專利名稱：一種新型的穩(wěn)壓器濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及濾波控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)中消除穩(wěn)壓器產(chǎn)生的諧波的濾波技術(shù)，尤其是一 種交流斬波式穩(wěn)壓器及其濾波方法和濾波系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常在大功率穩(wěn)壓器中對(duì)輸出電壓的要求都很高，不僅需要保證相位 和幅值穩(wěn)定，還需要具有良好的輸出波形。穩(wěn)壓器主要工作組成部分—— 交流斬波電路在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，另外非線性負(fù)載也會(huì)產(chǎn)生大 量的諧波電流。這些大量的諧波不僅會(huì)對(duì)輸出設(shè)備造成損壞，也甚至造成 穩(wěn)壓器系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
目前多采用普通的LC濾波器來(lái)濾除高次諧波，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。 普通的LC濾波器由一個(gè)電感和一個(gè)電容組成。濾波電感L1串聯(lián)，電容C1 并聯(lián)。
利用傳遞函數(shù)的推導(dǎo)方法可以得到如圖1所示的普通LC濾波器的傳遞
函數(shù)為
辟)=~
^c"1 (式l)
式中Ll為電感值，Cl為電容值，S為傳遞函數(shù)中的參數(shù)。 這里引入一個(gè)實(shí)例，將丄,0'4"^， C^100/zF代入式(1)式得<formula>formula see original document page 8</formula>
利用傳遞函數(shù)可以畫(huà)出該濾波電路的波特圖如圖2所示。圖中的上圖 表示的是濾波電路的輸出幅值與頻率的關(guān)系，其中橫軸為頻率，縱軸為幅 值，下圖為濾波電路輸出相位和頻率的關(guān)系，其中橫軸為頻率，縱軸為相 位，波特圖通常用于表示該電路的輸出與輸入的幅值和相位在不同頻率下 的關(guān)系。從圖2可以看出，普通LC濾波器其中的幅頻曲線在諧振頻率處幅 值有很大的尖峰，這表明了在這個(gè)頻率下的波形幅值會(huì)有很大失真，因此 作為濾波器的幅頻特性不好。由公式(1)中可以知道傳遞函數(shù)有兩個(gè)極點(diǎn)， 且實(shí)部均為零，因此系統(tǒng)處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，容易受外界的干 擾而變得不穩(wěn)定。
所以說(shuō)，這種傳統(tǒng)的LC電路需要進(jìn)行改進(jìn)。
再者，從穩(wěn)壓器中的諧波來(lái)源可知，還有一部分諧波是由于負(fù)載的非 線性產(chǎn)生的，而該傳統(tǒng)濾波電路不能消除負(fù)載的非線性諧波。這部分諧波 電流會(huì)通過(guò)變壓器的副邊傳輸?shù)阶儔浩鞯脑叄跒V波器的輸出端會(huì)產(chǎn)生 諧波電壓，影響變壓器的補(bǔ)償效果。此外，由于傳統(tǒng)濾波電路中的電容和 電感的數(shù)值一旦設(shè)計(jì)確定后就不會(huì)改變，并且受濾波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制， 對(duì)于特定頻率的信號(hào)濾波效果較差。

發(fā)明內(nèi)容
,本發(fā)明的目的是提供一種交流斬波式穩(wěn)壓器的濾波方法及裝置，可以 抑制交流斬波式穩(wěn)壓器中交流斬波電路以及負(fù)載中產(chǎn)生的諧波。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了以下技術(shù)方案 首先是濾波方法
1、 一種交流斬波式穩(wěn)壓器的濾波方法，用于抑制交流斬波式穩(wěn)壓器中交流 斬波電路以及負(fù)載中產(chǎn)生的諧波，所述交流斬波式穩(wěn)壓器至少包括雙向 開(kāi)關(guān)降壓變換器，與所述交流電源直接連接，包括功率開(kāi)關(guān)元件；濾波電 路，其輸入端A串聯(lián)第一電感Ll，在交流斬波電路的公共端和第一電感
L1一端之間并聯(lián)第一電容C1，第一電容C1兩端并聯(lián)一個(gè)串并聯(lián)組合，所 述串并聯(lián)組合包括電阻R2與第二電感L2的并聯(lián)再與第二電容C2串聯(lián)， 其中所述串并聯(lián)組合的遠(yuǎn)離第二電容C2的連接點(diǎn)與所述交流斬波電路的 公共端相連接，所述濾波電路的輸出端B為第二電容C2的遠(yuǎn)離所述并聯(lián)組 合的一端；變壓器，其原邊接所述濾波電路單元的輸出端(B)，副邊串聯(lián) 在供電主回路中，向負(fù)載輸出電壓^。；控制單元，根據(jù)下列濾波方法對(duì)所 述穩(wěn)壓器的實(shí)際輸入電壓^進(jìn)行處理，生成控制信號(hào)并發(fā)送至所述雙向開(kāi) 關(guān)降壓變換器，通過(guò)控制所述功率開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷而對(duì)所述穩(wěn)壓器 的輸出波形進(jìn)行控制；所述濾波方法至少包括以下步驟
