一種內燃機驅動的逆變發電裝置及其逆變控制方法
【專利摘要】本發明涉及發電機控制【技術領域】，公開了一種內燃機驅動的逆變發電裝置及其逆變控制方法。控制單元通過兩個PWM信號發生器產生4路PWM信號，分別控制逆變單元的4個功率開關晶體管。4路PWM信號分成兩組，每一組中兩個信號是互補的，組與組之間的信號相位差為180°，這樣逆變單元中的4個功率管就避免了同時開通，變成了輪流開關，使得逆變橋輸出端的PWM波頻率變為輸入PWM信號頻率的兩倍。在不增加功率管開關頻率的情況下提高了輸出頻率，同時減小了輸出濾波電感降低了成本。
【專利說明】一種內燃機驅動的逆變發電裝置及其逆變控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及逆變發電機控制【技術領域】的逆變技術，具體是一種內燃機驅動的逆變發電裝置及其逆變控制方法。
【背景技術】
[0002]目前倍頻逆變方法廣泛用于各種場合的逆變裝置，能夠減小逆變裝置輸出濾波電感的電感量，從而減小逆變裝置的體積，降低逆變裝置的成本。
[0003]專利號為201110060848.X公開了一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法和裝置。從該專利不難看出他實現倍頻的方法實質上是采用的一種單極性正弦脈寬調制方法。該方法還可以詳細參見陳道煉編著的由機械工業出版社出版的教科書:《DC-AC逆變技術及其應用》的介紹。該方法所對應的裝置的核心部分是一個正弦波發生器和一個三角波發生器和一個比較器組成，該電路存在結構復雜調試困難的缺陷。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種電路結構簡單的能實現倍頻逆變的內燃機驅動的逆變發電裝置及其逆變控制方法。
[0005]為了實現上述第一目的本發明采用如下技術方案:一種內燃機驅動的逆變發電裝置包括整流單元、逆變單元、輸出濾波單元、取樣單元和控制單元；
[0006]其中所述整流單元，用于對發電機輸出的電壓進行整流，并將整流后的電壓輸入逆變單元的電源輸入端。
[0007]所述逆變單元中逆變橋4個臂的功率開關晶體管分別接收控制單元產生的4路頻率為f的PWM信號，從而輸出頻率為2f的PWM電壓波。
[0008]所述輸出濾波單元，用于對逆變單元輸出的頻率為2f的PWM電壓波進行濾波，然后輸出。
[0009]所述取樣單元，用于對輸出濾波單元的輸出進行電壓和電流取樣，并對取樣的電壓信號進行衰減后，輸入到控制單元的電壓信號輸入端，對取樣的電流信號進行放大后，輸入到控制單元的電流信號輸入端。
[0010]所述控制單元，用于對電壓信號和電流信號進行模數轉換，計算獲得電壓和電流的有效值或平均值；然后將該有效值或平均值與預設的目標值進行比較而獲得偏差，根據該偏差和預存的正弦表值進行PI調節計算，將PI調節計算結果輸入PWM信號發生器中，產生兩路互補的PWM信號，同時將PI調節計算結果再進行移相180°計算后結果輸入另一PWM信號發生器中，產生另兩路互補的PWM信號，從而得到4路頻率為f的PWM信號。
[0011]為了更優地實現上述技術方案，上述控制單元接收整流單元整流后的電壓，對該電壓以及發動機轉速進行實時檢測，以此來判斷發電機的功率是否充足，如果發現該電壓和轉速下降低于預定值，則說明發電機的功率不足，則通過控制單元調節輸出的PWM信號，使輸出電壓降低從而減小輸出功率。[0012]具體地，上述所述取樣單元通過放大器對取樣電流信號進行放大；放大器的同相輸入端與控制單元的MCU供電電壓5V的中點電壓2.5V連接，同時與本裝置輸出端之一 A端連接，還與電流取樣電阻R4的一端連接；電流取樣電阻R4的另一端與輸出濾波電感LI連接，該端還通過電阻R3連接到放大器的反相輸入端；放大器的輸出端與控制單元的電流信號輸入端連接。
[0013]上述取樣單元通過電阻R7、R6組成的衰減器對電壓信號進行分壓衰減，R7的一端連接到本裝置的輸出端B端，R7另一端與R6 —端連接，R6的另一端連接到本裝置的另一輸出端A端；R7與R6的連接端連接到控制單元的電壓信號輸入端；或R7與R6的連接端通過放大器后再連接到控制單元的信號輸入端。
