CN106411115A - 一种可变电感工作范围连续扩展的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可变电感工作范围连续扩展的方法，其包含两个可变电感、两个继电器、电压控制电流源以及电感范围识别控制器，通过两个继电器的组合开关控制，实现两个可变电感的并联运行、单独运行以及串联运行，组合控制后，两个可变电感运行范围的最大值与最小值相差8倍，极大的拓展了可变电感的运行范围；通过改变电压控制电流源可实现可变电感在最大值与最小值之间实现连续可调。本发明适用于需要恒定频率工作，又需要保证电流临界连续的变换器中。

Description

一种可变电感工作范围连续扩展的方法
技术领域
本发明涉及一种可变电感工作范围连续扩展的方法，属于电气工程技术领域。
背景技术
光伏发电被普遍认为是一种高效、低成本、无污染、使用方便的清洁能源。目前，对光伏发电***应用的重要方式之一是模块化供电，其可分为直流模块和交流模块(即微逆变器)两类。虽然光伏直流模块中DC/DC变换器实现了每块电池板的MPPT，而且集中式DC/AC也保证了***的高效，然而这也导致***冗余度不高。光伏微逆变器直接作为电池板与电网的接口装置集成在电池板背面，其安装方便，可热插拔、冗余性能好而受到广泛研究。
现今市场常见的单块光伏电池功率已经达到350W，可以预见，今后的单块电池功率将持续增加，而单个正激、反激型电路仅在合适的功率范围内才能高效变换，在光伏电池输出功率持续增加的背景下，需要更多台的正激或反激电路交错并联，这大大增加了电路的复杂性和成本。因此目前出现了以桥式电路为基础构建的微逆变器，其具体的电路结构是采用能量缓冲电感与高频变压器相串联，变压器前级电路通常为全桥逆变器，而变压器后级电路通常为整流器，整流器后级为实现并网功能的逆变器。目前电流型桥式微逆变器通常采用缓冲电感电流断续模式，如果进一步提高微逆变器的效率，可以控制缓冲电感电流工作于临界连续模式，但为此也付出了需要变频控制的代价，由此也带来了低功率时开关频率过高引起的高驱动损耗与高开关损耗。为克服该问题，可引入可变电感作为能量缓冲元件，但可变电感的运行范围有限，因此只能在微逆变器有限的功率范围内实现电流临界连续模式运行。
为实现电流型桥式微逆变器在绝大部分功率范围内实现电流临界连续模式运行，必须找到感值变化范围较大的电感，并能够实现连续可调。
发明内容
发明目的：针对电流型桥式微逆变器实现电流临界连续模式需要变频控制的特点，提出一种可变电感工作范围连续扩展的方法，利用两个继电器的组合开关实现两个可变电感并联、独立工作与串联运行，实现了可变电感范围的极大扩展，是单个可变电感运行范围的8倍；而且通过控制电流源输出电流的大小实现可变电感值的连续调节，从而保证在绝大部分功率范围内电流临界连续。
技术方案：
一种可变电感工作范围连续扩展的方法，包括第一可变电感L1、第二可变电感L2、第一继电器K1、第二继电器K2、电压控制电流源、电感范围识别控制器；其中第一可变电感L1具有主绕组W1、第一偏磁绕组W11与第二偏磁绕组W12；第二可变电感L2具有主绕组W2、第一偏磁绕组W21与第二偏磁绕组W22；第一继电器K1是具有三个触点的单刀双掷开关，其第三触点为单刀的固定连接触点；第二继电器K2是具有两个触点的单刀单掷开关；第一可变电感L1主绕组W1的同名端与第一继电器K1的第一触点连接，第一可变电感L1主绕组W1的异名端与第一继电器K1的第二触点、第二继电器K2的第一触点连接；第二可变电感L2主绕组W2的同名端与第一继电器K1的第三触点连接，第二可变电感L2主绕组W2的异名端与第二继电器K2的第二触点连接；第一可变电感L1主绕组W1的同名端、第二可变电感L2主绕组W2的异名端作为组合以后的总电感的两端。
第一可变电感L1第一偏磁绕组W11的异名端与第一可变电感L1第二偏磁绕组W12的异名端连接，第一可变电感L1第二偏磁绕组W12的同名端与第二可变电感L2第一偏磁绕组W21的同名端连接，第二可变电感L2第一偏磁绕组W21的异名端与第二可变电感L2第二偏磁绕组W22的异名端连接。
电压控制电流源的第一输出端、第二输出端分别与第一可变电感L1第一偏磁绕组W11的同名端、第二可变电感L2第二偏磁绕组W22的同名端连接。