① 對(duì)所述穩(wěn)壓器的實(shí)際輸入電壓^進(jìn)行帶阻濾波并生成信號(hào)Vsl;
② 執(zhí)行線性校正并生成信號(hào)Vs2;
③ 進(jìn)行除法算法并生成信號(hào)VC，公式為
K =^
C r。 (7)
其中F。為所述穩(wěn)壓器的實(shí)際輸出電壓，
④ 進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算并生成信號(hào)Vs3，公式為Vs3=Vc-Vg
其中Vg為給定電壓信號(hào)； ⑤形成PWM控制信號(hào)。
2、所述步驟①的帶阻濾波傳遞函數(shù)為:
l + (WC)2
式中S為變量，R， C， k為濾波器參數(shù)； 所述步驟②的線性校正采用下列二階傳遞函數(shù):
(5)
(6)
十2xsxw+w 其中S為變量，W為二階傳遞函數(shù)參數(shù)；
所述步驟④的給定電壓信號(hào)Vg是頻率與輸出電壓需求一致的交流信號(hào)<
3、所述濾波方法在步驟④和⑤之間還包括以下步驟
對(duì)信號(hào)Vs3進(jìn)行限幅并得到信號(hào)Vs4，該步驟的公式為
&4 二 V min
、4 、3
r、^ = max
Ks3 < C/ min
f/ max > &3 > min
7 max < KS3
(8)
其中Umax為所述控制單元運(yùn)算寬度的最大值，而Umin為最小值。
4、 在所述步驟⑤中，所述信號(hào)Vs4與帶有預(yù)定頻率的三角載波信號(hào)進(jìn)行比 較，根據(jù)比較的結(jié)果產(chǎn)生高電平或低電平信號(hào)，所述電平信號(hào)對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生 用于控制功率開(kāi)關(guān)管的PWM控制信號(hào)。
5、 在所述步驟⑤中，所述比較結(jié)果為正則輸出高電平，結(jié)果為負(fù)則輸出低 電平；或者所述結(jié)果為正則輸出底電平，結(jié)果為負(fù)則輸出高電平。
6、 所述功率開(kāi)關(guān)元件為IGBT，或MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)晶體管。
10其次是濾波方法
7、 一種交流斬波式穩(wěn)壓器的濾波系統(tǒng)，用于抑制交流斬波式穩(wěn)壓器中交流 斬波電路以及負(fù)載中產(chǎn)生的諧波，所述交流斬波式穩(wěn)壓器至少包括雙向 開(kāi)關(guān)降壓變換器，與所述交流電源直接連接，包括功率開(kāi)關(guān)元件；濾波電 路，其輸入端A串聯(lián)第一電感Ll，在交流斬波電路的公共端和第一電感 Ll 一端之間并聯(lián)第一電容C1，第一電容C1兩端并聯(lián)一個(gè)串并聯(lián)組合，所 述串并聯(lián)組合包括電阻R2與第二電感L2的并聯(lián)再與第二電容C2串聯(lián)， 其中所述串并聯(lián)組合的遠(yuǎn)離第二電容C2的連接點(diǎn)與所述交流斬波電路的 公共端相連接，所述濾波電路的輸出端B為第二電容C2的遠(yuǎn)離所述并聯(lián)組 合的一端；變壓器，其原邊接所述濾波電路單元的輸出端B，副邊串聯(lián)在 供電主回路中，向負(fù)載輸出電壓「。；控制單元，對(duì)所述穩(wěn)壓器的實(shí)際輸入 電壓^進(jìn)行處理，生成控制信號(hào)并發(fā)送至所述雙向開(kāi)關(guān)降壓變換器，通過(guò) 控制所述功率開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷而對(duì)所述穩(wěn)壓器的輸出波形進(jìn)行控 制；所述控制單元至少包括以下模塊
① 帶阻濾波模塊，對(duì)所述穩(wěn)壓器的實(shí)際輸入電壓、進(jìn)行帶阻濾波并生 成信號(hào)Vsl;
② 線性校正模塊，執(zhí)行線性校正并生成信號(hào)VS2;
③ 除法算法模塊，進(jìn)行除法算法并生成信號(hào)VC，公式為 F =^
c F。 (7) 其中F。為所述穩(wěn)壓器的實(shí)際輸出電壓，
負(fù)反饋運(yùn)算模塊，進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算并生成信號(hào)Vs3，公式為Vs3=Vc-Vg
其中Vg為給定電壓信號(hào)；
⑤形成PWM控制信號(hào)的模塊。
8、所述模塊①的帶阻濾波傳遞函數(shù)為:
l + (MC)2
式中S為變量，R， C， k為濾波器參數(shù)； 所述模塊②的線性校正采用下列二階傳遞函數(shù):
(5)
TV
s +2xsx w + w
(6)
其中S為變量，W為二階傳遞函數(shù)參數(shù)；
所述模塊④的給定電壓信號(hào)Vg是頻率與輸出電壓需求一致的交流信號(hào), 9、所述控制單元在模塊④和⑤之間還包括以下限幅模塊 對(duì)信號(hào)Vs3進(jìn)行限幅并得到信號(hào)Vs4，該模塊的公式為
J754 = f/ min
"4 、3
&4 = " max
&3 < f/ min
max > ^ > " min C7 max < &3
(8)
其中Umax為所述控制單元運(yùn)算寬度的最大值，而Umin為最小值。
