本發(fā)明屬于電力電子應用技術領域，涉及一種基于脈沖等效法的單相直接交交變頻電路及控制方法。

背景技術：

在一些邊遠偏僻地區(qū)、臨時性工業(yè)現(xiàn)場、救災應急、國防軍事、供電負荷短缺等的經營場所，往往需要能有移動方便、經濟適用的后備電源。高頻交流電源因為其具有的高頻工作方式，對輸出濾波電容的要求降低，設備的體積和重量得到減小的優(yōu)點，在上述的場合得到了廣泛的應用。但是大多數(shù)設備和儀器的使用都是基于低頻交流電設計的，所以需要有能把高頻交流電轉化為低頻交流電的中間電路。

變頻電路目前主要包括交交直接變頻和交直交間接變頻兩種主要的電路。交交直接變頻電路在20世紀30年代就已經出現(xiàn)，當時采用的是水銀整流器，曾經有裝置用在電力機車上，由于原件性能的限制，沒能得到推廣。到20世紀70年代，隨著晶閘管的問世交交變頻電路曾經廣泛應用于電機的變頻調速。20世紀80年代隨著全控器件的廣泛應用，交交變頻電路逐漸被交直交變頻電路取代。近年來隨著現(xiàn)代工業(yè)生產及社會發(fā)展的需要推動了交交變頻技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展和應用、現(xiàn)代控制理論和控制器件的發(fā)展和應用、微機控制技術及大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應用為交流變頻技術的發(fā)展和應用創(chuàng)造了新的物質和技術條件，交交直接變頻電路又逐漸成為研究的熱點。

交交直接變頻電路是通過電力電子電路的開關控制直接變頻控制，而不通過中間直流環(huán)節(jié)，只需通過一次變換把輸入交流電直接變換成不同頻率不同幅值的輸出交流電，利用兩組整流電路的輸出電壓分別構成正弦波的正負半波可以實現(xiàn)由一種頻率的交流電到另一種頻率的交流電的變換，這樣的電路稱為晶閘管相位控制交交直接變頻電路，也稱周波變流器。周波變流器一般采用晶閘管作為功率開關器件，適合于大功率電機調速的應用場合。

雖然交直交間接變頻成為交交變頻的重要分支，但是多余的變換環(huán)節(jié)，不僅增加了裝置的成本、損耗和控制復雜度，也降低了系統(tǒng)的可靠性。目前很多單相交交直接變頻裝置都是通過三相交流電輸入，經過三相整流后直接輸出單相交流電，此電路采用余弦交點法作為控制邏輯，即在每個控制周期里，需要將當前時刻的輸出值與預期開通晶閘管后的整流輸出電壓值進行比較，從而判斷是否要開通晶閘管或者保持當前狀態(tài)，此方法采用過多比較計算，實時性較差，控制難度高，導致輸出電壓thd較低，容易造成諧波污染，并且這種傳統(tǒng)單相交交變頻電路采用三相整流橋臂，使用了了較多的晶閘管資源。

因此，針對現(xiàn)有技術不足，設計一種可對于單相輸入單相輸出直接交交變頻的電路及其控制方法甚為必要。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：本發(fā)明提供了一種可以實現(xiàn)減小輸入諧波含量，改善電能質量，并提高了輸出交流電thd的基于脈沖等效法的單相直接交交變頻電路。本發(fā)明同時提供一種基于脈沖等效法的單相直接交交變頻控制方法。

技術方案：本發(fā)明的基于脈沖等效法的單相直接交交變頻電路，采用單相輸入交流電和單相輸出交流電的配置，包括輸入電源模塊、雙向功率傳輸模塊、控制單元、濾波模塊和負載模塊，所述輸入電源模塊為電路提供高頻交流輸入電源，所述雙向功率傳輸模塊由p組單相正向整流橋和n組單相反向整流橋反向并聯(lián)構成，所述p組單相正向整流橋包括晶閘管vtp1、晶閘管vtp2、晶閘管vtp3、晶閘管vtp4，所述晶閘管vtp1的陰極與晶閘管vtp2的陰極連接作為整流輸出正極，晶閘管vtp3的陽極與晶閘管vtp4的陽極連接作為整流輸出負極，晶閘管vtp1的陽極與晶閘管vtp3的陰極連接作為單相交流輸入電的一端口，晶閘管vtp2的陽極與晶閘管vtp4的陰極連接并作為單相交流輸入電的另一端口；所述n組單相反向整流橋包括晶閘管vtn1、晶閘管vtn2、晶閘管vtn3、晶閘管vtn4，所述晶閘管vtn1的陰極與晶閘管vtn2的陰極連接作為整流輸出負極，晶閘管vtn3的陽極與晶閘管vtn4的陽極連接作為整流輸出正極，晶閘管vtn1的陽極與晶閘管vtn3的陰極連接作為單相交流輸入電的一端口，晶閘管vtn2的陽極與晶閘管vtn4的陰極連接作為單相交流輸入電的另一端口。所述控制單元由處理器的基本運行電路作為控制核心，外圍的檢測電路作為參數(shù)檢測反饋接口，晶閘管驅動電路作為控制單元的輸出信號，所述濾波模塊包括濾波電感和濾波電容，所述濾波電感一端連接整流橋輸出正極，濾波電感另一端與濾波電容的正極相連接，濾波電容的負極連接整流橋輸出負極，同時濾波電容與負載并聯(lián)。

