專利名稱：計算正弦電壓波形峰值或有效值的電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號計算電路，特別是一種包含在電源電路中的應(yīng)用于功率因素增強(qiáng)電路的信號傳感及計算電路，電源電路工作于提供正弦或近似正弦電壓波形的交流線路中。
直接脫開交流線路工作的電源一般包括一輸入整流器，它轉(zhuǎn)換輸入的交流線電壓為直流電壓。該直流電壓一般加給電儲存電容器，該電容連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端，該轉(zhuǎn)換器在其輸入端轉(zhuǎn)換此直流電壓為另一電平的直流電壓。整流器和儲存電容器的固有工作特性改變了整流器輸入端上的輸入電流波形。該波形的畸變產(chǎn)生諧波被反饋到交流線路上，進(jìn)而引起嚴(yán)重的電磁干擾IEMI)發(fā)射，以及在交流配電網(wǎng)中不必要的電力損失。
其它應(yīng)用中，電源可以直接脫開交流線路工作，來驅(qū)動一個變頻器以提供與交流線路不同頻率的信號。輸入波形可能畸變引起上述問題。
輸入電流波形的畸變可利用有源功率因數(shù)控制器和變換器得到控制，變換器如升壓變換器設(shè)置在整流器和存儲電容器之間，以便有效地控制輸入電流波形。有源轉(zhuǎn)換裝置受監(jiān)控輸入電壓波形的控制電路的控制?？刂蒲b置在比交流線路頻率高的高頻上調(diào)制傳導(dǎo)周期，以便迫使輸入電流的波形與輸入電壓的波形一致，或與輸入電壓波形的基頻正弦波形一致。
有源功率因數(shù)控制網(wǎng)絡(luò)一般感受電源電路的輸入和輸出信號參數(shù)，并利用響應(yīng)這些信號參數(shù)的有選擇性地通斷電源開關(guān)或調(diào)制的脈沖寬度，來迫使輸入電源與要求的電流波形一致。在美國專利4,412,277中公開的一個具體裝置中，被整流的輸入電壓波形與表示輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓偏差的誤差電壓相乘。產(chǎn)生的控制信號被適當(dāng)換算用于控制驅(qū)動電源開關(guān)的調(diào)制脈沖，以提供要求的輸入電流波形。在美國專利4,677,366中公開的更復(fù)雜的功率因數(shù)控制器中，增加前饋控制器為了改變輸入交流有效值的快速變化。這通常被用于由輸入電壓有效值的平方逆換算設(shè)定的輸入電流。
現(xiàn)有方案中的缺陷是存在可感受的電波形中的紋波影響，它在控制電路操作中具有不希望有的影響，結(jié)果導(dǎo)致設(shè)定輸入電流波形的不精確測定。目前處理紋波電流的技術(shù)是延長功率因數(shù)補(bǔ)償電路的響應(yīng)時間，結(jié)果引起輸入電壓中大量瞬變信號，除非使用大的輸出電荷儲存電容器。
在產(chǎn)生校正電流波形方面控制器的成功取決于導(dǎo)出或計算出輸入電壓Vrms2值或等效Vpeak2值使用的速度和精度，因?yàn)樵诳刂粕龎鹤儞Q器的有源電源開關(guān)中使用該控制器。該參考一般通過全波整流輸入的交流正弦波，濾波已整流正弦波再自乘已濾波信號而得到。此項(xiàng)技術(shù)具有電路和其固有操作簡單的優(yōu)點(diǎn)的同時，具有這樣的缺陷，要求設(shè)計要在所得到的平方電壓中的紋波和電路能夠響應(yīng)輸入電壓動態(tài)變化所具有的速度之間，作出折衷的選擇。
一種用于計算或?qū)С鼍€電壓Vac的Vrms2和Vpeark2值的計算電路，由于利用了其輸出跟蹤輸入電壓波形基波的受控諧波振蕩器，該電路提供了這些信號的快速響應(yīng)時間和完全無紋波數(shù)值。兩個異相(相位相差π/2)正弦波信號從輸入正弦波中得出，這兩個異相信號被平方再相加，以快速響應(yīng)時間導(dǎo)出或計算要求的正弦波形峰值平方。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的計算電路包括兩個積分器，具有增益，被串聯(lián)連接成全閉合回路。第二積分器的輸出與檢測的交流(AC)線路正弦波電壓Vac相加然后反饋到至少兩個積分器之一的輸入端。每單個積分器的輸出都是一個電壓正弦波，它與另一積分器的輸出在相位上相差π/2，與輸入實(shí)質(zhì)上為正弦波的電壓Vac同步。積分器的每個輸出都被一個相關(guān)的平方律電路平方。兩個平方律電路之一的每一個輸入與另一平方律電路的輸出相加，產(chǎn)生要求的Vpeak2或Vrms2的數(shù)值。
