低频动态电源的输入电流低频波动控制器

摘要

本发明是一种低频动态电源的输入电流低频波动控制器。它主要由一个接在低频动态电源的输入整流器与输出脉宽调制逆变器之间的升压斩波电路和一个对该升压斩波电路输入电流进行恒定控制的电压、电流双控制环路构成。本发明利用该电压、电源双控制环路实时控制升压斩波电路输入电流的低频波动，从而完全消除了低频动态电源网侧输入电流的大幅度低频波动，避免了低频动态电源对电网的电流冲击，减小了低频动态电源对电网容量的要求。本发明的特点是在不增加电源体积和重量的条件下较好地解决了低频动态电源对电网的电流冲击，而且达到了输入电流的波动＜5％的控制效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种低频动态电源，具体地说，它是一种低频动态电源的输入电流低频波动控制器。

背景技术

低频动态电源是指输出负载的功率呈现低频动态变化的电源，比如：应用在离子加速器中的2Hz增强器动态磁铁电源和应用在金属感应加热装置中的4Hz～20Hz电磁搅拌电源等，它们都属于低频动态电源。低频动态电源一般都采用交-直-交的变换方式，其典型的电路结构如图3所示，它包括整流器、滤波电感L、储能电容C和脉冲宽度调制逆变器(简称PWM逆变器)和LC滤波器。该低频动态电源工作时，输出功率的低频动态变化会使电源网侧的输入电流出现大幅度的低频波动，对电网产生电流冲击，干扰接在同一电网上的其它用电设备，这种影响在大功率情况下表现得尤为突出。为了抑制这种低频干扰，已有技术通常采取加大滤波电感L的电感量来滤除电源电路中的低频电流。但是，由于低频动态电源输出功率的波动频率很低，需要滤波电感L的电感量很大，所以大大增加了整个电源装置的体积和重量。因此，它不是一个很好的解决办法。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺点，提供一种低频动态电源的输入电流低频波动控制器，它可以在不加大电源装置体积和重量的条件下，达到完全消除低频动态电源网侧输入电流大幅度低频波动的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

它具有一个接在低频动态电源输入整流器与输出脉宽调制逆变器之间的升压斩波电路，该升压斩波电路由输入滤波电感和由二极管和开关管串联构成的半桥电路及接在该半桥电路直流输出侧的储能电容构成，所述输入滤波电感的输出端接在半桥电路二极管和开关管的串联点；它还具有一个对该升压斩波电路输入端电流i_L进行恒定控制的电压控制环路和电流控制环路，所述的电压控制环路包括接在升压斩波电路输出端的一个电压瞬时检测电路、直流电压给定电路、第一加法器和电压调节器，所述的电流控制环路由接在升压斩波电路中的电流瞬时检测电路、第二加法器和电流调节器构成，其中电压瞬时检测电路输出的检测电压E_f与直流电压给定电路输出的给定电压E^*经第一加法器相加后送入电压调节器的输入端，所述电压调节器输出的调节信号i_L^*作为电流控制环路的电流给定值与电流瞬时检测电路输出的检测电流i_Lf经第二加法器相加后送入电流调节器的输入端，并由电流调节器输出一个调节信号；该电压控制环路和电流控制环路包括一个三角波发生器和一个比较器，所述电流调节器输出的调节信号和三角波发生器输出的三角波信号送入所述比较器的输入端进行电平比较，然后输出一个脉宽调制信号e_i通过驱动器的驱动后送入升压斩波电路开关管Q的控制端，从而控制该开关管Q的开关频率。

本发明进一步改进的技术方案如下：

所述的电压控制环路中还包括一个低通滤波器，用于滤除检测电压E_f的低频分量，其截止频率低于负载动态变化的频率。

所述的电压调节器采用比例积分电压调节器。

通过上述技术方案可以看出，本发明在低频动态电源的输入整流器与输出脉宽调制逆变器之间增加了一个升压斩波电路，并通过一个电压负反馈外环和一个电流负反馈内环控制升压斩波电路中开关管Q的开关频率，从而使升压斩波电路输入端电流恒定，达到消除低频动态电源网侧输入电流大幅度低频波动的目的。所述的升压斩波电路虽然也用到滤波电感，但是，该滤波电感L在电路中的作用是抑制开关管Q在开关过程中产生的高次谐波电流，故需要的电感量很小，几乎没有增加电源装置的体积和重量。