10、 在所述模塊⑤中，所述信號(hào)Vs4與帶有預(yù)定頻率的三角載波信號(hào)進(jìn)行 比較，根據(jù)比較的結(jié)果產(chǎn)生高電平或低電平信號(hào)，所述電平信號(hào)對(duì)應(yīng)于產(chǎn) 生用于控制功率開(kāi)關(guān)管的PWM控制信號(hào)。
11、 在所述模塊⑤中，所述比較結(jié)果為正則輸出高電平，結(jié)果為負(fù)則輸出 低電平；或者所述結(jié)果為正則輸出底電平，結(jié)果為負(fù)則輸出高電平。
12、 所述功率開(kāi)關(guān)元件為IGBT，或MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)晶體管。最后本發(fā)明還公開(kāi)了一種交流斬波式穩(wěn)壓器 13、 一種交流斬波式穩(wěn)壓器，用于抑制交流斬波式穩(wěn)壓器中交流斬波電路 以及負(fù)載中產(chǎn)生的諧波，包括一個(gè)濾波電路，所述濾波電路的輸入端A串 聯(lián)第一電感L1，在交流斬波電路的公共端和第一電感Ll 一端之間并聯(lián)第 一電容C1，第一電容C1兩端并聯(lián)一個(gè)串并聯(lián)組合，所述串并聯(lián)組合包括 電阻R2與第二電感L2的并聯(lián)再與第二電容C2串聯(lián)，其中所述串并聯(lián)組 合的遠(yuǎn)離第二電容C2的連接點(diǎn)與所述交流斬波電路的公共端相連接，所述 濾波電路的輸出端B為第二電容C2的遠(yuǎn)離所述并聯(lián)組合的一端。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，從兩個(gè)方面來(lái)增強(qiáng)濾波效果包括硬件方面 和軟件方面。硬件方面采用改善濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法，軟件方面采用增 加濾波控制方法。從上面的分析可知，通過(guò)改善濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和增加濾 波控制方法后，變壓器原邊側(cè)電壓波形良好，變壓器補(bǔ)償電壓的效果很好， 穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓性能優(yōu)越。


圖1是傳統(tǒng)LC濾波器的電路原理圖。
圖2是圖1傳統(tǒng)LC濾波器的波特圖。
圖3是本發(fā)明交流斬波式穩(wěn)壓器采用的濾波電路原理圖。
圖4是圖3濾波電路的波特圖。
圖5是本發(fā)明的交流斬波式穩(wěn)壓器原理方框圖。
圖6是本發(fā)明的用于交流斬波式穩(wěn)壓器的濾波方法的流程圖。圖7是圖6所示的濾波方法中的帶阻濾波環(huán)節(jié)的波特圖。
圖8 (a):當(dāng)不采用負(fù)反饋濾波控制，有諧波電流從變壓器副邊流入變
壓器原邊時(shí)，濾波器輸出端電壓對(duì)諧波電流的波特圖。
圖8(b):當(dāng)采用圖6所示的負(fù)反饋濾波控制，有諧波電流從變壓器副
邊流入變壓器原邊時(shí)，濾波器輸出端電壓對(duì)諧波電流的波特圖。
圖9是本發(fā)明采用的交流斬波電路的電路原理圖。
圖IO為采用負(fù)反饋閉環(huán)控制方法后，濾波器的輸出端電壓波特圖。
圖ll (a)為采用普通的LC濾波器以及不采用負(fù)反饋濾波控制時(shí)，變
壓器原邊側(cè)電壓的波形圖。
圖11 (b)為只接改進(jìn)的濾波器，不采用負(fù)反饋濾波控制的變壓器原邊
側(cè)電壓波形圖。
圖ll(c)為接改難的濾波器和負(fù)反饋控制的變壓器原邊側(cè)電壓波形圖。 具體實(shí)施例
以下的內(nèi)容是通過(guò)實(shí)施例的方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，從而使本領(lǐng) 域技術(shù)人員進(jìn)一步了解本發(fā)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不能限制于這些實(shí) 施例。
本發(fā)明主要通過(guò)一種新型的濾波電路和/或?yàn)V波軟件，對(duì)交流斬波式穩(wěn) 壓器中交流斬波電路以及負(fù)載中產(chǎn)生的諧波進(jìn)行濾波，從而滿足大功率穩(wěn) 壓器中對(duì)輸出電壓的要求。
首先詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的交流斬波式穩(wěn)壓器采用的新型的LC濾波電路。 如圖3所示，采用的新型結(jié)構(gòu)的濾波電路與傳統(tǒng)LC濾波電路結(jié)構(gòu)差別不大，在該新型濾波電路中，其輸入端A串聯(lián)電感L1，在交流斬波電路
的公共端和電感L1另一端之間并聯(lián)電容C1，電容C1兩端并聯(lián)一個(gè)由電容 C2、電阻R2、電感L2組成的串并聯(lián)組合電路，其結(jié)構(gòu)為電阻R2與電感 L2串并聯(lián)組合后再與電容C2串聯(lián)，其中所述串并聯(lián)組合的遠(yuǎn)離電容C2的 連接點(diǎn)與所述交流斬波電路的公共端相連接，所述濾波電路的輸出端為電 容C2的遠(yuǎn)離所述串并聯(lián)組合的一端B。
該新型濾波電路中新增加的R2， C2改善了傳統(tǒng)LC濾波電路的幅頻和 相頻特性，而濾波電路在^的旁邊并聯(lián)一個(gè)電感^的作用主要是減少能量 的損耗，經(jīng)過(guò)仿真分析可知，接上電感A的能量損耗是不接上電感A的能 丄