[0014]更進一步，上述整流單元增加相線尖峰電壓吸收電路，具體為:發電機的輸出三相線分別連接二極管D8、D9、D10的正極，電阻R8和電容C6并聯后，一端與二極管D8、D9、D10的負極連接，另一端與整流電橋的可控硅SCRl的負極連接，或與二極管D5正極端連接。
[0015]上述輸出濾波單元由LC濾波電路構成。
[0016]為了更優地實現上述技術方案，本裝置還設置有與所述微控制器連接的溫度傳感器，當溫度傳感器檢測到的溫度大于預設值時，則通過控制輸出端電壓減小來減小輸出功率。
[0017]本發明還提供了一種內燃機驅動的逆變發電裝置的逆變控制方法，包括:
[0018]整流單元對發電機輸出的電壓進行整流，并將整流后的電壓輸入逆變單元的電源輸入端。
[0019]逆變單元中逆變橋4個臂的功率開關晶體管分別接收控制單元產生的4路頻率為f的PWM信號，從而輸出頻率為2f的PWM電壓波。
[0020]輸出濾波單元對逆變單元輸出的頻率為2f的PWM電壓波進行濾波，然后輸出。
[0021]取樣單元對輸出濾波單元的輸出進行電壓和電流取樣，并對取樣的電壓信號進行衰減后，輸入控制單元的電壓信號輸入端，對取樣的電流信號進行放大后，輸入控制單元的電流信號輸入端。
[0022]控制單元對所述電壓和電流進行模數轉換，計算獲得電壓和電流的有效值或平均值；然后將該有效值或平均值與預設的目標值進行比較而獲得偏差，根據該偏差和預存的正弦表值進行PI調節計算，將PI調節計算結果輸入PWM信號發生器中，產生兩路互補的PWM信號，將PI調節計算結果再進行移相180°計算后的結果輸入另一 PWM信號發生器中，產生另兩路互補的PWM信號，從而得到4路頻率為f的PWM信號。
[0023]進一步包括，上述控制單元實時檢測發電機的輸出電壓，以及當前發電機轉速，判斷發電機的功率是否充足(與預設值進行比較)，如果不足，則降低輸出電壓。
[0024]設置溫度傳感器，當溫度傳感器檢測到的溫度大于預設溫度時，則降低輸出電壓，直到關閉輸出。
[0025]本發明的優點是摒棄了三角波發生器和比較器及繁雜的正弦波發生器，采用4路頻率為f的PWM信號，使逆變橋輸出端的PWM波頻率變為輸入PWM信號頻率的兩倍。這樣在不增加功率管開關頻率的情況下提高了輸出頻率，減小了輸出濾波電感，降低了成本。降低開關損耗提高了效率。采用上述電壓、電流取樣放大方式，使電流取樣可以由大功率無感電阻完成，省去了成本較高的電流互感器，降低了成本。還提高了電流變化響應的實時性，控制速度和精度大幅度提高。使電壓衰減方式可由簡單的電阻分壓即可完成，省去了傳統的差分放大器的方式。本裝置采用MCU內置PWM信號發生器、內置模數轉換器，使外圍電路大幅度簡化。全數字化的工作方式，基本可以做到無調試即可正常工作。使生產制造過程簡單化。本裝置使發電機的性能得到大幅度提高，輸出電壓穩定，頻率穩定。可輕易做到輸出電壓偏差小于1%，頻率偏差小于0.1Hz0
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明的結構框圖；
[0027]圖2為本發明整流單元的電路連接圖；
[0028]圖3為本發明逆變單元、輸出濾波單元、取樣單元和控制單元的電路連接圖；
[0029]圖4為4路PWM信號波形示意圖。
【具體實施方式】
[0030]參見圖1，本發明的裝置包括與內燃機和發電機7連接整流單元1、逆變單元2、輸出濾波單元3、取樣單元4和控制單元5。
[0031]所述整流單元I對內燃機和發電機7輸出的電壓進行整流，并將整流后的電壓輸入逆變單元2的電源輸入端。
[0032]所述逆變單元2中逆變橋4個臂的功率開關晶體管分別接收控制單元產生的4路頻率為f的PWM信號，從而輸出頻率為2f的PWM電壓波，該PWM電壓波輸入到輸出濾波單元3，由輸出濾波單元3進行濾波后輸出50Hz或60Hz交流電。
