專利名稱：電感器電路及控制電感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及整流器電路領(lǐng)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(shù)：
在很多電力電子設(shè)備中都使用交流(AC)-直流(DC)變流器(即， 整流器)作為對電網(wǎng)的接口，將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。由于二極 管整流橋的結(jié)構(gòu)簡單，并且成本較低，因此單相或三相二極管整流橋常 被用來實現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換。然而，作為一種非線性和不可控器件，二極管 整流橋具有輸入電流諧波，容易引起電能質(zhì)量問題，而電能質(zhì)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，包括一個三相二極管整流 橋、 一個電解電容器和一個基于絕緣柵極型功率管(IGBT)的逆變器， 三相交流電從輸入端R、 S、 T輸入二極管整流橋，經(jīng)二極管整流橋轉(zhuǎn)換 成直流電，在經(jīng)過電解電容器之后輸入逆變器，由逆變器轉(zhuǎn)換成三相交 流電后從輸出端U、 V、 W輸出。如前所述，由于二極管整流橋是一種非 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(wǎng)中，對電網(wǎng)造成不良影響。電流諧波還會導(dǎo)致電網(wǎng)輸出額外的無功 功率，降低電網(wǎng)的電壓。
圖2顯示了圖1所示二極管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，由于測量的是線間電壓，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，該頻譜使用快速傅里葉變換(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(jīng)過計算，此時的功率因數(shù)為0.58。
為了降低二極管整流橋的輸入電流諧波，可以在二極管整流橋的直
流側(cè)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。由于如圖4所示的電路在圖1所述電路的基礎(chǔ)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(cè)的電流變得平滑，并且
可以降低輸入電流諧波。
圖5顯示了圖4所示二極管整流橋(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，并且波形變得平滑了。
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(jīng)得到了很大程度的 降低，尤其是7階諧波。經(jīng)過計算，此時的功率因數(shù)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顯示了采用 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，并且此時的功率因數(shù)提高到了 0.92。
可見，采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，由于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(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提出一種電感器電路，其目的在于，使用小電感 的電感器來有效降低輸入電流諧波。本發(fā)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(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種電感器電路，包括一個電感 器，該電感器串聯(lián)連接在一整流器電路直流側(cè)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(guān)器件，所述開關(guān)器件并聯(lián)連接在所述整流器電路直流側(cè)的兩條線路之間，
所述第一控制器，用于根據(jù)電壓設(shè)定值和所述整流器電路直流側(cè)的
電壓釆樣信號確定電流參考信號；
所述第二控制器，用于根據(jù)所述電流參考信號和所述整流器電路直
流側(cè)的電流采樣信號確定控制信號；
所述第三控制器，用于根據(jù)所述控制信號控制所述開關(guān)器件導(dǎo)通或斷開。
所述電感器電路還包括一個波形發(fā)生器，用于產(chǎn)生電流整形信號。 所述第二控制器還用于根據(jù)所述電流參考信號、電流采樣信號以及所述 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沖寬度調(diào)制控制器或脈沖頻率調(diào)制控制器。
所述開關(guān)器件為絕緣柵極型功率管、晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、大功 率晶體管或者金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
所述電感器還串聯(lián)連接有一個二極管。
本發(fā)明還提供了一種電感器的控制方法，所述電感器串聯(lián)連接在一 整流器電路直流側(cè)的一條線路中，并且在所述整流器電路直流側(cè)的兩條 線路之間并聯(lián)連接有一個開關(guān)器件，該方法包括如下步驟
根據(jù)電壓設(shè)定值和所述整流器電路直流側(cè)的電壓采樣信號確定電流 參考信號；
根據(jù)所述電流參考信號和所述整流器電路直流側(cè)的電流采樣信號確 定控制信號；
根據(jù)所述控制信號控制開關(guān)器件導(dǎo)通或斷開。
該方法還包括產(chǎn)生電流整形信號的步驟。并且，根據(jù)所述電流參考 信號、電流采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。
利用脈沖寬度調(diào)制方法或者脈沖頻率調(diào)制方法來控制所述開關(guān)器件 導(dǎo)通或斷開。
該方法還包括限制所述電感器所在線路單向?qū)ā?br> 從上述方案中可以看出，采用本發(fā)明的技術(shù)方案可以使用小電感的 電感器取得現(xiàn)有技術(shù)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(shù)。由于采用了小電感的電感器，本 發(fā)明還能夠降低整個電路的體積以及重量，并且降低了整個電路的成本。 另外，采用本發(fā)明的技術(shù)方案還能夠減小輸入電壓和電流之間的相位差。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中未使用電感器的AC-DC-AC變流器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為從示波器屏幕截取的圖1中所示二極管整流橋的輸入電壓和
