《一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法和裝置》是隆鑫通用動力股份有限公司於2011年3月15日申請的發明專利，該專利的申請號為201110060848X，公布號為CN102312737A，公布日為2012年1月11日，發明人是田輝、隆郁。
《一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法和裝置》所述逆變單元採用倍頻逆變技術，通過較低的開關頻率f控制逆變單元獲得2f的調製頻率，解決了低頻開關元件產生高頻調製波形的矛盾。逆變單元中的四個開關管的工作頻率相同，減輕了控制器的負擔。並且高的調製頻率使濾波單元的器件參數減小，使得整個裝置的體積更小，重量更輕，體現了該發電機的便攜性。濾波單元的器件參數減小相當於減小了發電機的輸出內抗，增加了發電機帶非線性負載的能力。
2014年11月6日，《一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法和裝置》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法和裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法和裝置
- 公布號：CN102312737A
- 公布日：2012年1月11日
- 申請號：201110060848X
- 申請日：2011年3月15日
- 申請人：隆鑫通用動力股份有限公司
- 地址：重慶市九龍坡區九龍園區華龍大道99號
- 發明人：田輝、隆郁
- 分類號：F02D29/06（2006.01）I
- 代理機構：北京集佳智慧財產權代理有限公司
- 類別：發明專利
- 代理人：逯長明、王寶筠
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
內燃機驅動發電機的組成及工作原理：參見圖1，該圖為2011年3月前已有技術中內燃機驅動發電機的結構圖。
內燃機101作為原動機驅動發電機102發電，發電機102輸出的交流電經過整流單元103整流為直流後輸出給逆變單元104，逆變單元104在控制器105的控制下將直流電逆變為需要的交流電，然後再經過濾波單元106進行濾波後提供給負載。同時，控制器105通過油門控制器107控制內燃機101的油門開度。
發明內容
專利目的
《一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法和裝置》要解決的技術問題是提供一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法和裝置，能夠使濾波單元中的器件參數減小，發電機的內抗變小，提供帶非線性負載的能力。
技術方案
《一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法和裝置》包括：將濾波單元的輸出電壓進行整流；將整流後的輸出電壓進行模數轉換後計算輸出電壓的平均值或輸出電壓的有效值；將所述輸出電壓的平均值與目標電壓值進行比較或輸出電壓的有效值與目標電壓值進行比較；根據比較結果調節兩個相位相差180度的正弦表中的正弦值的比例係數，直至輸出電壓的平均值位於目標電壓值的預設範圍內或輸出電壓的有效值位於目標電壓值的預設範圍內；所述正弦表用於產生兩個相位相差180度的正弦波，所述兩個相位相差180度的正弦波與一個三角波比較產生四路脈衝頻率為f的PWM波，所述三角波的頻率為f；所述四路脈衝頻率為f的PWM波驅動逆變單元中的開關管，以使逆變單元輸出脈衝頻率為2f的調製波。
優選地，還包括：將濾波單元的輸出電流進行正幅度值變換；將正幅度值變換後的輸出電流減去基準值；將減去基準值以後的輸出電流模數轉換後計算輸出電流的有效值；根據所述輸出電流的有效值查預設的轉速電流曲線獲得對應的目標轉速；通過控制內燃機的油門開度使內燃機的轉速達到所述目標轉速。優選地，所述濾波單元為LC低通濾波器。
該發明還提供一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變裝置，包括：輸出電壓整流單元，用於將濾波單元的輸出電壓進行整流；輸出電壓模數轉換單元，用於將整流後的輸出電壓進行模數轉換；輸出電壓計算單元，用於由模數轉換後的輸出電壓計算輸出電壓的平均值或輸出電壓的有效值；比較單元，用於將輸出電壓的平均值與目標電壓值進行比較或輸出電壓的有效值與目標電壓值進行比較；控制單元，用於根據比較結果調節兩個相位相差180度的正弦表中的正弦值的比例係數，直至輸出電壓的平均值位於目標電壓值的預設範圍內或輸出電壓的有效值位於目標電壓值的預設範圍內；所述正弦表用於產生兩個相位相差180度的正弦波，所述兩個相位相差180度的正弦波與一個三角波比較產生四路脈衝頻率為f的PWM波，所述三角波的頻率為f；所述四路脈衝頻率為f的PWM波驅動逆變單元中的開關管，以使逆變單元輸出脈衝頻率為2f的調製波。