對于在特定領(lǐng)域工作設(shè)計的整流器，交流線路頻率是精確已知的，通常為50Hz或60Hz，上述計算電路同時也是在先技術(shù)。然而對于為工作于無電路調(diào)節(jié)的不確定線路頻率的應(yīng)用場合而設(shè)計的計算電路，根據(jù)本發(fā)明一個合適的反饋回路可以加到計算電路，以適應(yīng)不同或變化的線路頻率。
根據(jù)本發(fā)明，該計算電路包含在功率因數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制裝置中，并被用來產(chǎn)生控制輸入?yún)?shù)(Vpeak2和信號頻率)的實(shí)質(zhì)上無紋波的計算，由于利用實(shí)質(zhì)上無紋波信號控制一個升壓、反向、SEPIC或其他相關(guān)型的變換器，使得在輸入端到直接脫開交流線路驅(qū)動的整流電路提高了功率因數(shù)。另外，積分器的輸出與輸入交流電壓同相位，它也能被用作控制輸入信號，精確表示理想交流輸入電壓波形特征，控制功率因數(shù)調(diào)節(jié)器減少輸入諧波以便減少經(jīng)整流器的輸入交流線電壓的失真。
峰值平方計算電路的功能等效變化可以由采取上述線性變換來處理設(shè)計。例如，電路變換可被容易地設(shè)計，其中積分器增益不相同，或?qū)С龅恼倚盘栂辔徊幌嗖瞀?2。為了產(chǎn)生交流輸入電壓峰值平方的無紋波計算，現(xiàn)在就要求一個更廣義的二次項(xiàng)運(yùn)算，其中信號的乘積像不同增益信號的平方一樣也被利用。這些派生電路對于上述的基本電路仍然是功能等效的。
另外，上述處理的實(shí)現(xiàn)可以由數(shù)字計算機(jī)，或是數(shù)字計算機(jī)和模擬電路共用的混合方式來實(shí)施。
圖中

圖1為計算電路的功能原理圖，用于確定所加交流電壓的峰值平方值和精確表示理想正弦交流入電壓信號的幅度；圖2為計算電路功能原理圖，用于確定除圖1電路得出的信號之外，確定所加交流電壓基頻正弦波的頻率；圖3為說明計算電路實(shí)例的原理圖，其結(jié)構(gòu)適用于脫開交流線路驅(qū)動的功率因數(shù)控制整流電路；圖4為說明脫開交流線路驅(qū)動的整流器實(shí)例的原理圖，在功率因數(shù)控制電路中使用這樣的計算電路；圖5為積分器原理圖，該積分器能用于圖1電路中，適應(yīng)兩種輸入線路頻率；圖6為能夠使用于圖1積分器的電路自動響應(yīng)不同頻率輸入的電路原理圖；以及圖7為與圖6電路結(jié)合的計算電路的原理圖，允許該計算電路自動地選擇積分器增益用于不同的頻率輸入。
圖1的計算電路包括串接并處在一個實(shí)質(zhì)上閉合的反饋回路103中的第一和第二積分器101和102，以構(gòu)成—可控諧波振蕩器。用在這里的所謂“可控諧波振蕩器”術(shù)語是指產(chǎn)生可調(diào)振幅和相位的正弦波振蕩信號的振蕩器。一實(shí)質(zhì)上為正弦波交流電壓波形加到輸入端105。
兩個積分器101和102可由連接成積分器，并各自具有增益ω的運(yùn)算放大器構(gòu)成。ω值由輸入正弦交流電壓波形基波的角頻率確定。這些積分器101和102每一個對加到其輸入端的正弦波形的伏—秒值進(jìn)行積分。能對輸入電壓波形的伏—秒值進(jìn)行積分的等效電路(即，數(shù)字，混合電路等)也可以使用。
這些積分器以級聯(lián)方式連接，因此積分器102的輸入是積分器101的正弦輸入的積分并且，因此與加到輸入端105的輸入正弦電壓波形同相位。積分器102的輸出與加到輸入端105的交流正弦電壓相加。
第二積分器102的輸出信號以相反符號加到第一積分器101的輸入，形成可控諧波振蕩器的閉合反饋回路。