[0033]所述取樣單元4，對輸出濾波單元3的輸出進行電壓和電流取樣，并對取樣的電壓信號進行衰減后，輸入控制單元5的電壓信號輸入端，對取樣的電流信號進行放大后，輸入控制單元5的電流信號輸入端。
[0034]所述控制單元5，對電壓信號和電流信號進行模數轉換，計算獲得電壓和電流的有效值或平均值；然后將該有效值或平均值與預設的目標值(預設的電壓和電流值)進行比較而獲得偏差，根據該偏差和預存的正弦表值進行PI調節計算，將PI調節計算結果輸入PWM信號發生器(該PWM信號發生器為控制器MCU自帶的模塊)中，產生兩路互補的PWM信號，同時將PI調節計算結果再進行移相180°計算后的結果輸入另一 PWM信號發生器中，產生另兩路互補的PWM信號，從而得到4路頻率為f的PWM信號。如圖4所示I路PWM信號與2路PWM信號是互補的(I路為高電平時2路為低電平，反之I路為低電平時2路為高電平)。3路PWM信號與4路PWM信號互補，3路PWM信號與2路PWM信號相位差180°，4路PWM信號與I路PWM信號相位差180°。這樣逆變單元中的4個功率管就避免了同時開通，變成了輪流開關，使得逆變橋輸出端的PWM波頻率變為輸入PWM信號頻率的兩倍。這樣在不增加功率管開關頻率的情況下提高了輸出頻率。這樣減小了輸出濾波電感降低了成本。減小了開關損耗。
[0035]如圖2所示，整流單元中由可控硅SCR1、SCR2、SCR3和二極管D5、D6、D7構成對的發電機的輸出三相線的整流電路，在此基礎上增加相線尖峰電壓吸收電路，可有效吸收磁電機輸出相線上的尖峰電壓，保護可控硅和整流二極管的安全。具體結構為:三相線分別連接二極管D8、D9、DlO的正極，電阻R8和電容C6并聯后，一端與二極管D8、D9、DlO的負極連接，另一端與整流電橋的可控娃SCRl的負極連接。
[0036]如圖3所示，由開關晶體管161、162、163、164和二極管01、02、03、04構成逆變單元的逆變電橋電路。電感L1、L2和電容C5構成LC輸出濾波單元。取樣單元由電阻R4對電流進行取樣，對取樣電流進行放大的放大器為IC1A。MCU的工作電壓為5V，放大器IClA的同相輸入端與MCU供電電壓5V的中點2.5V連接，還與電容C5和取樣電阻R4的連接端連接。放大器的反相輸入端通過電阻R3與取樣電阻R4和電感LI的連接端連接。放大器的反相輸入端和輸出端之間連接反饋電阻R1，放大器的輸出端與控制單元的電流信號輸入端連接。電阻R7、R6組成電壓取樣的衰減器，R7的一端連接到本裝置的輸出端B端，R7另一端與R6連接，該連接端再連接到控制單元的電壓信號輸入端。R6的另一端連接到本裝置的另一輸出端A端。MCU供電電壓5V的中點2.5V與本裝置輸出端之一 A端連接在一起，使取樣單元的輸出信號波形的過零點即為2.5V，不再需要正幅度值變換，即可滿足MCU內置模數轉換器的需要。這樣簡化了輸出電壓取樣衰減電路，尤其簡化了輸出電流取樣放大電路，使電流取樣可以由大功率無感電阻完成，省去了成本較高的電流互感器或者成本更高的霍爾電流傳感器。本裝置中MCU供電電壓5V的中點2.5V由電阻R2、R5分壓得到。
[0037]微控制器MCU實時檢測直流母線的電壓(即整流單元整流后的電壓)，綜合當前發電機轉速，判斷發電機功率是否足夠。如果功率不夠時自動降低輸出電壓，控制油門6減小輸出功率，從而保護發動機安全。
【權利要求】
1.一種內燃機驅動的逆變發電裝置，其特征在于:包括整流單元、逆變單元、輸出濾波單元、取樣單元和控制單元； 其中所述整流單元，用于對發電機輸出的電壓進行整流，并將整流后的電壓輸入逆變單元的電源輸入端； 所述逆變單元中逆變橋4個臂的功率開關晶體管的輸入端分別接收控制單元產生的4路頻率為f的PWM信號，輸出頻率為2f的PWM電壓波； 所述輸出濾波單元，用于對逆變單元輸出的頻率為2f的PWM電壓波進行濾波，然后輸出； 所述取樣單元，用于對濾波單元的輸出進行電壓和電流取樣；對取樣的電壓信號進行衰減后，輸入到控制單元的電壓信號輸入端；對取樣的電流信號進行放大后，輸入到控制單兀的電流信號輸入端； 所述控制單元，用于對電壓信號和電流信號進行模數轉換，計算獲得電壓和電流的有效值或平均值；然后將該有效值或平均值與預設的目標值進行比較而獲得偏差，根據該偏差和預存的正弦表值進行PI調節計算，將PI調節計算的結果輸入PWM信號發生器中，產生兩路互補的PWM信號；同時將PI調節結果再進行移相180°的計算后的結果輸入另一 PWM信號發生器中，產生另兩路互補的PWM信號，最后得到4路頻率為f的PWM信號。