量損耗的5。
利用與前面公式(1)相同的分析方法，求得該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)如 下式(3)所示
<formula>formula see original document page 15</formula>
(式3)<formula>formula see original document page 15</formula>
作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，我們帶入一組數(shù)據(jù)，例如4=^4"^，-
C^lOO/zF, I2=Uw//， C2=10(X，札=5^代入(式3)得傳遞函數(shù)如下(式 4)所示
<formula>formula see original document page 15</formula>
(式4)根據(jù)公式(4)的新型濾波電路的波特圖如圖4所示。
由該波特圖可知，與圖1的傳統(tǒng)LC濾波電路的波特圖相比較，新型濾 波電路的幅頻特性得到了很大改善，幅頻特性中幅值增益的尖峰也變小了； 而且從公式(4)看出傳遞函數(shù)的四個(gè)極點(diǎn)的實(shí)部都離原點(diǎn)較遠(yuǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定 提供了。
但是在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，雖然上述改進(jìn)能夠滿足部分大功率穩(wěn)壓 器要求，但是對(duì)于那些要求比較高的場(chǎng)合仍然欠佳。因此上述含有改進(jìn)型 LC電路的濾波器及穩(wěn)壓器只能是本發(fā)明的部分實(shí)施例，本發(fā)明配合這種新 型濾波電路還同時(shí)設(shè)計(jì)了軟件濾波方法和裝置。
以下詳細(xì)描述本發(fā)明的軟件濾波方法和裝置。
如前所述由于穩(wěn)壓器的負(fù)載通常為非線性負(fù)載，會(huì)產(chǎn)生很大的諧波電 流，本發(fā)明的軟件通過(guò)負(fù)反饋控制方法將輸出端的信號(hào)的變化量引到輸入 端，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)來(lái)保持良好的補(bǔ)償效果。
圖5是本發(fā)明的交流斬波式穩(wěn)壓器原理方框圖。本發(fā)明的交流斬波式 穩(wěn)壓器包括如下部分
交流電源510:其輸入為日常用的單相交流電源，在通常實(shí)施例中為 220V、 50Hz的交流電源；應(yīng)該說(shuō)明的是，本發(fā)明的交流斬波式穩(wěn)壓器在實(shí) 際應(yīng)用中是用于三相的，圖5只是其中一相的示意圖。
雙向開(kāi)關(guān)降壓變換器520，與電源510直接連接，雙向BUCK電路簡(jiǎn) 化示意圖如圖9所示，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)元件S1， S2的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)輸出波形的控制，功率開(kāi)關(guān)元件S1， S2可以用各種功率器件和功率二極管實(shí)現(xiàn)，其中的功率器件就是指IGBT ,或MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管) 晶體管，等。
濾波電路單元530，取輸入端A連接到520的輸出端，其輸出端B連 接到變壓器540，其電路如前面所述的圖3，不再詳述。
變壓器540，在一個(gè)實(shí)施例中變壓器540采用常用的工頻變壓器，其原 邊接濾波電路單元530的輸出端B，副邊串聯(lián)在供電主回路中，通過(guò)變壓 器將經(jīng)濾波后的交流變換器輸出電壓傳輸?shù)阶儔浩鞯母边?，達(dá)到變壓器補(bǔ) ,償電壓的作用。
負(fù)載550，線性負(fù)載或非線性負(fù)載均可；其中非線性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大量的 諧波電流。
控制單元560，可包括多種型號(hào)的處理器(圖中未示)，本發(fā)明的軟件 即安裝于其中，通過(guò)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，發(fā)出控制信號(hào)給雙向開(kāi)關(guān) 降壓變換器520，通過(guò)控制雙向開(kāi)關(guān)降壓變換器520中的開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷， 最終實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)壓器的控制來(lái)達(dá)到輸出波形的調(diào)整。詳見(jiàn)后述。
如圖6所示是本發(fā)明的用于交流斬波式穩(wěn)壓器的濾波方法的流程圖。 首先是步驟6-l,進(jìn)行電壓檢測(cè)，分別檢測(cè)穩(wěn)壓器的實(shí)際輸入電壓^和 實(shí)際輸出電壓^，其中，、就是交流電源510的輸出電壓；^是加在負(fù)載 550上的電壓，然后利用處理器的AD采樣功能將穩(wěn)壓器的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為