電流的示意圖，其中，通道l (圖中較規(guī)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(xiàn)有技術(shù)中使用了電感器的AC-DC-AC變流器的結(jié)構(gòu)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(guī)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(guī)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(jù)本發(fā)明實施例的AC-DC-AC變流器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖IO為根據(jù)本發(fā)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(guī)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(shù)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(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下舉實施例對本 發(fā)明進一步詳細說明。
圖9為一種AC-DC-AC變流器的結(jié)構(gòu)示意圖，該AC-DC-AC變流器 包括本發(fā)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采用二極管整流
橋，逆變器電路可以采用基于IGBT的逆變器或其它類似器件。電感器
LDc串聯(lián)連接在整流器電路直流側(cè)的一條線路中。
本發(fā)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(guān)器件。其中，開關(guān)器件并聯(lián) 連接在整流器電路直流側(cè)的兩條線路之間，在電感器之后。該開關(guān)器件 的導(dǎo)通和斷開，可以控制電感器。
第一控制器用于根據(jù)電壓設(shè)定值Vc/和整流器電路直流側(cè)的電壓采 樣信號V。確定電流參考信號Ii二其中，電壓設(shè)定值V;可以根據(jù)應(yīng)用場 合的要求來設(shè)定。第一控制器可以采用比例(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(xiàn)，從而利用相應(yīng)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
由于比例控制方法、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(fā)明對 此不作詳細描述。
第二控制器用于根據(jù)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(cè)采樣獲得的電流采樣信號Iin確定控制信號。第二控制器可以 采用比例控制器、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(xiàn)，從而利用相應(yīng)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(jù)電流參考信號Iir/、電流采樣信號Iin 以及電流整形信號Iv來確定控制信號，從而能夠?qū)﹄娏鞯牟ㄐ芜M行更精 確的調(diào)整。其中，電流整形信號Iv可以由一波形發(fā)生器來產(chǎn)生。
第三控制器用于根據(jù)控制信號控制開關(guān)器件導(dǎo)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于傳統(tǒng)的電感更大 的電感器，進而降低輸入電流諧波。第三控制器可以采用脈沖寬度調(diào)制 (PWM)控制器、脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制器等來實現(xiàn)，從而相應(yīng)的
利用脈沖寬度調(diào)制方法、脈沖頻率調(diào)制方法來控制幵關(guān)器件的導(dǎo)通或斷開。
在本發(fā)明實施例的電路中，開關(guān)器件可以采用絕緣柵極型功率管
(IGBT) 。 IGBT具有承受電壓高、開關(guān)響應(yīng)速度快的優(yōu)點。在電壓較低 或開關(guān)相應(yīng)速度要求不高的應(yīng)用場合，開關(guān)器件還可以采用晶閘管
(SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)或者金屬氧化
物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)等來實現(xiàn)。
在如圖9所示的電路中，在電感器輸出端還串聯(lián)有一個二極管，該
二極管可以限制整流器電路直流側(cè)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(fā)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(cè)對電壓進行采樣，得到電壓采樣信 號V。，并且與預(yù)先設(shè)定的電壓設(shè)定值V。'一起提供給第一控制器。
步驟S02，根據(jù)根據(jù)電壓設(shè)定值V。^和電壓采樣信號V。確定電流參考 信號Ii/。在本步驟中，可以采用比例控制方法、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(fā)生器等裝置產(chǎn)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，得到疊加后的信號Il。
步驟S04，從整流器電路的直流側(cè)對電流進行采樣，得到電流采樣信
號U，并與上述信號IL一起提供給第二控制器。
步驟S05，根據(jù)電流參考信號Ii/和從整流器電路直流側(cè)采樣獲得的
電流采樣信號Iin確定控制信號。在本步驟中，可以采用比例控制方法、
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(jù)該控制信 號控制開關(guān)器件(以IGBT為例)的柵極(GI(}BT)，從而控制開關(guān)器件 IGBT導(dǎo)通或者斷開。在圖10中，第三控制器以PWM控制器為例，并且 該PWM控制器采用三角波作為載波。
在上述方法中，還可以在電感器LDC所在線路中串聯(lián)連接有一個二 極管來限制整流器電路直流側(cè)的電流的方向。
