電感器電路及控制電感器的方法
2023-07-15 20:15:26
專利名稱：電感器電路及控制電感器的方法
技術領域：
本發明涉及整流器電路領域，特別是一種電感器電路和一種控制電 感器的方法。
背景技術：
在很多電力電子設備中都使用交流(AC)-直流(DC)變流器(即， 整流器)作為對電網的接口，將電網的交流電轉換為直流電。由於二極 管整流橋的結構簡單，並且成本較低，因此單相或三相二極體整流橋常 被用來實現AC-DC轉換。然而，作為一種非線性和不可控器件，二極體 整流橋具有輸入電流諧波，容易引起電能質量問題，而電能質量問題會 引起諸如電壓波動、降低傳輸容量等進一步的問題。
圖1顯示了一種三相AC-DC-AC變流器，包括一個三相二極體整流 橋、 一個電解電容器和一個基於絕緣柵極型功率管(IGBT)的逆變器， 三相交流電從輸入端R、 S、 T輸入二極體整流橋，經二極體整流橋轉換 成直流電，在經過電解電容器之後輸入逆變器，由逆變器轉換成三相交 流電後從輸出端U、 V、 W輸出。如前所述，由於二極體整流橋是一種非 線性和不可控器件，所以其輸入電流含有明顯的諧波，會進一步傳播到 電網中，對電網造成不良影響。電流諧波還會導致電網輸出額外的無功 功率，降低電網的電壓。
圖2顯示了圖1所示二極體整流橋的輸入電壓和電流的波形，該圖 是從示波器屏幕截取的。需要注意的是，由於測量的是線間電壓，因此 相電壓與圖中所示電壓存在一個30°的相位差。圖3顯示了圖2中電流 的頻譜，該頻譜使用快速傅立葉變換(FFT)得到。從圖3可以看出，輸 入電流中存在明顯的5階諧波、7階諧波、11階諧波和13階諧波。經過計算，此時的功率因數為0.58。
為了降低二極體整流橋的輸入電流諧波，可以在二極體整流橋的直
流側使用一個電感器。圖4顯示了一種增加了電感器Ldc的AC-DC-AC 變流器。由於如圖4所示的電路在圖1所述電路的基礎上增加了一個具 有高電感的直流電感器ldc，因此可以使得直流側的電流變得平滑，並且
可以降低輸入電流諧波。
圖5顯示了圖4所示二極體整流橋(電感器Loc的電感為2mH時) 的輸入電壓和電流波形。圖5中的電流峰值約為15A，與圖2中約為25A 的電流峰值相比，可以看出電流峰值得到了降低，並且波形變得平滑了。
圖6顯示了通過FFT得到的圖5中電流的頻譜。圖6中雖然還存在 明顯的5階諧波和7階諧波，但是與圖3相比，已經得到了很大程度的 降低，尤其是7階諧波。經過計算，此時的功率因數為0.75，與圖1所 示的AC-DC-AC變流器相比有所提高。
使用電感更大的電感器可以進一步降低電流諧波。圖7顯示了採用 電感為10mH的電感器LDc時的輸入電壓和電流波形，圖8顯示了通過 FFT得到的圖7中電流的頻譜。從圖中可以看出，電流峰值(圖7中約 為10A)進一步得到了降低，電流波形更加平滑，進一步降低了 5階諧 波和7階諧波，並且此時的功率因數提高到了 0.92。
可見，採用電感更大的電感器，可以更進一步降低輸入電流諧波， 但是，由於電感器使用大量的銅，所以電感更大的電感器具有體積大、 重量大、成本高的問題。
發明內容
有鑑於此，本發明提出一種電感器電路，其目的在於，使用小電感 的電感器來有效降低輸入電流諧波。本發明還提出了一種電感器的控制 方法，用以使用小電感的電感器來有效降低輸入電流諧波。
為了實現上述目的，本發明提供了一種電感器電路，包括一個電感 器，該電感器串聯連接在一整流器電路直流側的一條線路中，還包括一 個第一控制器、 一個第二控制器、 一個第三控制器以及一個開關器件，所述開關器件並聯連接在所述整流器電路直流側的兩條線路之間，
所述第一控制器，用於根據電壓設定值和所述整流器電路直流側的
