CN1009697B - 交流供电设备 - Google Patents

Abstract

一个交流供电设备使用了一个电压型的转换器，并提供了一个用于检测流经用于吸收高次谐波的电容器的控制***，对于这种***可以附加一个用于本设备的输出电压的跟踪控制的纠正控制***，这个纠正控制***可用于检测本设备的输出电压，它迟后于电容器电流90°相位，从而比较输出电压和另一个正弦波，它迟后于正弦波参考信号90°相位，从而用比较结果作为电压控制信号。

Description

本发明涉及一种交流供电设备。

使用电压型脉冲宽度调制（PWM）转换器的供电设备已在本领域中众所周知，例如恒压恒频（CVCF）型的供电设备。使用了这种设备，转换器使直流电压通/断操作，而不再直流供电，因而产生了一个以正弦形式脉冲宽度调制的输出脉冲电压。由于这种输出电压包括许多高次谐波，连接于转换器输出用于吸收高次谐波的一个平滑电抗器和一个电容器用来改善输出电压的波形，从而向负载提供一个正弦波电压的输出。

另一方面，输出电压由一个变压器电气地隔离，变压器次级的幅值由一个检波器检测。因而被检测的幅值以及一个参考电压提供给一个电压控制器，两个幅值被施加于比较控制。根据电压控制器的输出，一个脉冲宽度调制（PWM）模式的信号发生器产生了一个正弦调制以执行转换器开/关控制的脉冲宽度调制（PWM）信号。

然而，由于采用了上述的常用***，这样开/关信号由一个经整流的输出电压的反馈控制而没有控制输出电压的瞬时值，只可控制输出电压的幅值，其结果为不能控制波形变形。因此，很难获得一个具有较少波形变形的正弦波输出电压。这个***的进一步的缺点在于输出波形的变化取决于负载。当特殊的非线性负载例如整流器负载被连接上时这是一个问题。输出电压的波形变形会在负载上产生很坏的影响，例如一电子计算机连接于输出。

由于这个原因，使用一个滤波器去消除波形变形。通过增加滤波器的级数，因而满意地消除波形变形。

然而，当接入了多个滤波器，供电装置的总恒定时间大大增加， 因此不可能产生高响应控制。

由于这个原因，已提出了一个能完成输出电压瞬时值控制的***。根据这个***，一个被检测的输出电压与一个正弦波参考比较，该正弦波参考具有一个以交流形式实现瞬时值控制的输出电压。

换句话说，转换器装置的输出电压由变压器检测，被检测的输出电压以及参考正弦波与处于交流信号状态的输出电压一起在电压控制器中接受比较控制。电压控制器的输出变成转换器的参考输出电流。该参考电流和由一个电流变换器检测出的输出电流被施加于比较控制。根据电流控制器的输出，脉冲宽度调制（PWM）信号发生器控制转换器的开/关操作。

已提出了另一种以输出电压经检波的信号为依据完成以直流形式的电压控制从而获得具有幅值参考的正弦波信号因而作为输出控制转换器输出电流。使用这种方法，输出电流变为正弦，但输出电压取决于负载。对于这个原因，特别是在例如检波器负载的非线性负载的情况中，输出电流不再为正弦。因此，有必要使用交流信号完成输出电压的比较控制。

于是，当输出交流电压的瞬时值是被控制时，输出交流电压以由在输出端的电抗器和电容器产生的在大于谐振频率的某频率上有180°的相角变化。结果，这引起了振荡，导致了不稳定控制。因此，不能改善控制***的响应，例如引起放大器增益变高，产生了输出电压相对参考正弦波而言会失真的问题。试图去增加谐振频率导致了滤波器常数（L和C）的减少，因此，很难去抑制高次谐波。

本发明的一个目的在于提供了一个与电压型脉冲宽度调制（PWM）转换器构成的恒压恒频（CVCF）型的供电设备，其特征在于该供电设备能根据参考正弦波以稳定的方法完成输出电压的跟踪控制，使输出电压波形失真减至最小。