優選地，還包括：正幅度值變換單元，用於將濾波單元的輸出電流進行正幅度值變換；減法單元，用於將正幅度值變換後的輸出電流減去基準值；輸出電流模數轉換單元，用於將減去基準值以後的輸出電流進行模數轉換；輸出電流有效值計算單元，用於由模數轉換後的輸出電流計算輸出電流的有效值；目標轉速查找單元，用於由所述輸出電壓的有效值查預設的轉速電流曲線獲得對應的目標轉速；油門開度控制單元，用於通過控制內燃機的油門開度使內燃機的轉速達到所述目標轉速。優選地，所述濾波單元為LC低通濾波器。
改善效果
該發明提供的內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法和裝置，逆變單元採用倍頻逆變技術，通過較低的開關頻率f控制逆變單元獲得2f的調製頻率，解決了低頻開關元件產生高頻調製波形的矛盾。逆變單元中的四個開關管的工作頻率相同，減輕了控制器的負擔。並且高的調製頻率使濾波單元的器件參數減小，使得整個裝置的體積更小，重量更輕，體現了該發電機的便攜性。濾波單元的器件參數減小相當於減小了發電機的輸出內抗，增加了發電機帶非線性負載的能力，使其在諧波電流嚴重的負載上保證了良好的電壓正弦度。
附圖說明
圖1是2011年3月前已有技術中內燃機驅動發電機的結構圖；
圖2是該發明提供的內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法實施例一流程圖；
圖3是該發明提供的倍頻逆變波形圖；
圖4是該發明提供的開關管的驅動信號和輸出電壓的波形圖；
圖5是該發明倍頻逆變中的電流外環PI控制方法流程圖；
圖6是該發明提供輸出電流的正幅度值變換示意圖；
圖7是該發明提供的內燃機驅動發電機的倍頻逆變裝置實施例一結構圖；
圖8是該發明提供的裝置實施例二結構圖。
1.《一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法和裝置》其特徵在於，包括：將濾波單元的輸出電壓進行整流；將整流後的輸出電壓進行模數轉換後計算輸出電壓的平均值或計算輸出電壓的有效值；將所述輸出電壓的平均值與目標電壓值進行比較，或將所述輸出電壓的有效值與目標電壓值進行比較；根據比較結果調節兩個相位相差180度的正弦表中的正弦值的比例係數，直至輸出電壓的平均值位於目標電壓值的預設範圍內或輸出電壓的有效值位於目標電壓值的預設範圍內；所述正弦表用於產生兩個相位相差180度的正弦波，所述兩個相位相差180度的正弦波與一個三角波比較產生四路脈衝頻率為f的PWM波，所述三角波的頻率為f；所述四路脈衝頻率為f的PWM波驅動逆變單元中的開關管，以使逆變單元輸出脈衝頻率為2f的調製波。
2.根據權利要求1所述的內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法，其特徵在於，還包括：將電流採集互感器採集的濾波單元的輸出電流進行正幅度值變換；將正幅度值變換後的輸出電流減去基準值；將減去基準值以後的輸出電流模數轉換後計算輸出電流的有效值；根據所述輸出電流的有效值查預設的轉速電流曲線獲得對應的目標轉速；通過控制內燃機的油門開度使內燃機的轉速達到所述目標轉速。
3.根據權利要求1或2所述的內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法，其特徵在於，所述濾波單元為LC低通濾波器。
4.一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變裝置，其特徵在於，包括：輸出電壓整流單元，用於將濾波單元的輸出電壓進行整流；輸出電壓模數轉換單元，用於將整流後的輸出電壓進行模數轉換；輸出電壓計算單元，用於由模數轉換後的輸出電壓計算輸出電壓的平均值或計算輸出電壓的有效值；比較單元，用於將輸出電壓的平均值與目標電壓值進行比較，或將所述輸出電壓的有效值與目標電壓值進行比較；控制單元，用於根據比較結果調節兩個相位相差180度的正弦表中的正弦值的比例係數，直至輸出電壓的平均值位於目標電壓值的預設範圍內或輸出電壓的有效值位於目標電壓值的預設範圍內；所述正弦表用於產生兩個相位相差180度的正弦波，所述兩個相位相差180度的正弦波與一個三角波比較產生四路脈衝頻率為f的PWM波，所述三角波的頻率為f；所述四路脈衝頻率為f的PWM波驅動逆變單元中的開關管，以使逆變單元輸出脈衝頻率為2f的調製波。
