一種超高速節能型交流穩壓裝置及其控制方法
2023-06-27 16:19:36
一種超高速節能型交流穩壓裝置及其控制方法
【專利摘要】本發明公開一種超高速節能型交流穩壓裝置及其控制方法，穩壓裝置包括控制單元、電壓檢測單元、第一電子開關、第二電子開關、市電連接端和穩壓電源輸出端，市電連接端與穩壓電源輸出端之間的三相線路上依次串接有第一儲能電感、限流電阻、儲能電容以及第二儲能電感；各限流電阻兩端分別並接有可控開關；可控開關的控制輸入端連接控制單元；兩電子開關分別包括控制輸入端和三個電流輸入端，其中控制輸入端連接控制單元，第一電子開關的電流輸入端分別連接在限流電阻與儲能電容之間，第二電子開關的電流輸入端分別連接在儲能電容與第二儲能電感之間；電壓檢測單元的輸入端連接市電連接端，將檢測到的電壓信號輸出至控制單元；控制單元控制可控開關的開關狀態，以及第一電子開關和第二電子開關的導通和截止。
【專利說明】一種超高速節能型交流穩壓裝置及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及綜合電力電子控制、微電子、大功率器件設計及專用功率模塊設計等技術的穩壓控制【技術領域】，特別是一種適用於供電電壓不穩定場所，能夠對不穩定電壓進行自動調節的超高速節能型交流穩壓裝置及其控制方法。
【背景技術】
[0002]當前我國的終端用電常處於電壓不穩定狀態，我國《供電營業規則》規定供電電壓允許偏差為不超過額定值的±10%，而實際測量江蘇多地企業的用電電壓白天多在+10%左右波動，考慮到功率和電壓是平方關係，如果用電電壓超壓10%，設負載的阻抗不變，實際功率將超過額定值20%。
[0003]為了避免電壓不穩定帶來的電能損失，現有技術中已經存在相應的穩壓產品，但是傳統的穩壓產品多注重於穩壓功能，本身卻要消耗電能。目前市場上尚無穩壓同時還可節能的產品。已有的普通穩壓器用在穩壓節能方面存在多項缺陷:一是調壓速度慢，調壓時間> I秒，對於精密設備的快速反應不能適應；二是效率偏低，一般在95%左右，如果穩壓節能5%，只夠本身消耗，而且空載時變壓器仍有耗電，可能還增加了用電量；三是消耗銅材、鋼材多，重量、體積很大。
【發明內容】
[0004]本發明通過功率模塊及相應控制架構的設計，實現對不穩定電壓的自動調節，達到高速調壓的同時還能夠節能的目的。
[0005]本發明採取的技術方案為:一種超高速節能型交流穩壓裝置，包括市電連接端和穩壓電源輸出端，所述市電連接端與穩壓電源輸出端之間的三相線路上依次串接有第一儲能電感、限流電阻、儲能電容以及第二儲能電感；
[0006]上述各限流電阻兩端分別並接有可控開關；
[0007]還包括控制單元、電壓檢測單元、第一電子開關和第二電子開關；可控開關的控制輸入端連接控制單元；第一電子開關和第二電子開關分別包括控制輸入端和三個電流輸入端，其中控制輸入端連接控制單元，第一電子開關的三個電流輸入端分別連接在三相線路中限流電阻與儲能電容之間，第二電子開關的三個電流輸入端分別連接在三相線路中儲能電容與第二儲能電感之間；電壓檢測單元的輸入端連接市電連接端以檢測輸入電壓，然後將檢測到的電壓信號輸出至控制單元；控制單元根據電壓信號控制可控開關的開關狀態，以及第一電子開關和第二電子開關的導通和截止。
[0008]本發明在應用時，市電輸入的不穩定電壓可被自動調整為穩定的交流穩壓電源輸出給三相負載，穩壓器自身耗能少，電壓調節迅速。
[0009]進一步的，本發明還包括濾波單元，濾波單元由分別串接在穩壓輸出端三相線路與公共端之間的濾波電容組成，可對輸出電壓中的高頻諧波進行濾波。