根据本发明，这种目的是通过一个连接于用电压型式脉冲宽度调制（PWM）转换器构成的恒压恒频（CVCF）型的供电设备的输出的电容器的电流与一个参考正弦波比较而达到的，从而通过使用比较结果来控制输出电压波形和改变电容器参考电流的幅值因而控制输出电压的大小而完成跟踪控制。

图1阐明了本发明第一实施例的电路图，

图2阐明了本发明第二实施例的电路图，

图3阐明了本发明第三实施例的电路图，

图4阐明了本发明第四实施例的电路图。

将根据最佳实施例及附图对本发明作详细的描述。

首先，参见图1，展示了根据本发明的一个交流供电设备的第一最佳实施例。在这个实施例中该交流供电设备包括一个直流电源1，连接于直流电源1的一个脉冲宽度调制（PWM）控制转换器2，连接于转换器2的平滑电抗器3，用于吸收转换器2输出的高次谐波电流的电容器4，和负载5。这些电路元件1至5构成了主电路。

在主电路中，一个正弦波振荡器11的输出与一个由变流器13检测的电流比较的结果通过电流控制器14和脉冲宽度调制（PWM）信号发生器15送至转换器2。根据比较结果，进行转换器2的控制操作。正弦波振荡器11产生一输出以确定变换器2的输出波形，而其振幅取决于参考电压12的设定值。此外，与流进电容器4中的电流Ic相对应的正弦波信号被作为变流器13的输出而获得。因此，转换器2接收正弦波控制信号进行控制从而产生一个正弦波输出。

现在对展示于图1中的第一实施例的操作作描述。

正弦波振荡器11产生一个具有预定频率的正弦波信号并具有作为参考幅值的参考电压12。这个正弦信号用作电容器4的瞬时值电流参考。电流控制器14把连接到电容器4的变流器所检测到的电容器电流 信号与正弦波检测器11的输出作比较，从而有效地进行对流经电容器4的交流电流的跟踪控制。响应电流控制器14的输出，脉冲宽度调制（PWM）信号发生器15允许转换器2有效地进行开/关操作。

当设定定为C表示电容器的电容，Ic为流经的电流，Vo为输出电压，f为输出频率，电容器电流Ic表示为：

Ic＝2πfcVo    ……（1）

因此，通过有效进行跟踪控制，这样电容器电流Ic的波形变为正弦，输出电压Vo也变为正弦。此外，通过允许参考电压12可调，电容器参考电流幅值被改变，因此可改变输出电压的幅值。

另一方面，由于方程（1）不包括表示负载的参数，很明显这就可能进行这样的控制，即，不管是检波器负载，或负载变化其输出电压保持有一个很小变形的，相当好的正弦波。

此外，变压器可以被用作为输出电压的升高或降低，或用作隔离以取代平滑电抗器3。很明显这种应用变压器的漏抗作为平滑电抗器是不违背本发明的主题的。

根据第一实施例的上述描述已很清楚，与电压型脉冲宽度调制（PWM）转换器构成的恒压恒频（CVCF）供电设备把一个流经连接于输出的电容器的电流与一个参考正弦波比较，从而通过使用比较结果而有效进行跟踪控制，因此可有效进行这样的控制，即输出电压有一个正弦波形，因而提供一个具有很小波形变形的很好的正弦波。

此外，在这个实施例中的供电设备能抑制波形变形，即使是非线性负载或变化负载也能保持一个很好的正弦波输出。

现在将参照图2对本发明的第二实施例作描述。

展示在这个图中的恒压恒频（CVCF）型供电设备具有在适当范围内改变频率（例如50/60赫）的能力。展示于图2中的实施例不同于展示于图1中的第一实施例，不同在于参考频率12A和12B和一 个交流耦合电容器16是新加的。