电感范围识别控制器的输入端连接外部电感基准值信号L*，电感范围识别控制器的第一输出端连接到电压控制电流源的输入端，电感范围识别控制器的第二输出端、第三输出端的输出信号uk1、uk2分别作为第一继电器K1、第二继电器K2的控制信号。
第一可变电感L1、第二可变电感L2各项参数均相同，通过控制电压控制电流源输出电流的大小实现电感值的调节，其各自的电感值变化范围的最小值设定为L，最大值设定为2L；
电感范围识别控制器的输入端连接外部电感基准值信号L*，其范围为0.5L～4L；当外部电感基准值信号L*的范围在0.5L～L时，电感范围识别控制器的第二输出端、第三输出端的输出信号uk1、uk2均为高电平，第一继电器K1、第二继电器K2均闭合，此时第一可变电感L1与第二可变电感L2为并联连接；当外部电感基准值信号L*的范围在L～2L时，电感范围识别控制器的第二输出端、第三输出端的输出信号uk1、uk2分别为高电平、低电平，第一继电器K1闭合、第二继电器K2断开，此时第一可变电感L1断路，不参与工作，第二可变电感L2作为输出的电感；当外部电感基准值信号L*的范围在2L～4L时，电感范围识别控制器的第二输出端、第三输出端的输出信号uk1、uk2均为低电平，第一继电器K1、第二继电器K2均断开，此时第一可变电感L1与第二可变电感L2为串联连接；在确定第一继电器K1、第二继电器K2的通断与第一可变电感L1、第二可变电感L2的连接方式以后，电感范围识别控制器控制第一输出端输出电压信号Ucon的大小，由电压控制电流源得到合适的输出电流Icon，以得到与外部电感基准值信号L*相等的总电感值。
根据以上所述方法所得到的总电感值的范围为0.5L-4L，其最大值为最小值的8倍，大大高于单个可变电感变化范围；
一种可变电感工作范围连续扩展的方法，其控制的可变电感可应用于电流临界连续的变换器中，可保证在恒定频率下调节输出功率，大大方便了控制，提高了效率。
有益效果：采用上述方案后，通过两个继电器改变两个可变电感的连接方式，实现了组合后的电感值的最大值为最小值的8倍，远远高于单个可变电感的变化范围。将本发明应用于电流型桥式光伏微逆变器，可大大拓展微逆变器前级DC/DC变换器的电流临界连续的范围，这可以大大降低电路中的开关器件电流应力，降低器件的导通损耗以及变压器的铁损与铜损，提高电流型桥式光伏微逆变器的效率。
附图说明
图1为本发明实施例的一种可变电感工作范围连续扩展的方法示意图；
图2为本发明实施例的单个可变电感的绕组结构示意图；
图3为本发明实施例的电压控制电流源的电路结构；
图4为本发明实施例的可变电感随电流源输出的变化曲线图；
图5为本发明实施例的两个可变电感并联运行等效电路；
图6为本发明实施例的两个可变电感独立等效电路；
图7为本发明实施例的两个可变电感串联运行等效电路；
图中符号名称：L1——第一可变电感；L2——第二可变电感；K1——第一继电器；K2——第二继电器；W1——第一可变电感主绕组；W11——第一可变电感第一偏磁绕组；W12——第一可变电感第二偏磁绕组；W2——第二可变电感主绕组；W21——第二可变电感第一偏磁绕组；W22——第二可变电感第二偏磁绕组；L*——外部电感基准值信号；Ucon——可变自感控制电压信号；Icon——可变电感控制电流；uk1-uk2——第一继电器与第二继电器的控制信号；R1-R3——信号电路第一电阻至第三电阻；U1-U2——信号电路第一运放至第三运放；V1——信号电路三极管；
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1所示，一种可变电感工作范围连续扩展的方法，包括第一可变电感L1、第二可变电感L2、第一继电器K1、第二继电器K2、电压控制电流源、电感范围识别控制器；其中第一可变电感L1具有主绕组W1、第一偏磁绕组W11与第二偏磁绕组W12；第二可变电感L2具有主绕组W2、第一偏磁绕组W21与第二偏磁绕组W22；第一继电器K1是具有三个触点的单刀双掷开关，其第三触点为单刀的固定连接触点；第二继电器K2是具有两个触点的单刀单掷开关；第一可变电感L1主绕组W1的同名端与第一继电器K1的第一触点连接，第一可变电感L1主绕组W1的异名端与第一继电器K1的第二触点、第二继电器K2的第一触点连接；第二可变电感L2主绕组W2的同名端与第一继电器K1的第三触点连接，第二可变电感L2主绕组W2的异名端与第二继电器K2的第二触点连接；第一可变电感L1主绕组W1的同名端、第二可变电感L2主绕组W2的异名端作为组合以后的总电感的两端。