電壓釆樣信號確定電流參考信號；
所述第二控制器，用於根據所述電流參考信號和所述整流器電路直
流側的電流採樣信號確定控制信號；
所述第三控制器，用於根據所述控制信號控制所述開關器件導通或斷開。
所述電感器電路還包括一個波形發生器，用於產生電流整形信號。 所述第二控制器還用於根據所述電流參考信號、電流採樣信號以及所述 電流整形信號確定控制信號。
所述第一控制器為比例控制器、比例積分控制器、或者比例積分微 分控制器。
所述第二控制器為比例控制器、比例積分控制器、比例積分微分控 制器、或者比例微分控制器。
所述第三控制器為脈衝寬度調製控制器或脈衝頻率調製控制器。
所述開關器件為絕緣柵極型功率管、晶閘管、可關斷晶閘管、大功 率電晶體或者金屬氧化物半導體場效應電晶體。
所述電感器還串聯連接有一個二極體。
本發明還提供了一種電感器的控制方法，所述電感器串聯連接在一 整流器電路直流側的一條線路中，並且在所述整流器電路直流側的兩條 線路之間並聯連接有一個開關器件，該方法包括如下步驟
根據電壓設定值和所述整流器電路直流側的電壓採樣信號確定電流 參考信號；
根據所述電流參考信號和所述整流器電路直流側的電流採樣信號確 定控制信號；
根據所述控制信號控制開關器件導通或斷開。
該方法還包括產生電流整形信號的步驟。並且，根據所述電流參考 信號、電流採樣信號以及所述電流整形信號確定控制信號。
利用比例控制方法、比例積分控制方法或者比例積分微分控制方法 來確定所述電流參考信號。
利用比例控制方法、比例積分控制方法、比例積分微分控制方法、或者比例微分控制方法來確定所述控制信號。
利用脈衝寬度調製方法或者脈衝頻率調製方法來控制所述開關器件 導通或斷開。
該方法還包括限制所述電感器所在線路單向導通。
從上述方案中可以看出，採用本發明的技術方案可以使用小電感的 電感器取得現有技術中使用電感更大的電感器的效果，有效地降低了輸 入電流諧波，提高了輸入的功率因數。由於採用了小電感的電感器，本 發明還能夠降低整個電路的體積以及重量，並且降低了整個電路的成本。 另外，採用本發明的技術方案還能夠減小輸入電壓和電流之間的相位差。
圖1為現有技術中未使用電感器的AC-DC-AC變流器的結構示意圖。 圖2為從示波器屏幕截取的圖1中所示二極體整流橋的輸入電壓和
電流的示意圖，其中，通道l (圖中較規則的正弦波形)為電壓，檔位為
250V/格，通道2為電流，檔位為10A/格。 圖3為圖2所示電流的頻譜的示意圖。
圖4為現有技術中使用了電感器的AC-DC-AC變流器的結構示意圖。 圖5為從示波器屏幕截取的圖4所示AC-DC-AC變流器使用2mH電 感器時的輸入電壓和電流的示意圖，其中，通道l (圖中較規則的正弦波 形)為電壓，檔位為250V/格，通道2為電流，檔位為5A/格。 圖6為圖5所示電流的頻譜的示意圖。
圖7為從示波器屏幕截取的圖4所示AC-DC-AC變流器使用10mH 電感器時的輸入電壓和電流的示意圖，其中，通道l (圖中較規則的正弦 波形)為電壓，檔位為250V/格，通道2為電流，檔位為5A/格。
圖8為圖7所示電流的頻譜的示意圖。
圖9為根據本發明實施例的AC-DC-AC變流器的結構示意圖。 圖IO為根據本發明實施例的方法的示意圖。
圖11為從示波器屏幕截取的圖4所示AC-DC-AC變流器使用10mH 電感器時的輸入電壓和電流的示意圖，其中，通道l (圖中較規則的正弦波形)為電壓，檔位為250V/格，通道2為電流，檔位為10A/格。 圖12為圖11所示電流的頻譜的示意圖。