由于这个实施例的操作大体上与第一实施例的操作相同，只是对不同点连接的操作在这里作一描述。

在这个实施例中的转换器输出频率是不固定的，但是可以由参考频率12A和12B调节。因此，为了在上述方程（1）中的频率改变到保持输出电压Vo恒定，要求电容器电流Ic与频率f成正比。在这个实施例中，交流耦合电容器16用于切断直流信号。使参考电容器电流的幅值与频率f成正比。

虽然本实施例与展示于图1中的第一实施例不同，不同在于其频率是可调的，但是与第一实施例相同的是进行跟踪控制，这样转换器输出的电容器电流与参考正弦波相同。这并不违背本发明的主题。

现将参见图3对本发明的第三实施例进行描述。在图3中与图1和图2有相同标号的部份分别表示相应的电路元件。这个实施例与图1和图2中展示的实施例的不同之处在于有新加的用于检测输出电压的电压检测器31，一个正弦波振荡器11A（以下被称之为“第一正弦波振荡器），一个第二正弦波振荡器11B，一个响应于电压检测器31和第二正弦波振荡器11B输出之间的偏差的电压控制电路32，从而纠正第一正弦波振荡器11A的输出。

现描述这个实施例的操作。第一正弦波振荡器11A产生了一个具有预定频率的用作具有作为参考幅值的幅值设定器12的输出的电容器参考电流的第一正弦波参考信号。同样，作为具有参考幅值的幅值设定器12的输出，第二正弦波振荡器11B产生了一个延迟于电容器参考电流90°相位角的第二正弦波参考电流。这个第二正弦波参考信号用作输出电压的瞬时参考值。电压控制电路32响应于来自于电压检测器31的输出电压信号和来自于第二正弦波振荡器11B的输出参考电压之间的比较，从而计算出用来纠正使两个信号相等都为零的电容器电流 的纠正量。电压控制电路32的输出被加到来自从第一正弦波振荡器11A的电容器参考电流的输出上。换加话说，电容器参考电流以输出电压偏差相等为零的方法被纠正。电流控制电路14响应于一个来自电流检测器13的电容器电流信号和经纠正的电容器参考电流之间比较指出的输出，以用于驱动脉冲宽度调制（PWM）控制电路15，从而进行跟踪控制，这样电容器4的交流电流与经纠正的电容器参考电流相等。

在稳态中，输出电压波形和输出参考电压波形实际上相互完全相同，因此被纠正的小量只被加到电容器参考电流中。另一方面，由负载变化引起的低频输出电压偏差，特别是直流成份的偏差，相应于偏差值被纠正的量是加到电容器参考电流上，因此进行了有效控制，这样输出电压偏差相等为零。

如上所述，在本实施例中的交流供电设备具有电压控制***，它直接利用输出电压的反馈来控制电容器电流。从而对流经连接于输出端的电容器4的电流进行跟踪控制，这样输出电压有一正弦波形。本实施例的特征在于电容器4的电流与电压之间的相位差保持在90°相位角从而把迟后于电容器参考电流相位角90°的正弦波信号用作输出参考电压，因此有可能实现输出电压的跟踪控制。结果当保持了电容器电流控制***具有的优点，在该***中当其频率大于由电抗器3和电容器4决定的谐振频率时仍能进行稳定控制时，在本实施例中的交流供电设备已解决了由于干扰等原因引起的输出电压低频振荡的抑制问题，上述干扰对于电容器电流控制***是十分困难的，因此这就有可能以稳定的方法提供一个具有很小波形变形的优良的正弦波输出电压。

很明显，本发明可以对上述第三实施例采用相同的结构，即在电路结构中变压器被用来取代平滑电抗器3用于输出电压的升高或降低或隔离，用变压器的漏抗作为平滑电抗器。虽然在上述实施例中描述 了单相电路，无需说明，本发明也适用于三相电路中的相同结构。