數(shù)字信號(hào)以便處理器的運(yùn)算。
然后執(zhí)行步驟6-2的帶阻濾波，對(duì)采樣的輸入電壓L進(jìn)行濾波。因?yàn)?AD采樣的信號(hào)中也含有諧波，反饋控制是根據(jù)輸出來(lái)調(diào)整輸入，而穩(wěn)壓器
中的諧波是不利的，因此需要把AD采樣到的諧波濾除掉，帶阻濾波可以濾除基波頻率以外的所有的諧波，以達(dá)到濾除諧波的目的，其傳遞函數(shù)為<formula>formula see original document page 18</formula>
式中s為變量，R， C， k為濾波器參數(shù)，以R=3900， C=0.000001， k=1.57
為例，經(jīng)過(guò)這一環(huán)節(jié)其波特圖如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，采用了帶阻濾波 后所獲得的信號(hào)Vsl中的諧波被濾除，可以大大提高反饋的性能。
步驟6-3的負(fù)反饋濾波即執(zhí)行線性校正控制，前一步驟帶阻濾波后的 Vsl需要執(zhí)行線性控制來(lái)進(jìn)一步校正，濾波器的作用就是通過(guò)調(diào)節(jié)幅頻和相 頻特性而控制輸入信號(hào)，使其輸出時(shí)的幅值和相位滿足實(shí)際需要，與硬件 電路不同，硬件電路的幅頻和相頻特性是由電路參數(shù)設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)的，而本 步驟中是通過(guò)軟件濾波控制電壓的幅頻相頻特性的算法。通過(guò)配置適當(dāng)?shù)?零、極點(diǎn)可以修正軟件濾波的幅頻和相頻特性，實(shí)際運(yùn)用的調(diào)節(jié)函數(shù)有多 種形式，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中線性控制采用二階傳遞函數(shù)為
<formula>formula see original document page 18</formula>
式中S為變量，W為二階傳遞函數(shù)參數(shù)。 通過(guò)這一步驟的線性校正，得到了Vs2。
在上述負(fù)反饋濾波過(guò)程中，通過(guò)二階傳遞函數(shù)進(jìn)行線性控制來(lái)校正系 統(tǒng)，對(duì)濾除諧波的效果很好，如下所述
(1) 當(dāng)不采用負(fù)反饋濾波控制，有諧波電流從變壓器副邊流入變壓器 原邊時(shí)，濾波器輸出端電壓對(duì)諧波電流的波特圖如圖8 (a)所示；
(2) 當(dāng)采用負(fù)反饋濾波控制，有諧波電流從變壓器副邊流入變壓器原
邊時(shí)，濾波器輸出端電壓對(duì)諧波電流的波特圖如圖8 (b)所示；由圖8 (a)、圖8 (b)可知，當(dāng)有諧波電流從變壓器的副邊傳輸?shù)?變壓器原邊時(shí)，采用負(fù)反饋濾波控制比不采用負(fù)反饋濾波控制時(shí)，濾波器 的輸出端電壓對(duì)諧波的抑制能力大大加強(qiáng)。
步驟6-4為除法算法，將線性控制所得的輸出信號(hào)Vs2除以檢測(cè)得到
的輸出電壓^，公式為
。^ ' (7)
經(jīng)過(guò)除法運(yùn)算可以減小反饋時(shí)帶來(lái)的誤差。
然后執(zhí)行步驟6-5的負(fù)反饋運(yùn)算，在這一步驟中我們引入了電壓給定值 Vg，公式為Vs3=Vc-Vg，即在處理器中將以上運(yùn)算結(jié)果Vc減去電壓給定 Vg，其中給定值Vg在穩(wěn)壓器的控制軟件里進(jìn)行設(shè)置，用于控制穩(wěn)壓器輸 出電壓，因?yàn)榉€(wěn)壓器也是一種自動(dòng)控制的系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸出不是 任意的，而是根據(jù)輸入一個(gè)給定值讓輸入跟蹤，這個(gè)輸入給定值就是Vg。 通過(guò)該反饋運(yùn)算可以使輸出電壓Vo始終跟蹤給定電壓Vg。這一步驟得到 的結(jié)果是Vs3。這樣就把輸入與輸出的關(guān)系聯(lián)系起來(lái)。本穩(wěn)壓器采用的給定 信號(hào)Vg是頻率與輸出電壓需求一致的交流信號(hào)。
為防止除法步驟結(jié)果超出處理器運(yùn)算能力，所得到的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)步
驟6-6進(jìn)行限幅，其原理是將除法運(yùn)算超出運(yùn)算寬度的結(jié)果限制在處理器運(yùn)
算寬度的最大值。當(dāng)除法運(yùn)算結(jié)果大于設(shè)定的最大值Umax，令除法結(jié)果為
Umax，若除法結(jié)果小于最小值Umin，令運(yùn)算結(jié)果為Umin。最后得到了
Vs4，該步驟的公式為
= min &3 < U min &4 = C/ max t/ max < r , o 、以上運(yùn)算結(jié)果Vs4作為步驟6-7的PWM環(huán)節(jié)的輸入，Vs4要在步驟 6-7中與在處理器內(nèi)部產(chǎn)生的帶有一定頻率的三角載波信號(hào)進(jìn)行比較，這個(gè) 三角載波信號(hào)由本軟件虛擬產(chǎn)生，頻率跟采用的器件類型有關(guān)，在一個(gè)實(shí) 施例中其頻率為40MHz。結(jié)果為正則輸出高電平，結(jié)果為負(fù)則輸出低電平； 當(dāng)然也可以是結(jié)果為正則輸出低電平，結(jié)果為負(fù)則輸出高電平；這些電平 信號(hào)對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生用于控制功率開(kāi)關(guān)管PWM控制信號(hào)。