進一步的，本發(fā)明電路中，控制單元用以控制雙向功率傳輸模塊的整流橋按照期望得到波形的頻率進行開斷，使得能量從輸入電源模塊流向濾波模塊，經濾波后再流入負載模塊，或者從負載流向輸入電源模塊，使得負載波形完成對期望的輸出交流電的等效擬合。

進一步的，本發(fā)明電路中，控制單元在電路通電初始化時刻，設置輸出交流電的頻率fs_o，然后控制單元根據(jù)設置的輸出交流電頻率參數(shù)在處理器中虛構期望頻率為fs_o的輸出正弦電壓信號；控制單元根據(jù)所述虛構的期望頻率為fs_o的輸出正弦電壓信號，結合輸出負載電流的變化，控制在任何時候只讓所述的p組單相正向整流橋和n組單相反向整流橋兩者中的一組整流橋工作，使p組單相正向整流橋和n組單相反向整流橋按照設置的輸出頻率參數(shù)交替工作，則負載模塊就得到了該交替頻率的交流電；在負載輸出交流電正負各自半周期時間段內，為了實現(xiàn)對正弦波形的跟蹤，在輸入高頻交流電的每一個周期里的控制方法如下：根據(jù)檢測到的輸入電壓幅值ui和輸入電壓頻率fs_i，使用脈沖等效原理更新晶閘管觸發(fā)角值，即：按照輸入電源頻率fs_i與負載頻率fs_o的整數(shù)倍比k，k為正的自然數(shù)，將負載半周期細分為k個預期輸出電壓瞬時值點，然后在每一個輸入高頻周期里，求解細分間隔的脈沖面積，并計算等于該面積的整流輸出電壓值，確定晶閘管觸發(fā)角。

進一步的，本發(fā)明電路中，輸入電源頻率fs_i與負載頻率fs_o的整數(shù)倍比k大于等于5。

進一步的，本發(fā)明電路中，脈沖等效原理，即晶閘管觸發(fā)脈沖控制規(guī)律，對單相或多相晶閘管直接交交變頻電路都起到有效作用。

本發(fā)明的基于脈沖等效法的單相直接交交變頻電路控制方法，包括：控制單元用以控制雙向功率傳輸模塊的整流橋按照期望得到波形的頻率進行開斷，使得能量從輸入電源模塊流向濾波模塊，經濾波后再流入負載模塊，或者從負載流向輸入電源模塊，使得負載波形完成對期望的輸出交流電的等效擬合。

進一步的，本發(fā)明方法中，控制單元在電路通電初始化時刻，設置輸出交流電的頻率fs_o，然后控制單元根據(jù)設置的輸出交流電頻率參數(shù)在處理器中虛構期望頻率為fs_o的輸出正弦電壓信號；控制單元根據(jù)所述虛構的期望頻率為fs_o的輸出正弦電壓信號，結合輸出負載電流的變化，控制在任何時候只讓所述的p組單相正向整流橋和n組單相反向整流橋兩者中的一組整流橋工作，使p組單相正向整流橋和n組單相反向整流橋按照設置的輸出頻率參數(shù)交替工作，則負載模塊就得到了該交替頻率的交流電；在負載輸出交流電正負各自半周期時間段內，為了實現(xiàn)對正弦波形的跟蹤，在輸入高頻交流電的每一個周期里的控制方法如下：根據(jù)檢測到的輸入電壓幅值ui和輸入電壓頻率fs_i，使用脈沖等效原理更新晶閘管觸發(fā)角值，即：按照輸入電源頻率fs_i與負載頻率fs_o的整數(shù)倍比k，k為正的自然數(shù)，將負載半周期細分為k個預期輸出電壓瞬時值點，然后在每一個輸入高頻周期里，求解細分間隔的脈沖面積，并計算等于該面積的整流輸出電壓值，確定晶閘管觸發(fā)角。