引線105上的輸入正弦信號和積分器102的輸出在加法電路107中相加，相加的和送到兩個增益電路111和113。包括這些增益電路為的是允許積分器102的輸出以快的時間響應(yīng)追蹤輸入交流電壓基波的振幅和頻率。通過控制計算器(即觀測器)的電極的配置，選擇增益電路111和113的增益(“a”和“b”)，來控制可調(diào)諧波振蕩器(例如包括在反饋回路103內(nèi)的串聯(lián)連接的積分器101和102)的時間響應(yīng)。用于說明實(shí)施例的適合數(shù)值可為a＝1，b＝0這些數(shù)值只為舉例說明，在具體應(yīng)用中不是最佳的。
求和電路107的輸出隨同增益電路111的增益b(設(shè)“b”為零以外的有限數(shù)值)加到求和電路109，在此與積分器1102為輸出相加，相加的和接到積分器101的輸入端。如果“b”等于零就是開環(huán)連接，沒有增益施加到積分器102。增益“b”不能設(shè)置為零以便調(diào)節(jié)可控諧波振荷瞬態(tài)響應(yīng)的形式。增益數(shù)值“a”和“b”的適當(dāng)選擇對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，在此不中詳述。積分器101的輸出接到求和電路110，求和電路將積分器101的輸出與由增益電路113的增益放大的積分器102的輸出相加。求和電路的輸出接到積分器102的輸入端。
出現(xiàn)在結(jié)點(diǎn)125和126的所要求的結(jié)果信號是兩個基波頻率、相位彼此相差π/2的正弦信號。結(jié)點(diǎn)125和126上的這兩個正弦信號接到平方律電路115和117，該平方很電路提供兩個以代數(shù)平方值形式的正弦信號幅值。
平方律電路115和117的輸出的接到求和電路119，在輸出引線121上產(chǎn)生一個表示加到端點(diǎn)105的輸入正弦電壓波形的峰值平方的純代數(shù)信號幅值，輸出端121上的這個輸出幅值表示輸入電壓Vac的基波的Vpeak2值，無任何施加的有效的紋波。由計算電路得出的這個幅值歸因于三角關(guān)系，對于任意θ值Cos2(θ)+Sin2(θ)＝1θ在功能上被包括在電路中。
該電路在圖2中被加以擴(kuò)展，以得到施加于輸入引線105的輸入信號Vac的基波頻率。在此方案中，兩個平方律電路115和117的輸出，經(jīng)由引線240和241加到積分器225。這些輸出在積分器225中結(jié)合，積分器225被設(shè)計為具有可選擇的增益“d”，以提供長的一般為1秒或更長的響應(yīng)時間。這個積分連同積分器101和102增益調(diào)節(jié)求出輸入Vac的基波頻率ω的數(shù)值，并將該數(shù)值于加到輸出引線226上。該數(shù)值ω經(jīng)由引線222反饋到積分器201和202。
增益電路211和213的可選增益“a”和“b”的數(shù)值在實(shí)施例中被選擇，以調(diào)節(jié)可控諧波振蕩器的瞬變響應(yīng)時間的瞬變參考。
如所示輸出引線227供直接從積分器202的輸出端得出基頻正弦波形(εSin(ωt))的數(shù)值。該基頻數(shù)值在一些用于功率因數(shù)提高的控制方式中是有用的。
圖1的采用常規(guī)模擬電路元件的峰值計算電路實(shí)施例表示在圖3中。圖3中的電路包括兩個運(yùn)算放大器301a和302a，每個都有適當(dāng)?shù)姆答侂娐肥顾鼈儼捶e分器301和302工作，并且進(jìn)一步由反饋回路303相互連接成閉合回路，構(gòu)成可控諧波振蕩器。
正弦線路電壓加到輸入端305和335，并經(jīng)運(yùn)算放大器306及電阻網(wǎng)絡(luò)307耦合到積分器302，電阻網(wǎng)絡(luò)工作使該電壓與積分器301的輸出相加，經(jīng)為求和電路307的一部分的電阻器307a，接到積分器302的運(yùn)算放大器302a。這些電阻器與運(yùn)算放大器302a的反饋電路302c相結(jié)合執(zhí)行要求的求和及積分功能。