现参照图4对本发明的第四实施例作描述。本实施例用来在主电路中检测过电流从而用被检测的过电流来抑制转换器的输出。

为了实现这一点，变流器21位于某个位置，在那里主电路中负载电流的变化可以被测，从而把变流器21的输出信号通过一个阈值电路22送给电流控制电路14的输入端。这个输出信号被送至转换器控制线路（14，15）以致于得到这样一个相反极性，使电流控制电路14抑制了转换器的输出。

具有这种线路安排，当流经主电路的电流高于阈值电路22的设定阈值时，电流控制电路14动作，以致抑制转换器2的输出。因此，本实施例能解决过电流问题。

从以上的叙述可以看出，由电压型脉冲宽度调制（PWM）转换器构成的恒压恒频（CVCF）型的供电设备的特征在于跟踪控制被执行，这样流经连接于输出瑞的电容器的电流同参考正弦波相同，因此可有效地完成控制，使输出电压波形为正弦波形。电容器电流以90°相位移相，即使当它通过使用了高增益放大器的控制***时，该***不会达到处于振荡态的360°的相位移动。因此，可获得一个具有较小波形变形的很好的正弦波输出。此外，它也可以有效地完成控制，来抑制由于非线性负载或变化负载带来的波形变形，从而保持一个很好的正弦波输出电压。结果，较小的转换器开关频率的高次谐波从输出电压中去掉，很容易地消除频率成分中的高次谐波，高次谐波高于开关频率，其可使用一个小尺寸的滤波器来消除相对较高的频率。因此，这可能防止高次谐波对负载（例如电子计算机）产生坏影响。

Claims (8)

1、一种交流供电设备包含：与直流电源相连的PWM控制转换器；与所述转换器的输出端相连的平滑电抗器，以便从所述输出端将交流电馈送给负载；与所述平滑电抗器的输出相连的电容器，它用于吸收所述转换器输出的高次谐波电流；和产生正弦波参考信号的电路；

其特征在于包含：

a)检测通过所述电容器的电流的装置；和

b)响应所述正弦波参考信号和通过所述电容器的所述电流、以便按照其比较结果控制所述PWM控制转换器的装置。

2、根据权利要求1的交流供电设备，其特征在于，产生所述正弦波参考信号的所述电路附加地设有幅值调节装置。

3、根据权利要求1的交流供电设备，其特征在于，产生所述正弦波参考信号的所述电路附加设有频率调节装置。

4、根据权利要求1的交流供电设备，其特征在于，进一步包含：检测所述交流供电设备输出电流的装置、和当所述检测装置的输出高于阈值电平时产生电流抑制信号的装置，以便按照所述电流抑制信号来抑制所述PWM控制转换器的所述输出电流。

5、一种交流供电设备包含：与直流电源相连接的PWM转换器;与所述转换器的输出端相连接的平滑电抗器，以便从所述输出端将交流馈送给负载;与所述平滑电抗器的输出相连接的电容器，它用于吸收所述转换器输出的高次谐波电流;检测所述交流供电设备输出电压的电压检测器;检测通过所述电容器的电流的电流检测器;产生第一正弦波参考信号作为所述电容器电流参考的电路和产生第二正弦波参考信号作为输出电压参考的并与所述第一正弦波参考信号差90°的电路，

其特征在于还包含：

a）根据所述第二正弦波参考信号产生电路和所述电压检测器之间的比较来纠正所述第一正弦波参改信号值的装置，和

b）用于完成所述转换器工作的跟踪控制以便使所述电流检测器的输出与所述第一正弦波参考信号相等的装置。

6、如权利要求5所述的交流供电设备，其特征在于，所述产生所述正弦波参考信号的电路附加设有幅值调节装置。

7、如权利要求5所述的交流供电设备，其特征在于，所述产生所述正弦波参考信号的电路附加设有频率调节装置。

8、根据权利要求5的交流供电设备，其特征在于，进一步包含：检测所述交流供电设备输出电流的装置、和当所述检测装置的输出高于阈值电平时产生电流抑制信号的装置，以便按照所述电流抑制信号来抑制所述PWM控制转换器的所述输出电流。

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