[0010]更進一步的，本發明中限流電阻皆為防浪湧熱敏電阻。第一電子開關SI和第二電子開關S2為現有的佔空比可調的聞速電子開關集成晶片，其具有用於調節佔空比的埠即控制輸入端。電壓電流測量單元可利用現有的電壓電流測量電路，將測得的電壓電流模擬量轉換為數字量傳輸給控制單元。控制單元可選用現有的單片機，可控開關可利用繼電器輔助觸點實現，控制單元單片機控制繼電器線圈的通斷電，從而達到控制可控開關通斷的目的。通過電流電壓的測量，控制單元能夠判斷穩壓器接入電源的狀態，從而控制可控開關在電源接入穩壓器啟動時保持斷開狀態，並在一段時間後控制可控開關閉合，從而將限流電阻短路，避免其上的電能損耗。
[0011]本發明還提供基於上述超高速節能型穩壓器的控制方法，其中對第一電子開關和第二電子開關的控制方法為:對市電連接端的輸入電壓進行檢測，並對輸入電壓與既定的穩定電壓進行比較:
[0012]當輸入電壓等於穩定電壓，則將第一電子開關及第二電子開關的導通和截止佔空比分別設置為50% ;且第一電子開關處於導通狀態時，第二電子開關為截止狀態；
[0013]當輸入電壓小於穩定電壓，則將第一電子開關的佔空比設置為大於50% ;且第一電子開關處於導通狀態時，第二電子開關為截止狀態；
[0014]當輸入電壓大於穩定電壓，則將第一電子開關的佔空比設置為小於50%,且第一電子開關處於導通狀態時，第二電子開關為截止狀態。
[0015]本發明的有益效果為:區別於傳統穩壓產品:無工頻變壓器，可以使效率提高、重量減輕從而改善性能；無逆變器，結構簡單，控制靈活，性能好；無可控矽，提高功率因數，減小諧波幹擾。同時大幅度降低了穩壓器自身的重量和尺寸，產品可應用在所有的需要穩壓的用電場合，特別是適合於小體積安裝的場合，將會給國家帶來巨大經濟效益和社會效.、/■
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【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1所示為本發明原理結構示意框圖；
[0017]圖2所示為本發明工作過程中一種工作通路示意圖；
[0018]圖3所示為本發明工作過程中另一種工作通路示意圖；
[0019]圖4所示為本發明工作過程中第三種工作通路示意圖；
[0020]圖5所示為本發明工作過程中第四種工作通路示意圖；
[0021]圖6所示為本發明控制方法中SI與S2的導通時序示意圖；
[0022]圖7所示為SI與S2的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0023]以下結合附圖和具體實施例進一步說明。
[0024]如圖1所示，本發明的超高速節能型交流穩壓裝置，包括市電連接端Us和穩壓電源輸出端Uo，所述市電連接端Us與穩壓電源輸出端Uo之間的三相線路上依次串接有第一儲能電感L1、L2、L3，限流電阻Rtl、Rt2、Rt3，儲能電容Cl、C2、C3，以及第二儲能電感L4、L5、L6 ;各限流電阻兩端分別並接有可控開關K1、K2、K3 ;還包括控制單元、電壓檢測單元、第一電子開關SI和第二電子開關S2 ;各可控開關K1、K2、K3的控制輸入端分別連接控制單元；第一電子開關SI和第二電子開關S2分別包括控制輸入端和三個電流輸入端，其中控制輸入端連接控制單元，第一電子開關Si的三個電流輸入端分別連接在三相線路中限流電阻Rtl、Rt2、Rt3與儲能電容C1、C2、C3之間，第二電子開關S2的三個電流輸入端分別連接在三相線路中儲能電容C1、C2、C3與第二儲能電感L4、L5、L6之間；電壓檢測單元可採用現有的電壓傳感器I及模數轉換器2實現，電壓檢測單元中的電壓傳感器I的輸入端連接市電連接端Us以檢測輸入電壓，然後將檢測到的電壓信號經模數轉換器2轉換成數位訊號輸出至控制單元3，控制單元3可選用現有單片機等微型控制晶片；控制單元根據電壓信號控制可控開關K1、K2、K3的開關狀態，以及第一電子開關SI和第二電子開關S2的導通和截止。
[0025]穩壓輸出端Uo三相線路與公共端之間還串接有濾波電容C4、C5、C6，組成濾波單元，以對輸出電壓中的高頻諧波進行濾波。穩壓輸出端Uo與公共端之間的三相線路上分別串接迴路電阻Rl、R2和R3。