第一可变电感L1第一偏磁绕组W11的异名端与第一可变电感L1第二偏磁绕组W12的异名端连接，第一可变电感L1第二偏磁绕组W12的同名端与第二可变电感L2第一偏磁绕组W21的同名端连接，第二可变电感L2第一偏磁绕组W21的异名端与第二可变电感L2第二偏磁绕组W22的异名端连接。
电压控制电流源的第一输出端、第二输出端分别与第一可变电感L1第一偏磁绕组W11的同名端、第二可变电感L2第二偏磁绕组W22的同名端连接。
电感范围识别控制器的输入端连接外部电感基准值信号L*，电感范围识别控制器的第一输出端连接到电压控制电流源的输入端，电感范围识别控制器的第二输出端、第三输出端的输出信号uk1、uk2分别作为第一继电器K1、第二继电器K2的控制信号。
第一可变电感L1、第二可变电感L2各项参数均相同，通过控制电压控制电流源输出电流的大小实现电感值的调节，其各自的电感值变化范围的最小值设定为L，最大值设定为2L；
电感范围识别控制器的输入端连接外部电感基准值信号L*，其范围为0.5L～4L；当外部电感基准值信号L*的范围在0.5L～L时，电感范围识别控制器的第二输出端、第三输出端的输出信号uk1、uk2均为高电平，第一继电器K1、第二继电器K2均闭合，此时第一可变电感L1与第二可变电感L2为并联连接；当外部电感基准值信号L*的范围在L～2L时，电感范围识别控制器的第二输出端、第三输出端的输出信号uk1、uk2分别为高电平、低电平，第一继电器K1闭合、第二继电器K2断开，此时第一可变电感L1断路，不参与工作，第二可变电感L2作为输出的电感；当外部电感基准值信号L*的范围在2L～4L时，电感范围识别控制器的第二输出端、第三输出端的输出信号uk1、uk2均为低电平，第一继电器K1、第二继电器K2均断开，此时第一可变电感L1与第二可变电感L2为串联连接；在确定第一继电器K1、第二继电器K2的通断与第一可变电感L1、第二可变电感L2的连接方式以后，电感范围识别控制器控制第一输出端输出电压信号Ucon的大小，由电压控制电流源得到合适的输出电流Icon，以得到与外部电感基准值信号L*相等的总电感值。
根据以上所述方法所得到的总电感值的范围为0.5L-4L，其最大值为最小值的8倍，大大高于单个可变电感变化范围；
一种可变电感工作范围连续扩展的方法，其控制的可变电感可应用于电流临界连续的变换器中，可保证在恒定频率下调节输出功率，大大方便了控制，提升了效率。
图2为可变电感的绕制示意图，采用一副EE型铁芯，在两侧磁芯柱中分别绕匝数相等的偏磁线圈，即第一偏磁线圈W11与第二偏磁线圈W12，并通以控制感值的电流源；中间磁芯柱中绕可变电感主线圈W1。在偏磁线圈中通以控制电流Icon后，左右两侧磁芯柱上的磁偏置绕组在铁芯中产生大小相等的磁通，在左右两侧磁芯柱上产生的磁通方向相同，相互叠加，产生磁偏置；在中间磁芯柱上的磁通方向相反，相互抵消，与Icon＝0时相同。因此，图2电感可变的变压器的实质就是改变中间磁芯柱绕组的有效磁路长度，当Icon足够大，使得两侧磁芯柱完全饱和时，有效磁路长度最长，磁阻最大，感值最小。
图3所示为电压控制电流源的电路结构，它由两块单电源运放U1-U2、分压电阻R1-R2、反馈电阻R3以及电流调整管V1共同构成，电流源控制电压Ucon经分压电阻R1-R2并经电压跟随器，在运放U2的正输入端得到电压为
根据运放虚短、虚断的原则，在反馈电阻R3上电压等于U2+，则
对本发明专利建立了一台可变电感，其电感值L随Icon的变化曲线如图4所示。可以看出，采用较小的电流源损耗可以实现电感变化，通过控制电流源输出Icon的电流在0-0.13A，则单个电感的运行范围为5.8uH-11.6uH，两台可变电感经继电器组合后的感值范围为2.9uH-23.2uH，大大拓展了可边电感的运行范围，为电流型桥式微逆变器在绝大部分功率范围内电流临界连续运行提供了可能。经继电器K1、K2组合的两台可变电感在并联、独立于串联运行的等效电路分别如图5-图7所示。
综上所述，本发明通过两个继电器改变两个可变电感的连接方式，实现了组合后的电感值的最大值为最小值的8倍，远远高于单个可变电感的变化范围。将本发明应用于电流型桥式光伏微逆变器，可大大拓展微逆变器前级DC/DC变换器的电流临界连续的范围，这可以大大降低电路中的开关器件电流应力，降低器件的导通损耗以及变压器的铁损与铜损，提高电流型桥式光伏微逆变器的效率。