以上為軟件濾波整個(gè)流程圖，軟件流程產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)來(lái)控制 功率器件;在一個(gè)實(shí)施例中，該功率器件是圖5中的雙向BUCK變換器的開(kāi) 關(guān)電路520，該功率器件還看參照?qǐng)D9所示，通常交流斬波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 可畫(huà)成如圖9所示。其中的功率器件為S1，S2，當(dāng)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷時(shí)，電 源對(duì)負(fù)載供電，同時(shí)對(duì)電感充電，當(dāng)S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通時(shí)，電源與負(fù)載斷開(kāi)， 由電感續(xù)流向負(fù)載供電。通過(guò)Sl和S2的導(dǎo)通和關(guān)斷，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)壓器 的控制來(lái)達(dá)到輸出波形的調(diào)整。
利用電感電流變化公式，設(shè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通周期為乙S的導(dǎo)通時(shí)間為4， ^的導(dǎo)通時(shí)間為7^^，則在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期t內(nèi)，電流的變化如式(9)所示: 7 —/ =d。 t
j/:+l 乂A" r 乂ow 、
z (9) 當(dāng)^相比于輸入電^K"較小時(shí)，可忽略，則由該公式可知，請(qǐng)同時(shí)參 見(jiàn)圖5，'當(dāng)變壓器原邊vl向?yàn)V波器端輸入諧波電流時(shí)，負(fù)反饋時(shí)開(kāi)關(guān)的占 空比^與電壓^的幅值成反比，故在前面步驟6-4中將線性控制所得的輸 出信號(hào)Vs2除以檢測(cè)得到的輸出電壓「。，便能產(chǎn)生出所需的負(fù)反饋控制信 號(hào)。
采用本發(fā)明負(fù)反饋閉環(huán)控制方法的軟件后，濾波器的輸出端電 波特圖如圖10所示；由該波特圖可知，與圖2所示傳統(tǒng)的LC濾波器的波特圖 相比，采用本發(fā)明的改進(jìn)LC電路及負(fù)反饋控制后，濾波器的輸出端電壓只 含有基波，不含有諧波。這樣就大大改善了輸出特性。
以下通過(guò)MATLAB軟件的仿真驗(yàn)證本發(fā)明的效果。仿真中穩(wěn)壓器的輸 出端接單相全橋不可控整流電路，整流橋的輸出接5()()()^大電容，在該電
容旁邊并聯(lián)SQ電阻，用于模擬現(xiàn)實(shí)中產(chǎn)生大諧波電流的非線性負(fù)載。仿真 中的輸入按照實(shí)際情況為電壓220V，頻率/=50他的交流電源，因此需要 帶入的參數(shù)^ = 2< = 1()()「其余所用到的參數(shù)與前面一致。仿真對(duì)比結(jié)果如 圖11 (a)、圖11 (b)、圖11 (c)所示
(1) 采用普通的LC濾波器以及不采用負(fù)反饋控制時(shí)，變壓器原邊側(cè)電 壓如圖11 (a)所示；
(2) 只接改進(jìn)的濾波器520，不采用負(fù)反饋控制的變壓器540原邊側(cè)電 壓如圖11 (b)所示；
(3) 接改進(jìn)的濾波器520和負(fù)反饋控制的變壓器540原邊側(cè)電壓如圖11
(C)所示；
由圖11 (a)、圖11 (b)、圖11 (c)可知，改進(jìn)濾波器的濾波效果比
普通濾波器以后好就很多，而采用負(fù)反饋控制后濾波性能又得到了很大的 改善，即使負(fù)載存在大量的諧波電流仍能保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，且變壓器原邊 側(cè)電壓波形質(zhì)量好，變壓器補(bǔ)償電壓的效果很好。
權(quán)利要求
1、一種交流斬波式穩(wěn)壓器的濾波方法，用于抑制交流斬波式穩(wěn)壓器中交流斬波電路以及負(fù)載中產(chǎn)生的諧波，其特征是所述交流斬波式穩(wěn)壓器至少包括雙向開(kāi)關(guān)降壓變換器，與所述交流電源直接連接，包括功率開(kāi)關(guān)元件；濾波電路，其輸入端(A)串聯(lián)第一電感(L1)，在交流斬波電路的公共端和第一電感(L1)一端之間并聯(lián)第一電容(C1)，第一電容(C1)兩端并聯(lián)一個(gè)串并聯(lián)組合，所述串并聯(lián)組合包括電阻(R2)與第二電感(L2)的并聯(lián)再與第二電容(C2)串聯(lián)，其中所述串并聯(lián)組合的遠(yuǎn)離第二電容(C2)的連接點(diǎn)與所述交流斬波電路的公共端相連接，所述濾波電路的輸出端(B)為第二電容(C2)的遠(yuǎn)離所述并聯(lián