進一步的，本發(fā)明方法中，輸入電源頻率fs_i與負載頻率fs_o的整數(shù)倍比k大于等于5。

進一步的，本發(fā)明方法中，脈沖等效原理，即晶閘管觸發(fā)脈沖控制規(guī)律，對單相或多相晶閘管直接交交變頻電路都起到有效作用。

本發(fā)明適用于將高頻交流輸入電源，轉變?yōu)榈皖l交流輸出電源，采用脈沖等效原理，使高頻交流輸入電源經主電路變換后，在每一個高頻周期里的平均輸出電壓能反應當前期望瞬時電壓值，進而跟蹤低頻交流輸出電源的變化規(guī)律。本發(fā)明可實現(xiàn)低thd正弦電壓輸出，降低輸入側諧波含量，減小諧波污染。

有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1)傳統(tǒng)的單相交交變頻電路一般都是采用的三相電作為輸入，單相電作為輸出，經過晶閘管整流橋直接接負載的電路。本發(fā)明提出的單相直接交交變頻電路是直接采用了單相輸入單相輸出的配置，并且添加整流濾波環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)單相交交變頻相比較，本發(fā)明電路輸入電壓頻率可以更高，而且采用了更少的晶閘管器件，在保證了輸入功率要求的前提下，簡化了電路結構和控制的復雜程度，并且本電路在晶閘管整流輸出側添加的lc濾波電路，可以在負載端得到較低thd的輸出正弦波；和當前交直交交接變頻電路相比較，可以得到和全控型電路相媲美的正弦交流電壓波形，且具有較低的電路成本。

2)與交直交變頻電路對比，交直交變頻電路采用了多余的直流變換環(huán)節(jié)，不僅增加了裝置的成本、損耗和控制復雜度，也降低了系統(tǒng)的可靠性；本發(fā)明的單相直接交交變頻電路只具有直接交交變頻電路，采用較少的晶閘管器件，且控制難度低，也可以實現(xiàn)低thd的正弦輸出波形。

附圖說明

圖1是本發(fā)明單相直接交交變頻主電路結構圖。

圖2是本發(fā)明單相直接交交變頻電路的電路總邏輯圖。

圖3是本發(fā)明單相直接交交變頻電路的控制結構示意框圖。

圖4是本發(fā)明單相交交直接變頻電路的仿真輸入電壓波形圖。

圖5是本發(fā)明單相交交直接變頻電路的仿真觸發(fā)脈沖波形圖。

圖6是本發(fā)明單相交交直接變頻電路的仿真輸出電壓波形圖。

圖中有：輸入電源模塊1、雙向功率傳輸模塊2、控制單元3、濾波模塊4和負載模塊5、輸入交流電頻率fs_i、輸入電壓瞬時值ui、輸出交流電頻率fs_o、輸出電感電流il、輸出瞬時電壓uo、晶閘管觸發(fā)角α。輸入電壓e、晶閘管vtp1～vtp4、晶閘管vtn1～vtn4、電感l(wèi)、電容c、負載z。直接交交變頻模塊、給定正弦電壓瞬時值u、輸出電流il、電壓波形數(shù)據(jù)虛擬環(huán)節(jié)1、脈沖面積等效算法環(huán)節(jié)2、p組或n組整流橋切換控制環(huán)節(jié)3、觸發(fā)脈沖控制環(huán)節(jié)4。

具體實施方式

以下結合實施例和說明書附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明：

圖1所示為本發(fā)明的基于脈沖等效法的單相直接交交變頻電路，包括輸入電壓e、晶閘管vtp1～vtp4、晶閘管vtn1～vtn4、電感l(wèi)、電容c、負載z。輸入電壓e供給由p組和n組整流橋構成的雙向功率傳輸模塊，雙向功率傳輸模塊輸出波形經過電感l(wèi)和電容c濾波得到最后負載的輸出波形，電感l(wèi)起到平滑電流的作用，電容c保持一定電壓。