圖13顯示了不同情況下的輸入電流峰值的比較。圖14顯示了不同 情況下的輸入電流總諧波失真的比較。圖15顯示了不同情況下的輸入功 率因數的比較。在圖13、 14、 15中，(一)表示圖1所示電路的情況；
(二)表示圖4所示電路使用2mH電感器時的情況；(三)表示圖9所 示電路使用2mH電感器時的情況。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，以下舉實施例對本 發明進一步詳細說明。
圖9為一種AC-DC-AC變流器的結構示意圖，該AC-DC-AC變流器 包括本發明實施例的電感器電路。與圖4所示電路相似，該AC-DC-AC 變流器包括一個整流器電路、電解電容器、 一個逆變器電路、 一個電感
器LDC以及電感器LDC的控制電路，其中整流器電路可以採用二極體整流
橋，逆變器電路可以採用基於IGBT的逆變器或其它類似器件。電感器
LDc串聯連接在整流器電路直流側的一條線路中。
本發明實施例中的電感器LDC的控制電路包括一個第一控制器、一 個第二控制器、 一個第三控制器和一個開關器件。其中，開關器件並聯 連接在整流器電路直流側的兩條線路之間，在電感器之後。該開關器件 的導通和斷開，可以控制電感器。
第一控制器用於根據電壓設定值Vc/和整流器電路直流側的電壓採 樣信號V。確定電流參考信號Ii二其中，電壓設定值V;可以根據應用場 合的要求來設定。第一控制器可以採用比例(P)控制器、比例積分(PI) 控制器或者比例積分微分(PID)控制器來實現，從而利用相應的比例控 制方法、比例積分控制方法或者比例積分微分控制方法來確定電流參考 信號Ii二
由於比例控制方法、比例積分控制方法、比例積分微分控制方法以 及比例微分控制方法為公知的方法，比例控制器、比例積分控制器、比例積分微分控制器以及比例微分控制器為公知的控制器，因此本發明對 此不作詳細描述。
第二控制器用於根據第一控制器輸出的電流參考信號IiJ和從整流器 電路直流側採樣獲得的電流採樣信號Iin確定控制信號。第二控制器可以 採用比例控制器、比例積分控制器、比例積分微分控制器或者比例微分 (PD)控制器來實現，從而利用相應的比例控制方法、比例積分控制方 法、比例積分微分控制方法或者比例微分控制方法來確定控制信號。
進一步，第二控制器還可以根據電流參考信號Iir/、電流採樣信號Iin 以及電流整形信號Iv來確定控制信號，從而能夠對電流的波形進行更精 確的調整。其中，電流整形信號Iv可以由一波形發生器來產生。
第三控制器用於根據控制信號控制開關器件導通或斷開，從而對電 感器進行控制，使得具有較小電感的電感器能夠等效於傳統的電感更大 的電感器，進而降低輸入電流諧波。第三控制器可以採用脈衝寬度調製 (PWM)控制器、脈衝頻率調製(PFM)控制器等來實現，從而相應的
利用脈衝寬度調製方法、脈衝頻率調製方法來控制幵關器件的導通或斷開。
在本發明實施例的電路中，開關器件可以採用絕緣柵極型功率管
(IGBT) 。 IGBT具有承受電壓高、開關響應速度快的優點。在電壓較低 或開關相應速度要求不高的應用場合，開關器件還可以採用晶閘管
(SCR)、可關斷晶閘管(GTO)、大功率電晶體(GTR)或者金屬氧化
物半導體場效應電晶體(MOSFET)等來實現。
在如圖9所示的電路中，在電感器輸出端還串聯有一個二極體，該
二極體可以限制整流器電路直流側的電流方向，即限制電感器所在線路 只能單向流過電流。
圖IO是本發明實施例中控制方法的流程示意圖。該方法包括以下步
驟
步驟SOl，從整流器電路的直流側對電壓進行採樣，得到電壓採樣信 號V。，並且與預先設定的電壓設定值V。'一起提供給第一控制器。