2.根據權利要求1所述一種內燃機驅動的逆變發電裝置，其特征在于:所述控制單元接收整流單元整流后的電壓，對該電壓以及發動機轉速進行實時檢測，以此來判斷發電機的功率是否充足，如不足，則通過控制單元控制輸出的PWM信號，降低輸出電壓從而減小輸出功率。
3.根據權利要求1所述一種內燃機驅動的逆變發電裝置，其特征在于:所述取樣單元通過放大器對取樣電流信號進行放大；放大器的同相輸入端與控制單元的MCU供電電壓5V的中點電壓2.5V連接，同時與本裝置輸出端之一 A端連接，還與電流取樣電阻R4的一端連接；電流取樣電阻R4的另一端與輸出濾波電感LI連接，該端還通過電阻R3連接到放大器的反相輸入端；放大器的輸出端與控制單元的電流信號輸入端連接； 所述取樣單元通過電阻R7、R6組成的衰減器對電壓信號進行分壓衰減，R7的一端連接到本裝置的輸出端B端，R7另一端與R6 —端連接，R6的另一端連接到本裝置的另一輸出端A端；R7與R6的連接端連接到控制單元的電壓信號輸入端；或R7與R6的連接端通過放大器后再連接到控制單元的信號輸入端。
4.根據權利要求1所述一種內燃機驅動的逆變發電裝置，其特征在于:所述整流單元增加相線尖峰電壓吸收電路，具體為:發電機的輸出三相線分別連接二極管D8、D9、DlO的正極，電阻R8和電容C6并聯后，一端與二極管D8、D9、DlO的負極連接，另一端與整流電橋的可控硅SCRl的負極連接， 或與二極管D5正極端連接。
5.根據權利要求1所述一種內燃機驅動的逆變發電裝置，其特征在于:所述輸出濾波單元由LC濾波電路構成。
6.根據權利要求1-5任一項所述一種內燃機驅動的逆變發電裝置，其特征在于:本裝置設置有與所述微控制器連接的溫度傳感器，當溫度傳感器檢測到的溫度大于預設值時，則通過減小輸出電壓來減小輸出功率。
7.一種內燃機驅動的逆變發電裝置的逆變控制方法，其特征在于，包括:整流單元對發電機輸出的電壓進行整流，并將整流后的電壓輸入逆變單元的電源輸入端; 逆變單元中逆變橋4個臂的功率開關晶體管分別接收控制單元產生的4路頻率為f的PWM信號，從而輸出頻率為2f的PWM電壓波； 輸出濾波單元對逆變單元輸出的頻率為2f的PWM電壓波進行濾波，然后輸出； 取樣單元對輸出濾波單元的輸出進行電壓和電流取樣，并對取樣的電壓信號進行衰減后，輸入到控制單元的電壓信號輸入端，對取樣的電流信號進行放大后，輸入到控制單元的電流信號輸入端； 控制單元對所述電壓信號和電流信號進行模數轉換，計算獲得電壓和電流的有效值或平均值；然后將該有效值或平均值與預設的目標值進行比較而獲得偏差，根據該偏差和預存的正弦表值進行PI調節計算，將PI調節計算的結果輸入PWM信號發生器中，產生兩路互補的PWM信號，再將PI調節計算的結果進行移相180°的計算后的結果輸入另一 PWM信號發生器中，產生另兩路互補的PWM信號，從而得到4路頻率為f的PWM信號。
8.根據權利要求7所述一種內燃機驅動的逆變發電裝置的逆變控制方法，其特征在于:所述控制單元實時檢測發電機的輸出電壓，以及當前發電機轉速，判斷發電機的功率是否充足，如果不足，則控制輸出電壓降低。
9.根據權利要求7所述一種內燃機驅動的逆變發電裝置的逆變控制方法，其特征在于:設置溫度傳感器，當溫度傳感器檢測到的溫度大于預設溫度時，則降低輸出電壓，直到關閉輸出。
【文檔編號】H02M5/458GK103701334SQ201310752010
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】何林, 陳斌 申請人:重慶力華科技有限責任公司