)組合的一端；變壓器，其原邊接所述濾波電路單元的輸出端(B)，副邊串聯(lián)在供電主回路中，向負(fù)載輸出電壓Vo；控制單元，根據(jù)下列濾波方法對(duì)所述穩(wěn)壓器的實(shí)際輸入電壓Vin進(jìn)行處理，生成控制信號(hào)并發(fā)送至所述雙向開(kāi)關(guān)降壓變換器，通過(guò)控制所述功率開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷而對(duì)所述穩(wěn)壓器的輸出波形進(jìn)行控制；所述濾波方法至少包括以下步驟①對(duì)所述穩(wěn)壓器的實(shí)際輸入電壓Vin進(jìn)行帶阻濾波并生成信號(hào)Vs1；②執(zhí)行線性校正并生成信號(hào)Vs2；③進(jìn)行除法算法并生成信號(hào)Vc，公式為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>V</mi> <mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>V</mi><mrow> <mi>s</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <msub><mi>V</mi><mi>O</mi> </msub></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中Vo為所述穩(wěn)壓器的實(shí)際輸出電壓，④進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算并生成信號(hào)Vs3，公式為Vs3＝Vc-Vg其中Vg為給定電壓信號(hào)；⑤形成PWM控制信號(hào)。
2、如權(quán)利要求1所述的濾波方法，其特征是 所述步驟①的帶阻濾波傳遞函數(shù)為式中S為變量，R， C， k為濾波器參數(shù)； 所述步驟②的線性校正采用下列二階傳遞函數(shù):<formula>formula see original document page 3</formula>(5)<formula>formula see original document page 3</formula>(6)其中S為變量，W為二階傳遞函數(shù)參數(shù)；所述步驟④的給定電壓信號(hào)Vg是頻率與輸出電壓需求一致的交流信號(hào)。
3、如權(quán)利要求1或2所述的濾波方法，其特征是所述濾波方法在步驟④ 和⑤之間還包括以下步驟對(duì)信號(hào)Vs3進(jìn)行限幅并得到信號(hào)Vs4，該步驟的公式為F54 = min FS4 = [/ max&3 < minmax > &3 > f/min t/ max <(8)其中Umax為所述控制單元運(yùn)算寬度的最大值，而Umin為最小值。
4、如權(quán)利要求3所述的濾波方法，其特征是在所述步驟⑤中，所述信號(hào)Vs4與帶有預(yù)定頻率的三角載波信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果產(chǎn)生高電平或低電平信號(hào)，所述電平信號(hào)對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生用于控制功率開(kāi)關(guān)管的PWM控制 信號(hào)。
5、 如權(quán)利要求4所述的濾波方法，其特征是在所述步驟(D中，所述比較結(jié)果為正則輸出高電平，結(jié)果為負(fù)則輸出低電平；或者所述結(jié)果為正則輸 出底電平，結(jié)果為負(fù)則輸出高電平。
6、 如權(quán)利要求1所述的濾波方法，其特征是所述功率開(kāi)關(guān)元件為IGBT， 或MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)晶體管。
7、 一種交流斬波式穩(wěn)壓器的濾波系統(tǒng)，用于抑制交流斬波式穩(wěn)壓器中交流 斬波電路以及負(fù)載中產(chǎn)生的諧波，其特征是所述交流斬波式穩(wěn)壓器至少 包括 .雙向開(kāi)關(guān)降壓變換器，與所述交流電源直接連接，包括功率開(kāi)關(guān)元件;濾波電路，其輸入端(A)串聯(lián)第一電感(Ll)，在交流斬波電路的公 共端和第一電感(Ll) 一端之間并聯(lián)第一電容(Cl)，第一電容(Cl)兩 端并聯(lián)一個(gè)串并聯(lián)組合，所述串并聯(lián)組合包括電阻(R2)與第二電感(L2) 的并聯(lián)再與第二電容(C2)串聯(lián)，其中所述串并聯(lián)組合的遠(yuǎn)離第二電容(C2) 的連接點(diǎn)與所述交流斬波電路的公共端相連接，所述濾波電路的輸出端(B) 為第二電容(C2)的遠(yuǎn)離所述并聯(lián)組合的一端；變壓器，其原邊接所述濾波電路單元的輸出端(B)，副邊串聯(lián)在供電主回路中，向負(fù)載輸出電壓「。；控制單元，對(duì)所述穩(wěn)壓器的實(shí)際輸入電壓、進(jìn)行處理，生成控制信號(hào) 并發(fā)送至所述雙向開(kāi)關(guān)降壓變換器，通過(guò)控制所述功率開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通和 關(guān)斷而對(duì)所述穩(wěn)壓器的輸出波形進(jìn)行控制；所述控制單元至少包括以下模塊① 帶阻濾波模塊，對(duì)所述穩(wěn)壓器的實(shí)際輸入電壓、進(jìn)行帶阻濾波并生 成信號(hào)Vsl;② 線性校正模塊，執(zhí)行線性校正并生成信號(hào)VS2;③ 除法算法模塊，進(jìn)行除法算法并生成信號(hào)VC，公式為s2(7)其中F。為所述穩(wěn)壓器的實(shí)際輸出電壓，④ 負(fù)反饋運(yùn)算模塊，進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算并生成信號(hào)Vs3，公式為 Vs3=Vc-Vg其中Vg為給定電壓信號(hào)；⑤ 形成PWM控制信號(hào)的模塊。