Claims (4)

1.一种可变电感工作范围连续扩展的方法，其特征在于：包括；第一可变电感L1、第二可变电感L2、第一继电器K1、第二继电器K2、电压控制电流源、电感范围识别控制器；其中第一可变电感L1具有主绕组W1、第一偏磁绕组W11与第二偏磁绕组W12；第二可变电感L2具有主绕组W2、第一偏磁绕组W21与第二偏磁绕组W22；第一继电器K1是具有三个触点的单刀双掷开关，其第三触点为单刀的固定连接触点；第二继电器K2是具有两个触点的单刀单掷开关；第一可变电感L1主绕组W1的同名端与第一继电器K1的第一触点连接，第一可变电感L1主绕组W1的异名端与第一继电器K1的第二触点、第二继电器K2的第一触点连接；第二可变电感L2主绕组W2的同名端与第一继电器K1的第三触点连接，第二可变电感L2主绕组W2的异名端与第二继电器K2的第二触点连接；第一可变电感L1主绕组W1的同名端、第二可变电感L2主绕组W2的异名端作为组合以后的总电感的两端；
第一可变电感L1第一偏磁绕组W11的异名端与第一可变电感L1第二偏磁绕组W12的异名端连接，第一可变电感L1第二偏磁绕组W12的同名端与第二可变电感L2第一偏磁绕组W21的同名端连接，第二可变电感L2第一偏磁绕组W21的异名端与第二可变电感L2第二偏磁绕组W22的异名端连接；
电压控制电流源的第一输出端、第二输出端分别与第一可变电感L1第一偏磁绕组W11的同名端、第二可变电感L2第二偏磁绕组W22的同名端连接；
电感范围识别控制器的输入端连接外部电感基准值信号L*，电感范围识别控制器的第一输出端连接到电压控制电流源的输入端，电感范围识别控制器的第二输出端、第三输出端的输出信号uk1、uk2分别作为第一继电器K1、第二继电器K2的控制信号。
2.一种如权利要求1所述的第一可变电感L1、第二可变电感L2各项参数均相同，通过控制电压控制电流源输出电流的大小实现电感值的调节，其各自的电感值变化范围的最小值设定为L，最大值设定为2L；
电感范围识别控制器，其特征在于：电感范围识别控制器的输入端连接外部电感基准值信号L*，其范围为0.5L～4L；当外部电感基准值信号L*的范围在0.5L～L时，电感范围识别控制器的第二输出端、第三输出端的输出信号uk1、uk2均为高电平，第一继电器K1、第二继电器K2均闭合，此时第一可变电感L1与第二可变电感L2为并联连接；当外部电感基准值信号L*的范围在L～2L时，电感范围识别控制器的第二输出端、第三输出端的输出信号uk1、uk2分别为高电平、低电平，第一继电器K1闭合、第二继电器K2断开，此时第一可变电感L1断路，不参与工作，第二可变电感L2作为输出的电感；当外部电感基准值信号L*的范围在2L～4L时，电感范围识别控制器的第二输出端、第三输出端的输出信号uk1、uk2均为低电平，第一继电器K1、第二继电器K2均断开，此时第一可变电感L1与第二可变电感L2为串联连接；在确定第一继电器K1、第二继电器K2的通断与第一可变电感L1、第二可变电感L2的连接方式以后，电感范围识别控制器控制第一输出端输出电压信号Ucon的大小，由电压控制电流源得到合适的输出电流Icon，以得到与外部电感基准值信号L*相等的总电感值。
3.根据权利要求1所述的一种可变电感工作范围连续扩展的方法，所得到的总电感值的范围为0.5L-4L，其最大值为最小值的8倍，大大高于单个可变电感变化范围。
4.根据权利要求1所述的一种可变电感工作范围连续扩展的方法，其控制的可变电感可应用于需要电流临界连续的变换器中，可保证在恒定频率下调节输出功率，大大方便了控制，提高了效率。
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Denomination of invention: A Method for Continuously Expanding the Working Range of Variable Inductors

Granted publication date: 20190308

License type: Common License

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Assignee: Dongtai Gaoxin Mechanical Equipment Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

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Denomination of invention: A Method for Continuously Expanding the Working Range of Variable Inductors

Granted publication date: 20190308

License type: Common License

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Assignee: Jiangsu sairuibo CNC Machine Tool Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

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Denomination of invention: A method for continuously expanding the working range of a variable inductor

Granted publication date: 20190308

License type: Common License

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Assignee: Spike (Dongtai) Equipment Manufacturing Co.,Ltd.

Assignor: Dongtai Chengdong science and Technology Pioneer Park Management Co.,Ltd.

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Denomination of invention: A method for continuously expanding the working range of a variable inductor

Granted publication date: 20190308

License type: Common License

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