[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

摘要

本发明属电源技术领域，特别涉及一种具有高功率因数高功率密度的高压电源的控制方法。本发明将三相高频交流链技术、谐振电路的连续工作模式和软开关控制技术相结合。采用激励电压先从0电压切换到低线电压，然后再切换到高线电压的零电流关断控制策略，实现了3电压的瞬时合成，通过各激励源开通时间的控制，不仅可使得谐振电路工作在欠谐振模式以减小谐振电路峰值电流，还可以调节等效激励电压以控制谐振电流，另外还能控制三相输入电流跟随相电压以实现高功率因数。本发明的控制算法中还包含了对高频高压变压器分布电容的处理。本发明的有益效果为，可以提高高压电源的功率因数、效率和功率密度。

主权项

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UL和电网三相输入相电压ua，ub，uc；b.根据实时采集到的三相输入相电压ua，ub，uc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：ua＞uc＞ub，UP＝ua，UM＝uc，UN＝ub；区间Ⅱ：ua＞ub＞uc，UP＝ua，UM＝ub，UN＝uc；区间Ⅲ：ua＞ub＞uc，UP＝uc，UM＝ub，UN＝ua；区间Ⅳ：ub＞ua＞uc，UP＝uc，UM＝ua，UN＝ub；区间Ⅴ：ub＞ua＞uc，UP＝ub，UM＝ua，UN＝uc；区间Ⅵ：ub＞uc＞ua，UP＝ub，UM＝uc，UN＝ua；区间Ⅶ：ub＞uc＞ua，UP＝ua，UM＝ub，UN＝uc；区间Ⅷ：uc＞ub＞ua，UP＝ua，UM＝ub，UN＝uc；区间Ⅸ：uc＞ub＞ua，UP＝uc，UM＝ub，UN＝ua；区间Ⅹ：uc＞ua＞ub，UP＝uc，UM＝ua，UN＝ub；区间Ⅺ：uc＞ua＞ub，UP＝ub，UM＝ua，UN＝uc；区间Ⅻ：ua＞uc＞ub，UP＝ub，UM＝uc，UN＝ua；其中，Up为幅值最大的相电压，UM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＝|UP‑UN|，低线电压U1＝|UP‑UM|；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UM相流出电荷量为Q1,从Up相流出电荷量为Q2，在5‑6工作过程中，流出UM相的电荷量为Q3,流出Up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ucmax和负载电压UL，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ir与特征阻抗Zr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Lr为谐振电感值，Cr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‑ucmax，当电流再次降为0的结束时刻谐振电容电压为ucmax，则L0、L1、L2、L3相连构成的曲线的起点为‑ucmax、终点为ucmax；根据实际接入对谐振回路的激励电压，定义O1＝‑UL，O2＝U1‑UL，O3＝U2‑UL，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)/(ucmax‑u1)＝k；设Cp为等效到初级侧分布电容，定义Cp与谐振电容Cr之比为m，即m＝Cp/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‑UL逐渐反转极性到UL，因而可得分布电容作用结束后的谐振电容电压u0为：u0＝‑(ucmax‑2mUL)；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Cp和Cr串联值，因而可转换为仅谐振电容Cr参与谐振下对应的幅度角θ1_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(ucmax‑u2)＝UL(ucmax‑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+kucmax；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Tc＝t2+θ3/ω；从而得到最终的控制参数t1，t2和Tc；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。