8、如權(quán)利要求7所述的濾波系統(tǒng)，其特征是 所述模塊①的帶阻濾波傳遞函數(shù)為1 + MO: + OW 式中S為變量，R， C， k為濾波器參數(shù)； 所述模塊②的線性校正采用下列二階傳遞函數(shù):(5)(6)其中S為變量，W為二階傳遞函數(shù)參數(shù)；所述模塊④的給定電壓信號(hào)Vg是頻率與輸出電壓需求一致的交流信號(hào)。
9、如權(quán)利要求7或8所述的濾波系統(tǒng)，其特征是所述控制單元在模塊④和⑤之間還包括以下限幅模塊對(duì)信號(hào)Vs3進(jìn)行限幅并得到信號(hào)Vs4，該模塊的公式為<formula>formula see original document page 6</formula>其中Umax為所述控制單元運(yùn)算兔度的最大值，而Umin為最小值。
10、 如權(quán)利要求9所述的濾波系統(tǒng)，其特征是在所述模塊⑤中，所述信 號(hào)Vs4與帶有預(yù)定頻率的三角載波信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果產(chǎn)生高 電平或低電平信號(hào)，所述電平信號(hào)對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生用于控制功率開(kāi)關(guān)管的PWM 控制信號(hào)。
11、 如權(quán)利要求10所述的濾波系統(tǒng)，其特征是在所述模塊⑤中，所述比 較結(jié)果為正則輸出高電平，結(jié)果為負(fù)則輸出低電平；或者所述結(jié)果為正則 輸出底電平，結(jié)果為負(fù)則輸出高電平。
12、 如權(quán)利要求7所述的濾波系統(tǒng)，其特征是所述功率開(kāi)關(guān)元件為IGBT， 或MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)晶體管。
13、 一種交流斬波式穩(wěn)壓器，用于抑制交流斬波式穩(wěn)壓器中交流斬波電路 以及負(fù)載中產(chǎn)生的諧波，包括一個(gè)濾波電路，其特征是，所述濾波電路的 輸入端(A)串聯(lián)第一電感(Ll )，在交流斬波電路的公共端和第一電感(Ll) 一端之間并聯(lián)第一電容(Cl)，第一電容(Cl)兩端并聯(lián)一個(gè)串并聯(lián)組合， 所述串并聯(lián)組合包括電阻(R2)與第二電感(L2)的并聯(lián)再與第二電容(C2) 串聯(lián)，其中所述串并聯(lián)組合的遠(yuǎn)離第二電容(C2)的連接點(diǎn)與所述交流斬 波電路的公共端相連接，所述濾波電路的輸出端(B)為第二電容(C2)的 遠(yuǎn)離所述并聯(lián)組合的一端。
全文摘要
一種交流斬波式穩(wěn)壓器及其濾波方法和濾波系統(tǒng)，穩(wěn)壓器包括雙向開(kāi)關(guān)降壓變換器；濾波電路；變壓器；以及控制單元，根據(jù)下列濾波方法對(duì)穩(wěn)壓器的實(shí)際輸入電壓V_m進(jìn)行處理，生成控制信號(hào)并發(fā)送至雙向開(kāi)關(guān)降壓變換器，通過(guò)控制其中功率開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷而對(duì)所述穩(wěn)壓器的輸出波形進(jìn)行控制；所述濾波方法至少包括①對(duì)所述穩(wěn)壓器的實(shí)際輸入電壓V_m進(jìn)行帶阻濾波并生成信號(hào)Vs1；②執(zhí)行線性校正并生成信號(hào)Vs2；③進(jìn)行除法算法并生成信號(hào)Vc；④進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算并生成信號(hào)Vs3；⑤形成PWM控制信號(hào)。本發(fā)明通過(guò)硬件和軟件濾波，改善了濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并增加濾波控制方法，變壓器原邊側(cè)電壓波形良好，變壓器補(bǔ)償電壓的效果很好，穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓性能優(yōu)越。
文檔編號(hào)G05F1/40GK101587359SQ20081016721
公開(kāi)日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2008年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月2日
發(fā)明者徐雅梅, 曼蘇樂(lè) 申請(qǐng)人:北京博旺天成科技發(fā)展有限公司