[0026]本發明在應用時，市電輸入的不穩定電壓可被自動調整為穩定的交流穩壓電源輸出給三相負載，無需傳統的交流穩壓裝置的變壓器和逆變電路，穩壓器自身耗能少，電壓調節迅速。
[0027]實施例
[0028]限流電阻Rtl、Rt2、Rt3皆為防浪湧熱敏電阻。第一電子開關SI和第二電子開關S2可採用現有的佔空比可調的高速電子開關集成晶片，其具有用於調節佔空比的埠即控制輸入端。電壓電流測量單元可利用現有的電壓電流測量電路，將測得的電壓電流模擬量轉換為數字量傳輸給控制單元。控制單元可選用現有的單片機，可控開關K1、K2、K3可利用繼電器輔助觸點實現，控制單元單片機控制繼電器線圈的通斷電，從而達到控制可控開關通斷的目的。通過電流電壓的測量，控制單元能夠判斷穩壓器接入電源的狀態，從而控制可控開關在電源接入穩壓器啟動時保持斷開狀態，並在一段時間後控制可控開關閉合，從而將限流電阻短路，避免其上的電能損耗。
[0029]對本發明的超高速節能型穩壓器中的第一電子開關和第二電子開關進行控制的方法為:對市電連接端Us的輸入電壓進行檢測，並對輸入電壓與既定的穩定電壓進行比較，此穩定電壓可根據穩壓器實際應用場合的電壓等級進行人為確定，然後利用電壓比較器實現兩電壓值的比較結果輸出，比較結果輸出至控制單元單片機後，單片機即可根據比較結果控制電子開關的導通和截止；或者將輸入電壓轉化為數位訊號後輸入至單片機，與事先通過軟體寫入單片機的既定穩定電壓進行比較，進而獲得比較結果，控制電子開關導通或截止，上述方法皆可利用現有軟體技術實現。
[0030]請參考圖7，本發明的電子開關S1、S2也可以採用圖示電路原理，各電子開關模塊由三組可關斷晶閘管GTO組成，GTO也可用IGBT或MCT、IGCT等現有可控功率器件替代。每組反向並接的可關斷晶閘管GTO中，6個GTO的門極1-6即為電子開關的控制端，對應電子開關的埠①-⑥；GTO的剩餘兩極一極用於分別連接三相線路中的一相，即埠⑦-⑨；另一極三組相接後接地，即埠⑩。對於圖7所示的電子開關，通過控制其中的6個GTO的導通和關斷時間從而調節佔空比大小的方法為現有技術。
[0031]請參考圖6，本發明對電子開關的具體控制方法為:
[0032]當輸入電壓等於穩定電壓，則將第一電子開關及第二電子開關的導通和截止佔空比分別設置為50% ；
[0033]當輸入電壓小於穩定電壓,則將第一電子開關佔空比設置為大於50% ；
[0034]當輸入電壓大於穩定電壓，則將第一電子開關佔空比設置為小於50% ；
[0035]且上述三種控制方法下，第一電子開關處於導通狀態時，第二電子開關為截止狀態。
[0036]本發明的控制原理具體為:市電輸入端輸入的為不穩定的三相電源電壓Us，限流電阻Rtl、Rt2、Rt3是現有專用的防浪湧熱敏電阻，用於在啟動時防止電流過高，起到限流的作用，在啟動結束後即通過控制單元控制可控開關K1-K3閉合使其限流電阻Rtl、Rt2、Rt3短路。SI和S2是現有的高速電子開關器件晶片，在三相電源電壓的一個0.02秒周期(工頻50赫茲)內，SI和S2高頻導通或截止。
[0037]在SI的Tqn(導通)期間，同時S2截止，三相電源通過電感LpLyLdP SI形成迴路，以A相迴路為例，如圖2所示，此時:
[0038]電源電壓Usi全部加在電感L1上，所以L1上的壓降為Usi，根據法拉第電磁感應定律可得:
[0039]Uhl = Usi = L1
Cll
[0040]經過Tqn時間後，L1上的電流增量是: Α4ι(ον) - ~^~ Ton — D1
[0041](式中，A=%1為SI佔空比，Ts = T0N+T0FF為導通周期)。
[0042]而在SI的Tqff(截止)期間，同時S2導通，三相電源通過電感Lp L2、L3,電容(^、C2、C3和S2形成迴路，以A相迴路為例，如圖3所示，此時:
I.