本发明用2Hz 600A/600V低频动态电源样机进行了抑制网侧电流波动的效果实验。图4示出采用图3主电路电源装置的实测电流波形，图中曲线A为负载电流波形，曲线B为输入滤波电感的电流波形，曲线C为网侧输入电流波形。图5示出本发明电源装置的实测电流波形，图中曲线A为负载电流，曲线B为升压斩波电路的输入电流波形，曲线C为网侧输入电流波形。从实验波形看出，采用图3主电路电源装置输入电流的低频波动几乎是随负载的低频波动而变化的，而本发明完全抑制这种波动，其输入电流的波动＜5％。实验证明，本发明在不增加电源装置体积和重量的条件下很好地抑制了网侧的电流低频波动。

附图说明

图1为本发明的电路原理方框图。

图2为本发明的控制电路原理图。

图3为已有典型低频动态电源的电路原理方框图。

图4为已有低频动态电源的实测电流波形图。

图5为本发明低频动态电源的实测电流波形图。

具体实施方式

参见图1，本低频动态电源的逆变主电路包括输入整流器2、PWM逆变器3和LC滤波器13，在输入整流器2与PWM逆变器3之间加入升压斩波电路1，该升压斩波电路1由输入滤波电感L和由二极管D和开关管Q串联构成的半桥电路及接在该半桥电路直流输出侧的储能电容C构成，所述输入滤波电感L的输出端接在半桥电路二极管D和开关管Q的串联点。当开关管Q开通时，输入滤波电感L中电流i_L增加；当开关管Q关断时，其电流i_L通过二极管D的续流而减小，通过控制开关管Q的高频开关频率，使得输入滤波电感的电流波形i_L成为没有低频波动的直流，从而抑制网侧输入电流的低频波动。为了减小滤波电感电流i_L的高频纹波，消除滤波电感的高频噪声，开关管Q的开关频率应大于16kHz。为了满足快速开关的要求，开关管Q选用高速自关断器件，如：可选用IGBT或MOSFET，同时，二极管D选用快速恢复二极管。该升压斩波电路中输入滤波电感L的作用主要是抑制开关管Q在开关过程中产生的高次谐波电流，使网侧输入电流波形光滑，减小对电网的谐波污染，因此，它的电感量较小，几乎不增加电源装置的体积和重量；其中储能电容C的作用是缓冲负载能量的低频动态变化。

参见图1、2，本发明采用电压、电流双控制环路对开关管Q的开关频率进行控制，所述的电压控制环路是外环，它包括电压瞬时检测电路4、直流电压给定电路5、加法器6和电压调节器7。本例的电压瞬时检测电路4由一个电压采集器(如：电阻分压或霍尔电压传感器等)和一个低频滤波器4-1构成。由于升压斩波电路的输出端电压E存在低频波动，使检测电压E_f也存在低频波动，故可能会造成外环输出电压的波动，从而导致内环直流给定电流值i_L^*的波动，影响环路的控制效果，为进一步提高控制效果，本例采用低通滤波器4-1滤除检测电压E_f的低频电压，使电流给定值i_L^*保持恒定，该低通滤波器的截止频率要低于负载动态变化的频率；再者，因为升压斩波电路输出电压E的低频波动，故输入电感电流i_L的受控必须是在输出电压E的最低值大于升压斩波器输入电压的最高值时才可能实现，因此，需根据负载的低频变化，将直流电压给定值E^*调节到足够大，从而使升压斩波电路输出电压E的平均值达到足够大，才可满足上述受控条件。本发明的电压调节器7最好采用比例积分电压调节器，它的调节速度较快，能够实现无差调节。由电压瞬时检测电路4及低通滤波器4-1检出的检测电压E_f和直流电压给定电路5输出的直流给定值E^*经第一加法器6相加后，其差值通过比例积分放大器7放大后输出一个直流信号，它作为内环的直流电流给定值i_L^*送给内环的输入端。所述的电流控制环路是内环，它包括接在升压斩波电路中的电流瞬时检测电路8、第二加法器9和电流调节器10。本例的电流瞬时检测电路8由一个电流采集器(如：霍尔电流传感器等)和一个电压放大器8-1连接构成，所述的电流调节器10最好采用一个比例电压放大器，用以快速调节。所述电流调节器7给出的电流给定值i_L^*与电流瞬时检测电路8输出的检测电流i_Lf经第二加法器9相加后，其差值送入电流调节器10的输入端，电流调节器10输出一个电压调节信号，该电压调节信号与三角波发生器11输出的三角波振荡信号一起送入一个比较器12的输入端进行电平比较，并由比较器11输出一个脉宽调制信号e_i，该信号通过驱动器后送入升压斩波电路开关管Q的控制端，则开关管Q按照该脉宽调制信号的频率进行高频开关动作，从而调节升压斩波电路1中输入滤波电感的电流i_L，使其处于没有低频波动的恒定状态，达到抑制低频动态电源网侧输入电流低频波动的目的。