步驟S02，根據根據電壓設定值V。^和電壓採樣信號V。確定電流參考 信號Ii/。在本步驟中，可以採用比例控制方法、比例積分控制方法或者比例積分微分控制方法來確定電流參考信號Ii二在圖10中以比例控制方 法為例。
步驟S03，使用諸如波形發生器等裝置產生電流整形信號Iv，將電流 整形信號Iv與電流參考信號lj疊加，得到疊加後的信號Il。
步驟S04，從整流器電路的直流側對電流進行採樣，得到電流採樣信
號U，並與上述信號IL一起提供給第二控制器。
步驟S05，根據電流參考信號Ii/和從整流器電路直流側採樣獲得的
電流採樣信號Iin確定控制信號。在本步驟中，可以採用比例控制方法、
比例積分控制方法、比例積分微分控制方法、或者比例微分控制方法來
確定控制信號，在圖io中以比例積分控制方法為例。
步驟S06，將控制信號提供給第三控制器，第三控制器根據該控制信 號控制開關器件(以IGBT為例)的柵極(GI(}BT)，從而控制開關器件 IGBT導通或者斷開。在圖10中，第三控制器以PWM控制器為例，並且 該PWM控制器採用三角波作為載波。
在上述方法中，還可以在電感器LDC所在線路中串聯連接有一個二 極管來限制整流器電路直流側的電流的方向。
圖11顯示了本發明實施例中整流器電路的輸入電壓和電流的波形， 其中所採用的電感器的電感為2mH。圖12顯示了通過FFT得到的圖11 中的電流的頻譜。
從圖11可以看出，輸入電流的峰值為IOA，遠小於圖2中的25A和 圖5中的15A，並且圖11中電壓和電流的相位差比圖2、 5、 7中電壓和 電流的相位差小。從圖12可以看出，與圖3以及圖6相比，本發明的技 術方案有效地降低了輸入電流中的5階諧波和7階諧波。經過計算，此 時的功率因數為0.91，而現有技術中採取10mH的電感器時的功率因數 為0.92。換言之，通過本發明的實施，使得2mH的電感器達到了現有技 術中採用10mH電感器所取得的效果。
圖13、圖14和圖15分別顯示了在採用不同技術方案時的輸入電流 峰值、總諧波失真(total harmonic distortion, THD)和輸入功率因數。 在這些圖中，(一)表示現有技術中圖1所示電路沒有採用電感器時的 情況；(二)表示現有技術中圖4所示電路只採用2mH的電感器時的情況；(三)表示根據本發明如圖9所示電路中控制2mH的電感器的情況。 從圖13、 14和15可以看出，本發明降低了輸入電流的峰值，降低了總 諧波失真，同時還提供了輸入的功率因數。
與取得相同效果的10mH電感器相比，本發明採用的2mH電感器及 其控制電路的成本和體積都遠小於採用傳統10mH電感器的電路。
採用本發明的技術方案，還可以實現直流電壓的可控性。在電網電 壓出現波動時，本發明的技術方案可以將直流電壓控制在一個合適的範 圍內，可以保證用電設備的安全，進一步可以省卻現有的頻率保護裝置。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均 應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種電感器電路，包括一個電感器，該電感器串聯連接在一整流器電路直流側的一條線路中，其特徵在於，還包括一個第一控制器、一個第二控制器、一個第三控制器以及一個開關器件，所述開關器件並聯連接在所述整流器電路直流側的兩條線路之間，所述第一控制器，用於根據電壓設定值(Vo*)和所述整流器電路直流側的電壓採樣信號(Vo)確定電流參考信號(Iin*)；所述第二控制器，用於根據所述電流參考信號(Iin*)和所述整流器電路直流側的電流採樣信號(Iin)確定控制信號；所述第三控制器，用於根據所述控制信號控制所述開關器件導通或斷開。