該電路包括兩個可市購的乘法器芯片315和317(如M1495)，它們外部連接來對提供的信號本身作乘法運(yùn)算，也就是對信號作平方運(yùn)算。連接的詳細(xì)說明由乘法器芯片數(shù)據(jù)來決定，這里不詳述。乘法器芯片315響應(yīng)經(jīng)引線335供給它的積分器301的輸出。乘法器芯片317經(jīng)由積分器302的引線337接收其來自積分器302的輸入。乘法器芯片315和317的輸出經(jīng)引線345和347耦合到求和電路318(例如—運(yùn)算放大器連接成對兩個輸入端求和，該和電路提供要求的正弦輸入電壓的基波的峰值平方值于其輸出端321上。
圖1所示計算電路的應(yīng)用以示意圖形式表示在圖4中，它表示了一個典型的功率因數(shù)增強(qiáng)統(tǒng)。該功率因數(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)包括一個整流器403，一個升壓變換器405和一個控制電路417，控制電路響應(yīng)來自如圖1或圖2所示運(yùn)算器的輸入。輸入交流電壓接到輸入端401和402，由整流器403執(zhí)行全波整流。整流后的信號施加到升壓變化器，該升壓變換器包括一個電感器406，一個可控電源開關(guān)407，一個整流二極管408和一個電荷儲存電容器409。電源開關(guān)在控制電路417的控制下作用，以便脈寬調(diào)制受到整流的正弦波，使輸入電流波形被迫追蹤供給輸入端401和402的輸入交流電壓的基波正弦波。正弦波電流施加于儲存電容器409和輸出端431和432。
輸入交流電壓經(jīng)傳感引線411和412由計算器414傳感。計算器414在引線421上得出平方峰值電壓，并以上述方式在引線422得出最佳基頻正弦波信號。升壓變換器405的輸出電壓也經(jīng)引線418施加到控制電路。這三個輸入信號能使控制電路脈寬調(diào)制升壓變換器405的電源開關(guān)，以產(chǎn)生要求的電流波形。
上述計算器被設(shè)計為在特定輸入交流信號頻率上工作。然而期待用一個信號電路單元提供在不同頻率上運(yùn)行計算器。
對于能用于50Hz或60Hz的整流器，圖2中積分器201和202的增益僅需要分別選擇設(shè)定在2π50或2π60的增益。圖5中表示了一種具有步進(jìn)調(diào)整增益提供2π50和2π60增益的典型積分器。連接到積分器510的兩個串聯(lián)連接的輸入電阻522和523被設(shè)置來提供特定工作頻率增益。該增益可作為圖5中積分器電路510的可選擇增益，利用開關(guān)521短路電阻器522來實(shí)現(xiàn)。開關(guān)521對50Hz運(yùn)行是斷開的，而對60Hz運(yùn)行是閉合的。
在圖6所示實(shí)施例中，開關(guān)521由兩個串接但極性相反的場效應(yīng)管601和602構(gòu)成。圖6表示一種典型的控制器，以取代圖2所示的積分器225。它響應(yīng)圖1中平方電路115和117輸出131和132工作，以控制場效益管601和602的柵極。運(yùn)算放大器605提供要求的增益R2a/R1a＝R2b/R1b，以在引線620上提供輸出電壓，它表示圖1計算電路的相對于EmSin(ωt)的輸入頻率頻率誤差。運(yùn)算放大器605的典型增益應(yīng)是每赫茲負(fù)一伏。如果開關(guān)601和602對50Hz運(yùn)行是斷開的以及如果一個60Hz輸入電波形加到該計算器，那么-10V輸出產(chǎn)生在運(yùn)算放大器605的引線602上。圖6中電容器622和623可以被選擇來提供一秒或更長的響應(yīng)時間，利用這樣一種事實(shí)，即輸入頻率難得發(fā)生突然改變。
圖6電路的工作如以下描述。如果圖1的計算器工作在50Hz，那么引線621的電壓約-15伏，引線620上的電壓接近零。引線622的電壓可-5伏，它由分壓電阻640和641的比值來決定。開關(guān)601和602都斷開(即場效應(yīng)管截止)。
如果輸入交流頻率變到60Hz，那么來自平方器117的(即引線132)電壓小于來自115(即引線131)的電壓，并且引線620上的電壓降到-10伏。該電壓表示+10Hz頻率誤差。比較器607轉(zhuǎn)換其引線621上的輸出電壓到+15伏，從而閉合601和602(即場效應(yīng)管導(dǎo)通)，在引線620上的電壓恢復(fù)到接近零。在引線622上的電壓為+5伏，維持比較器607在引線621上的輸出電壓在+15伏。
