[发明专利]一种具有高功率因数高功率密度的高压电源的控制方法

权利要求书

1.一种具有高功率因数高功率密度的高压电源的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.高压电源上电后，实时采集负载电压U_L和电网三相输入相电压u_a，u_b，u_c；

b.根据实时采集到的三相输入相电压u_a，u_b，u_c的相对大小关系，将电网周期划分为12个区间，设定每个区间内相电压的极性和大小确定，且保持单调变化，所述12个区间具体为：

区间Ⅰ：u_a＞u_c＞u_b，U_P＝u_a，U_M＝u_c，U_N＝u_b；

区间Ⅱ：u_a＞u_b＞u_c，U_P＝u_a，U_M＝u_b，U_N＝u_c；

区间Ⅲ：u_a＞u_b＞u_c，U_P＝u_c，U_M＝u_b，U_N＝u_a；

区间Ⅳ：u_b＞u_a＞u_c，U_P＝u_c，U_M＝u_a，U_N＝u_b；

区间Ⅴ：u_b＞u_a＞u_c，U_P＝u_b，U_M＝u_a，U_N＝u_c；

区间Ⅵ：u_b＞u_c＞u_a，U_P＝u_b，U_M＝u_c，U_N＝u_a；

区间Ⅶ：u_b＞u_c＞u_a，U_P＝u_a，U_M＝u_b，U_N＝u_c；

区间Ⅷ：u_c＞u_b＞u_a，U_P＝u_a，U_M＝u_b，U_N＝u_c；

区间Ⅸ：u_c＞u_b＞u_a，U_P＝u_c，U_M＝u_b，U_N＝u_a；

区间Ⅹ：u_c＞u_a＞u_b，U_P＝u_c，U_M＝u_a，U_N＝u_b；

区间Ⅺ：u_c＞u_a＞u_b，U_P＝u_b，U_M＝u_a，U_N＝u_c；

区间Ⅻ：u_a＞u_c＞u_b，U_P＝u_b，U_M＝u_c，U_N＝u_a；

其中，U_p为幅值最大的相电压，U_M为幅值最小的相电压，Un为电压幅值居中的相电压；定义高线电压U₂＝|U_P-U_N|，低线电压U₁＝|U_P-U_M|；

c.采用低线电压U₁、高线电压U₂以及0电压共同参与的组合方式完成谐振回路的激励，即采用6过程的工作模式，设定谐振电流正半周和负半周均进行2次换流且均包含3个工作过程，正负半周激励电压的极性相反，具体为：第1个工作过程采用0电压，第2个工作过程采用低线电压U₁，第3个工作过程采用高线电压U₂，第4个工作过程采用0电压，第5个工作过程采用低线电压-U₁，第6个工作过程采用高线电压-U₂；定义在第2-3工作过程中，从U_M相流出电荷量为Q₁,从U_p相流出电荷量为Q₂，在5-6工作过程中，流出U_M相的电荷量为Q₃,流出U_p相的电荷量为Q₄，为了实现输入端的低谐波和高功率因数，令在一个谐振电流半周期内，使不同相流出或流入的电荷量之比等于各自的相电压绝对值之比，可得电荷分配比例k为：

k=Q1Q2=Q3Q4=|UM||UP|;]]>

d.根据谐振电容电压峰值uc_max和负载电压U_L，获取顺序接入的低线电压U₁、高线电压U₂和0电压中每个电压源需要接入的时间以及三个电压的切换时间点,具体方法为：

根据串联谐振变换器工作特性，采用状态图法获取控制参数，以谐振电容电压为横坐标轴、谐振电流i_r与特征阻抗Z_r的乘积值为纵坐标轴构建平面直角坐标系，谐振电路特征阻抗其中L_r为谐振电感值，C_r为谐振电容值；

设谐振电流正半周的3个工作过程对应的轨迹为依次连接的圆弧L1、L2、L3；其中，L1代表第1工作过程对应的圆弧，设L1对应的圆心为O₁，半径为R₁；L2代表第2工作过程对应的圆弧，设L2对应的圆心为O₂，半径为R₂；L3代表第3工作过程对应的圆弧，设L3对应的圆心为O₃，半径为R₃；