[0043]L1 上的壓降為:UU=U ,-Usi= -L1
dt
少 Uc1-Usi ^
[0044]可得:治Li = --dt
Li
[0045]經過Tqff時間後，L1上的電流增量是:
[0046]AfL1(0FF) = - T7off = - (I _ D1 )TS
L1L1
[0047](式中，=為S1導通的佔空比，Ts = T0N+T0FF為導通周期)。
[0048]根據穩態條件:ΔiL1(0N) = I Δ iL1 (0FF)
[0049]可得:D1Ts = 6(? 6si (1- D1 )7；
Li
[0050]通過化簡可得:t7Ci①
[0051]進一步的，考慮輸出環路，以A相為例:在下一個SI的TM(導通)期間，同時S2截止，SUCpL4和負載R1形成一個通路,如圖4所示，此時:
[0052]L4 上的壓降為:UL4 = Uc1-U01
(fl
[0053]可得:=Uci — U01 = L4
at
[0054]經過Tqn時間後，L4上的電流增量是: ^Z"l4(ON) — ~Z^ ^ON — J ^ON
-^4A
[0055]而在下一個SI的Tqff(截止)期間，同時S2導通，S2、L4和負載R1形成一個通路，如圖5所示，此時:
(I【
[0056]L4 上的壓降為:Uu = U01 = -L4 子
at
Uni
[0057]經過Tqff時間後，L4上的電流增量是:Δ/
U(OFF) = ~ —^OFF
-^4
[0058]由於在S2的導通和截止期間，電感L4上的電流不能發生突變，所以存在穩態條件為:A 1l4(0N) — I A 1L4(0FF)
一一， m,、i u.cl—um τ _ Um r
[0059]所以，ON ~T~^OFF
厶4厶4
-- C/nr+ Tqcc ) ?/η,Τ?, U0|
[0060]解之可得'U 1= °N~- = ^la--Tl ②
[0061](式中，為SI導通的佔空比，TS= TQN+TQFF為導通周期)。
1 s
[0062]將①式代入②式解得:
[0063]U01 = J^-uSi =Mb 式中 Μ =
[0064]故當D1 = 50%U01 = Usi
[0065]D1MO^時，Uqi > Usi
[0066]D1GO%時，U01 < Usi
[0067]換言之即:
[0068]當輸入電壓等於穩定電壓時，將D1設置為等於50%，即可實現穩壓；
[0069]當輸入電壓小於穩定電壓時，將D1設置為大於50% ,即可實現穩壓；
[0070]當輸入電壓大於穩定電壓時，將D1設置為小於50% ,即可實現穩壓。
[0071]D1S置的具體值可以通過檢測當前的輸入電壓，然後根據經驗值或者實際需要進行設置，只需滿足上述設置條件即可。
[0072]採用本發明的穩壓結構及控制方法，無需採用傳統變壓器或逆變器，只需通過改變的高速電子開關SI和S2的佔空比，即可使輸出電壓達到穩定電壓，且電子調速比機械調速更快、更準，重量更輕。
【權利要求】
1.一種超高速節能型交流穩壓裝置，包括市電連接端和穩壓電源輸出端，其特徵是，所述市電連接端與穩壓電源輸出端之間的三相線路上依次串接有第一儲能電感、限流電阻、儲能電容以及第二儲能電感； 上述各限流電阻兩端分別並接有可控開關； 還包括控制單元、電壓檢測單元、第一電子開關和第二電子開關；可控開關的控制輸入端連接控制單元；第一電子開關和第二電子開關分別包括控制輸入端和三個電流輸入端，其中控制輸入端連接控制單元，第一電子開關的三個電流輸入端分別連接在三相線路中限流電阻與儲能電容之間，第二電子開關的三個電流輸入端分別連接在三相線路中儲能電容與第二儲能電感之間；電壓檢測單元的輸入端連接市電連接端以檢測輸入電壓，然後將檢測到的電壓信號輸出至控制單元；控制單元根據電壓信號控制可控開關的開關狀態，以及第一電子開關和第二電子開關的導通和截止。
2.根據權利要求1所述的超高速節能型交流穩壓裝置，其特徵是，還包括濾波單元，濾波單元由分別串接在穩壓輸出端三相線路與公共端之間的濾波電容組成。
3.根據權利要求1所述的超高速節能型交流穩壓裝置，其特徵是，所述限流電阻皆為防浪湧熱敏電阻。
4.基於權利要求1至3任一項所述的超高速節能型交流穩壓裝置的控制方法，其特徵是，對第一電子開關和第二電子開關的控制方法為: 對市電連接端的輸入電壓進行檢測，並將檢測到的輸入電壓與既定的穩定電壓進行比較: 當輸入電壓等於穩定電壓，則將第一電子開關及第二電子開關的導通和截止佔空比分別設置為50% ； 當輸入電壓小於穩定電壓，則將第一電子開關的佔空比設置為大於50% ； 當輸入電壓大於穩定電壓，則將第一電子開關的佔空比設置為小於50% ； 且當第一電子開關處於導通狀態時，第二電子開關為截止狀態。
【文檔編號】G05F1/12GK104166418SQ201410439118
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】劉旭明, 謝東藩 申請人:金陵科技學院