借助于用增加數(shù)字一模擬變換器或全模擬乘法器如基于Gilbert乘法單元的乘法器來調(diào)整積分器201和202的增益，更精巧的控制積分器201和202增益并適應(yīng)輸入頻率連續(xù)變化的電路能連同圖2電路一起應(yīng)用。微處理器控制器也可用來提供有效方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化輸入頻率的控制器。
能夠完全工作在50Hz和60Hz環(huán)境下的計算器實(shí)例表示在圖7中。該計算電路基本上圖1電路，它已據(jù)圖6電路加以改進(jìn)。根據(jù)描述圖1和圖6的上述討論其工作過程是顯然的。它包括輸出端721，提供峰值平方電壓和輸出端727，提供基頻頻率的正弦波形電壓。
權(quán)利要求
1.一種用于從實(shí)質(zhì)為正弦波形信號得到信號平方值的計算電路，其特征是第一和第二積分器(101，102)彼此串聯(lián)連接，在一實(shí)質(zhì)為閉合的回路中第一積分器的輸出耦合到第二積分器的輸入，第二積分器的輸出耦合到第一積分器的輸入；一求和電路(107)，包括用于接收實(shí)質(zhì)正弦波形信號的輸入端和接收第二積分器輸出的第二輸入端；用于將第一求和電路的輸出耦合到連接到第二積分器的閉合反饋回路中的裝置；連接的第一和第二信號電平平方電路(115，117)，分別平方第一和第二積分器的信號輸出；以及第二求和電路(119)，它用于合并第一和第二信號電平平方電路的輸出信號，以及一輸出端(121)，用于提供輸入實(shí)質(zhì)為正弦波形信號的平方值。
2.如權(quán)利要求1的一種為從實(shí)質(zhì)為正弦波形得到信號平方值的計算電路，進(jìn)一步包括用于插入增益的第一裝置(111，109)，在該裝置中用于將第一求和電路的輸也耦合到為第一和第二積分器所共有的閉合回路中，其輸出端接第一積分器輸入端；用于插入增益的第二裝置(113、110)，在該裝置中用于將第二求和電路的輸出耦合到為第一和第二積分器所共有的閉合回路中，其輸出端接第二積分器輸入端。
3.如權(quán)利要求2的一種為從實(shí)質(zhì)為正弦波形得到信號平方值的計算電路，進(jìn)一步包括插入增益的第一和第二裝置，包括增益源(111，113)和求和電路(109，110)，連接在反饋回路中。
4.一種計算實(shí)質(zhì)為正弦波形信號平方峰值的方法；其特征步驟積分正弦波形信號，產(chǎn)生第一積分值；積分第一積分值，產(chǎn)生第二積分值；平方第一積分值，產(chǎn)生第一平方值；平方第二積分值，產(chǎn)生第二平方值；相加第一平方值和第二平方值，產(chǎn)生一個代表實(shí)質(zhì)為正弦波形信號的一個非周期性的幅值。
5.如權(quán)利要求4的一種計算實(shí)質(zhì)為正弦波形信號平方峰值的方法，進(jìn)一步包括步驟在其第一積分步驟之前用可控的增益放大實(shí)質(zhì)為正弦的波形信號。
6.如權(quán)利要求5的一種計算實(shí)質(zhì)為正弦波形信號平方峰值的方法，進(jìn)一步包括步驟合并和積分第一和第二平方值，產(chǎn)生一個表示實(shí)質(zhì)為正弦波形信號基波頻率的數(shù)值。
7.如權(quán)利要求6的一種計算實(shí)質(zhì)為正弦波形信號平方峰值的方法，進(jìn)一步包括；放大步驟包括選擇插入的增益，用選擇的一個數(shù)值插入，以便控制有源功率因數(shù)增強(qiáng)電路的所要求的的電路導(dǎo)納，該計算電路與功率因數(shù)增強(qiáng)電路協(xié)同工作。
全文摘要
計算電路計算線路電壓Vac的Vrms
文檔編號H02M1/42GK1109607SQ9410901
公開日1995年10月4日 申請日期1994年6月24日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月25日
發(fā)明者馬克·E·雅各布斯, 理查德·W·法林頓, 威廉·P·威爾金森 申請人:美國電報電話公司