因在第1工作工程中还包含了分布电容的作用，设分布电容的作用对应的轨迹为圆弧L0，则L1还与L0连接；设L0与L1的交点为P₀、L1与L2的交点为P₁、L2与L3的交点为P₂；因圆心O₁、O₂、O₃均在横坐标轴上，设电流为0的开始时刻对应谐振电容起始电压为-uc_max，当电流再次降为0的结束时刻谐振电容电压为uc_max，则L0、L1、L2、L3相连构成的曲线的起点为-uc_max、终点为uc_max；根据实际接入对谐振回路的激励电压，定义O₁＝-U_L，O₂＝U₁-U_L，O₃＝U₂-U_L，设交点P₀，P₁和P₂分别对应的横坐标值为u₀，u₁和u₂，即u₀为分布电容作用结束后的谐振电容电压，u₁为第1工作过程结束后谐振电容电压，u₂为第2工作过程结束后谐振电容电压；则可以获得的几何关系为：

R3=ucmax-O3R32-(u2-O3)2=R22-(u2-O2)2R22-(u1-O2)2=R12-(u1-O1)2;]]>

根据几何关系可得到：

假设第2工作过程谐振电容电压变化量为Δuc₁和第2工作过程至第3工作过程总的谐振电容电压变化量为Δuc₂，由于谐振电流完全流过谐振电容，因此Δuc₁和Δuc₂的比值与和这两过程对应的电荷量Q₁和Q₂的比值相等，Δuc₁/Δuc₂＝Q₁/Q₂＝k，即：

(u₂-u₁)/(uc_max-u₁)＝k；

设C_p为等效到初级侧分布电容，定义C_p与谐振电容C_r之比为m，即m＝C_p/C；

根据分布电容的参与作用原理，在正半谐振电流周期内，分布电容电压由-U_L逐渐反转极性到U_L，因而可得分布电容作用结束后的谐振电容电压u₀为：

u₀＝-(u_cmax-2mU_L)；

分布电容作用的过程对应的幅度角θ₀为：

θ0=cos-1ucmax-UL-2mULucmax+UL;]]>

由于分布电容作用的过程中的总谐振电容为C_p和C_r串联值，因而可转换为仅谐振电容C_r参与谐振下对应的幅度角θ_{1_0}为：

θ1_0=m1+mcos-1ucmax-UL-2mULucmax+UL;]]>

在正半周期谐振电流过程中根据能量守恒，可得到能量守恒表达式：

U₁(u₂-u₁)+U₂(u_cmax-u₂)＝U_L(u_cmax-u₀)；

将k、谐振电容电压u₀带入能量守恒表达式可得u₁为：

u1=ucmax-2UL(ucmax-mUL)U1k+U2(1-k);]]>

再将k带入u₁中，可得u₂为：

u₂＝(1-k)u₁+ku_cmax；

设第1工作过程轨迹对应的弧度为θ₁、第2工作过程轨迹对应的弧度为θ₂、第3工作过程轨迹对应的弧度为θ₃，根据状态图几何关系可得对应的表达式分别为：

θ1=θ1_0+cos-1(-UL-u1R1)-cos-1(-UL-u0R1);]]>

θ2=cos-1(u1+UL-U1R2)-cos-1(u2+UL-U1R2);]]>

θ3=cos-1(u2+UL-U2R3);]]>

根据θ＝ωt，可得：第1工作过程结束时刻t₁＝θ₁/ω，第2工作过程结束时刻t₂＝t₁+θ₂/ω，第3工作过程结束时刻T_c＝t₂+θ₃/ω；从而得到最终的控制参数t₁，t₂和T_c；

其中ω为谐振角频率，

e.根据步骤d所得的三个电压的切换时间点生成通用的时序控制信号，控制各工作过程之间的切换。