2、 根據權利要求1所述電感器電路，其特徵在於，所述電感器電路還 包括一個波形發生器，用於產生電流整形信號(Iv);所述第二控制器還用於根據所述電流參考信號(lj)、電流採樣信號(Iin) 以及所述電流整形信號(Iv)確定控制信號。
3、 根據權利要求1或2所述電感器電路，其特徵在於，所述第一控制 器為比例(P)控制器、比例積分(PI)控制器、或者比例積分微分(PID) 控制器。
4、 根據權利要求1或2所述電感器電路，其特徵在於，所述第二控制 器為比例控制器、比例積分控制器、比例積分微分控制器、或者比例微分(PD)控制器。
5、 根據權利要求1或2所述電感器電路，其特徵在於，所述第三控制 器為脈衝寬度調製(PWM)控制器或者脈衝頻率調製(PFM)控制器。
6、 根據權利要求1或2所述電感器電路，其特徵在於，所述開關器件 為絕緣柵極型功率管(IGBT)、晶閘管(SCR)、可關斷晶閘管(GTO)、 大功率電晶體(GTR)或者金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。
7、 根據權利要求1或2所述電感器電路，其特徵在於，所述電感器還 串聯連接有一個二極體。
8、 一種電感器的控制方法，所述電感器串聯連接在一整流器電路直流 側的一條線路中，並且在所述整流器電路直流側的兩條線路之間並聯連接有一個開關器件，該方法包括如下步驟根據電壓設定值(V。*)和所述整流器電路直流側的電壓採樣信號(V。) 確定電流參考信號(Ij);根據所述電流參考信號(Iin*)和所述整流器電路直流側的電流採樣信號(Iin)確定控制信號；根據所述控制信號控制開關器件導通或斷開。
9、 根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，該方法還包括產生電流 整形信號(Iv)的步驟；並且，根據所述電流參考信號(Iin*)、電流採樣信號(Iin)以及所述電 流整形信號(Iv)確定控制信號。
10、 根據權利要求8或9所述的方法，其特徵在於，利用比例(P)控 制方法、比例積分(PI)控制方法或者比例積分微分(PID)控制方法來確定所述電流參考信號(iir;)。
11、 根據權利要求8或9所述的方法，其特徵在於，利用比例控制方法、 比例積分控制方法、比例積分微分控制方法、或者比例微分(PD)控制方法 來確定所述控制信號。
12、 根據權利要求8或9所述的方法，其特徵在於，利用脈衝寬度調製 (PWM)方法或者脈衝頻率調製(PFM)方法來控制所述開關器件導通或斷開。
13、 根據權利要求8或9所述的方法，其特徵在於，該方法還包括限 制所述電感器所在線路單向導通。
全文摘要
本發明公開了一種電感器電路，包括一個串聯連接在一整流器電路直流側一條線路中的電感器，還包括一個第一控制器、一個第二控制器、一個第三控制器以及一個開關器件，開關器件並聯連接在整流器電路直流側的兩條線路之間，第一控制器用於根據電壓設定值和整流器電路直流側的電壓採樣信號確定電流參考信號；第二控制器用於根據電流參考信號和整流器電路直流側的電流採樣信號確定控制信號；第三控制器用於根據控制信號控制開關器件導通或斷開。本發明還公開了一種電感器的控制方法。本發明可以使用小電感的電感器取得現有技術中使用電感更大的電感器的效果，有效地降低了輸入電流諧波，提高了輸入的功率因數。
文檔編號H02M1/12GK101686016SQ200810211748
公開日2010年3月31日 申請日期2008年9月24日 優先權日2008年9月24日
發明者晶 克, 吳學智, 姚吉隆, 趙研峰 申請人:西門子(中國)有限公司