圖11顯示了本發(fā)明實施例中整流器電路的輸入電壓和電流的波形， 其中所采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，遠小于圖2中的25A和 圖5中的15A，并且圖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(fā)明的技 術(shù)方案有效地降低了輸入電流中的5階諧波和7階諧波。經(jīng)過計算，此 時的功率因數(shù)為0.91，而現(xiàn)有技術(shù)中采取10mH的電感器時的功率因數(shù) 為0.92。換言之，通過本發(fā)明的實施，使得2mH的電感器達到了現(xiàn)有技 術(shù)中采用10mH電感器所取得的效果。
圖13、圖14和圖15分別顯示了在采用不同技術(shù)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(shù)。 在這些圖中，(一)表示現(xiàn)有技術(shù)中圖1所示電路沒有采用電感器時的 情況；(二)表示現(xiàn)有技術(shù)中圖4所示電路只采用2mH的電感器時的情況；(三)表示根據(jù)本發(fā)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(fā)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(shù)。
與取得相同效果的10mH電感器相比，本發(fā)明采用的2mH電感器及 其控制電路的成本和體積都遠小于采用傳統(tǒng)10mH電感器的電路。
采用本發(fā)明的技術(shù)方案，還可以實現(xiàn)直流電壓的可控性。在電網(wǎng)電 壓出現(xiàn)波動時，本發(fā)明的技術(shù)方案可以將直流電壓控制在一個合適的范 圍內(nèi)，可以保證用電設(shè)備的安全，進一步可以省卻現(xiàn)有的頻率保護裝置。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均 應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種電感器電路，包括一個電感器，該電感器串聯(lián)連接在一整流器電路直流側(cè)的一條線路中，其特征在于，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(guān)器件，所述開關(guān)器件并聯(lián)連接在所述整流器電路直流側(cè)的兩條線路之間，所述第一控制器，用于根據(jù)電壓設(shè)定值(Vo*)和所述整流器電路直流側(cè)的電壓采樣信號(Vo)確定電流參考信號(Iin*)；所述第二控制器，用于根據(jù)所述電流參考信號(Iin*)和所述整流器電路直流側(cè)的電流采樣信號(Iin)確定控制信號；所述第三控制器，用于根據(jù)所述控制信號控制所述開關(guān)器件導(dǎo)通或斷開。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述電感器電路，其特征在于，所述電感器電路還 包括一個波形發(fā)生器，用于產(chǎn)生電流整形信號(Iv);所述第二控制器還用于根據(jù)所述電流參考信號(lj)、電流采樣信號(Iin) 以及所述電流整形信號(Iv)確定控制信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述電感器電路，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1或2所述電感器電路，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1或2所述電感器電路，其特征在于，所述第三控制 器為脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器或者脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述電感器電路，其特征在于，所述開關(guān)器件 為絕緣柵極型功率管(IGBT)、晶閘管(SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、 大功率晶體管(GTR)或者金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述電感器電路，其特征在于，所述電感器還 串聯(lián)連接有一個二極管。
8、 一種電感器的控制方法，所述電感器串聯(lián)連接在一整流器電路直流 側(cè)的一條線路中，并且在所述整流器電路直流側(cè)的兩條線路之間并聯(lián)連接有一個開關(guān)器件，該方法包括如下步驟根據(jù)電壓設(shè)定值(V。*)和所述整流器電路直流側(cè)的電壓采樣信號(V。) 確定電流參考信號(Ij);根據(jù)所述電流參考信號(Iin*)和所述整流器電路直流側(cè)的電流采樣信號(Iin)確定控制信號；根據(jù)所述控制信號控制開關(guān)器件導(dǎo)通或斷開。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該方法還包括產(chǎn)生電流 整形信號(Iv)的步驟；并且，根據(jù)所述電流參考信號(Iin*)、電流采樣信號(Iin)以及所述電 流整形信號(Iv)確定控制信號。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，利用脈沖寬度調(diào)制 (PWM)方法或者脈沖頻率調(diào)制(PFM)方法來控制所述開關(guān)器件導(dǎo)通或斷開。
13、 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，該方法還包括限 制所述電感器所在線路單向?qū)ā?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種電感器電路，包括一個串聯(lián)連接在一整流器電路直流側(cè)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(guān)器件，開關(guān)器件并聯(lián)連接在整流器電路直流側(cè)的兩條線路之間，第一控制器用于根據(jù)電壓設(shè)定值和整流器電路直流側(cè)的電壓采樣信號確定電流參考信號；第二控制器用于根據(jù)電流參考信號和整流器電路直流側(cè)的電流采樣信號確定控制信號；第三控制器用于根據(jù)控制信號控制開關(guān)器件導(dǎo)通或斷開。本發(fā)明還公開了一種電感器的控制方法。本發(fā)明可以使用小電感的電感器取得現(xiàn)有技術(shù)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(shù)。
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(yōu)先權(quán)日2008年9月24日
發(fā)明者晶 克, 吳學(xué)智, 姚吉隆, 趙研峰 申請人:西門子(中國)有限公司