圖2所示為本發(fā)明基于脈沖等效法的單相直接交交變頻電路的電路總邏輯圖，其中控制單元3由處理器dsp編程實現(xiàn)，其檢測輸入交流電的電壓值和頻率參數(shù)的同時可以編程設置期望輸出的交流電壓幅值和頻率，通過輸入交流電頻率fs_i與輸出交流電頻率fs_o的比例關系設置觸發(fā)脈沖的時間間隔，使得一個輸出半波內，整流橋完成fs_i/fs_o整數(shù)倍次整流輸出；控制單元3通過自編程產生期望輸出頻率的預期正弦電壓信號，結合輸出電感電流il控制雙向功率傳輸模塊2的整流橋的開斷，使得能量從輸入電源模塊1經過濾波模塊4后流向負載模塊5，或者負載流向輸入電源，并控制兩組整流橋按照一定頻率交替切換，則負載模塊5就得到了該交替頻率的交流電，完成對輸出交流電的等效擬合，濾波模塊4為lc濾波電路，將整流橋輸出脈沖電壓濾波成期望得到的電壓波形。

同時，按照fs_i/fs_o整數(shù)倍比，設置輸出電壓的預期電壓值，如輸入頻率為fs_i＝1000hz，輸出頻率為fs_o＝50hz，則fs_i/fs_o＝20，那么一個輸出周期內可以細分20個預期輸出電壓瞬時值點；并且在輸入交流電的每一個周期里，通過脈沖面積等效原理，即：根據(jù)每一個輸入電壓周期內設置的預期輸出電壓瞬時值和細分數(shù)目，計算此細分間隔內對應的等效面積，結合輸入正弦電壓數(shù)據(jù)，可以計算出待更新的控制觸發(fā)角值，使得本周期整流橋的平均輸出電壓具有反應當前時刻期望的電壓幅值的能力，進而可以跟蹤預期輸出電壓幅值的變化規(guī)律，再經過lc濾波可以得到輸出波形。

圖3所示為本發(fā)明直接交交變頻電路的控制結構示意框圖，直接交交變頻電路的控制結構包括電壓波形數(shù)據(jù)虛擬環(huán)節(jié)1、脈沖面積等效算法環(huán)節(jié)2、p組或n組整流橋切換控制環(huán)節(jié)3、觸發(fā)脈沖控制環(huán)節(jié)4。

具體的控制方法是：初始啟動變頻電路前，先檢測輸入交流電的電壓值和頻率參數(shù)，同時設置期望輸出的交流電壓幅值和頻率。完成初始化后，在電壓波形數(shù)據(jù)虛擬環(huán)節(jié)1中，根據(jù)輸入交流電頻率fs_i與輸出交流電頻率fs_o的比例關系設置觸發(fā)脈沖的時間間隔，使得一個輸出半波內，整流橋完成fs_i/fs_o整數(shù)倍次整流輸出，并由處理器編程產生期望輸出頻率的預期正弦電壓信號。接著進入脈沖面積等效算法環(huán)節(jié)2，根據(jù)輸出電壓的預期電壓值，在輸入交流電的每一個周期里，通過脈沖面積等效原理，計算出待更新的控制觸發(fā)角值，使得本周期整流橋的平均輸出電壓具有反應當前時刻期望的電壓幅值。同時，在p組或n組整流橋切換控制環(huán)節(jié)3中，實時檢測輸出電感電流波形，根據(jù)預期電壓數(shù)據(jù)和輸出電感電流的變化給定p組或n組整流橋的保持當前狀態(tài)或者切換命令?；诿}沖面積等效算法環(huán)節(jié)2輸出的控制觸發(fā)角值，和p組或n組整流橋切換控制環(huán)節(jié)3給定的整流組是否切換命令，觸發(fā)脈沖控制環(huán)節(jié)4設置相關的觸發(fā)電路控制晶閘管整流橋在輸入交流電的每一個周期里依次工作，從而跟蹤預期的正弦輸出電壓波形。

圖4所示是matlab仿真單相交交直接變頻電路的輸入電壓波形，以幅值600v，頻率1000hz，初始相位0°的高頻交流電作輸入，用matlab中的simulink模塊搭建仿真模型。

圖5所示是matlab仿真單相交交直接變頻電路觸發(fā)脈沖波形圖，是通過正組整流器后的輸出波形，以幅值600v，頻率1000hz，初始相位0°的高頻交流電作輸入，用matlab中的simulink模塊搭建仿真模型。

圖6所示是matlab仿真單相交交直接變頻電路的輸出電壓波形，以幅值600v，頻率1000hz，初始相位0°的高頻交流電作輸入，單相交流電輸出，輸出電壓的幅值為290v，頻率為50hz，初始相角為0°，用matlab中的simulink模塊搭建仿真模型。

以上僅是本發(fā)明的較佳實施例，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發(fā)明權利要求進行改進和等同替換后的技術方案，均落入本發(fā)明的保護范圍。