式變流 結(jié)構(gòu)，AC/DC橋式變流結(jié)構(gòu)包括交流電源、輸入側(cè)電感L、H橋電路、輸出側(cè)極性電容和負(fù)載， 其特征在于，H橋電路包括功率管T1、功率管T2、功率管T3、功率管T4、反向續(xù)流二極管D1、 反向續(xù)流二極管D2、反向續(xù)流二極管D3和反向續(xù)流二極管D4;電感L的一端與交流電源 的正極相連接，另一端與功率管T1的源極、功率管T3的漏極相連接，交流電源的負(fù)極與功 率管T2的源極、功率管T4的漏極相連接，反向續(xù)流二極管D1、反向續(xù)流二極D2、反向續(xù)流 二極D3和反向續(xù)流二極D4的陽極分別連接功率管T1、功率管T2、功率管T3、功率管T4的 源極，反向續(xù)流二極管D1、反向續(xù)流二極D2、反向續(xù)流二極D3和反向續(xù)流二極D4的陰極分 別連接功率管T1、功率管T2、功率管T3、功率管T4的漏極，極性電容的正極與功率管T1的 漏極、功率管T2的漏極相連接，極性電容的負(fù)極與功率管T3的源極、功率管T4的源極相連 接，負(fù)載電阻并聯(lián)在極性電容兩端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電流跟蹤控制的負(fù)載相位調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述控 制電路采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于電流跟蹤控制的負(fù)載相位調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述 驅(qū)動(dòng)電路包括光耦隔離電路、H橋驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)部分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電流跟蹤控制的負(fù)載相位調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述控 制電路和驅(qū)動(dòng)電路之間添加隔離模塊，隔離模塊為光耦芯片ISP521。
【文檔編號(hào)】H02M7/219GK204190642SQ201420609970
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】霍曉玉, 田曉燕, 孫頻東, 王思聰 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)