5.根據權利要求4所述的內燃機驅動發電機的倍頻逆變裝置，其特徵在於，還包括：正幅度值變換單元，用於將濾波單元的輸出電流進行正幅度值變換；減法單元，用於將正幅度值變換後的輸出電流減去基準值；輸出電流模數轉換單元，用於將減去基準值以後的輸出電流進行模數轉換；輸出電流有效值計算單元，用於由模數轉換後的輸出電流計算輸出電流的有效值；目標轉速查找單元，用於由所述輸出電壓的有效值查預設的轉速電流曲線獲得對應的目標轉速；油門開度控制單元，用於通過控制內燃機的油門開度使內燃機的轉速達到所述目標轉速。
6.根據權利要求4或5所述的內燃機驅動發電機的倍頻逆變裝置，其特徵在於，所述濾波單元為LC低通濾波器。
參見圖2，該圖為該發明提供的內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法實施例一流程圖。
該實施例提供的內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法，包括：
S201：將濾波單元的輸出電壓進行整流；由於控制器只能採集正值，因此需要對交流的輸出電壓進行整流，變換為正的輸出電壓以後才採集。
S202：將整流後的輸出電壓進行模數轉換後計算輸出電壓的平均值或輸出電壓的有效值；利用AD對模擬的輸出電壓進行模數轉換，以便於控制器可以直接識別，控制器對數字的輸出電壓進行採集後計算輸出電壓的平均值，例如，以設定的頻率採集輸出電壓，將採集的輸出電壓累加後處以採集的次數即可得到平均值。由於輸出電壓的平均值比有效值的計算要簡單，因此控制器可以單獨完成輸出電壓的平均值的計算。當然，也可以通過計算能力較強的控制器完成輸出電壓有效值的計算。
S203：將所述輸出電壓的平均值與目標電壓值進行比較或將輸出電壓的有效值與目標電壓值進行比較；
S204：根據比較結果調節兩個相位相差180度的正弦表中的正弦值的比例係數，直至輸出電壓的平均值位於目標電壓值的預設範圍內或輸出電壓的有效值位於目標電壓值的預設範圍內；所述正弦表用於產生兩個相位相差180度的正弦波，所述兩個相位相差180度的正弦波與一個三角波比較產生四路脈衝頻率為f的PWM波，所述三角波的頻率為f；所述四路脈衝頻率為f的PWM波驅動逆變單元中的開關管，以使逆變單元輸出脈衝頻率為2f的調製波。
該發明提供的內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法，逆變單元採用倍頻逆變技術，通過較低的開關頻率f控制逆變單元獲得2f的調製頻率，解決了低頻開關元件產生高頻調製波形的矛盾。逆變單元中的四個開關管的工作頻率相同，減輕了控制器的負擔。並且高的調製頻率使濾波單元的器件參數減小，使得整個裝置的體積更小，重量更輕，體現了該發電機的便攜性。濾波單元的器件參數減小相當於減小了發電機的輸出內抗，增加了發電機帶非線性負載的能力，使其在諧波電流嚴重的負載上保證了良好的電壓正弦度。
需要說明的是，該發明提供的方法由於利用輸出電壓的平均值進行判斷，因此減輕了運算負擔，使控制單元有更多的資源處理其他事件。但是平均值檢測需要輸出電壓的波形畸變在一定範圍內才能得到很好的精度，由於該發明採用了倍頻逆變方式，發電機線上性負載下波形畸變比較小，因此平均值採樣方法能夠滿足電壓調節精度的需求。
下面結合具體的波形圖詳細介紹控制逆變單元中開關管狀態的PWM波形是如何產生的。
參見圖3，該圖為該發明提供的倍頻逆變波形圖。
其中正弦波A和正弦波B是兩個相位相差180度的正弦波。
三角波C的頻率為f，從圖3中可以看出在三角波C的每個周期中，與正弦波A調製產生PWM1H，與正弦波B調製產生PWM2H。
其中PWM1H的互補波形為PWM1L；PWM2H的互補波形為PWM2L。
PWM1H、PWM1L、PWM2H和PWM2L這四個PWM波的脈衝周期也是f，用這四個PWM波驅動逆變單元中的四個開關管，以使開關管導通或關斷。需要說明的是，該實施例中的逆變單元是全橋逆變。
分別用S1、S2、S3和S4表示逆變單元中的四個開關管，則四個開關管的驅動信號的波形如圖4所示，逆變單元的輸出波形如圖4中的U所示，U便表示輸出電壓的正弦波。U的頻率已經實現了倍頻，變為了2f。
需要說明的是，三角波C是通過控制器內部的PWM產生模組來生成的。
正弦波A和正弦波B是通過控制器的內部程式實現的，具體為通過一個離散的，按照正弦變化的正弦表來實現，可以通過調整正弦波中的正弦值的比例係數來調整濾波單元的輸出電壓。
該發明通過電壓PI控制和電流PI控制同時進行控制。電壓PI控制主要是控制輸出電壓，電流PI控制主要是控制內燃機的轉速。
下面介紹如何進行電流PI控制。
參見圖5，該圖為該發明提供的倍頻逆變中的電流PI控制方法流程圖。
該實施例提供的倍頻逆變中的電流PI控制方法包括：
S501：將電流採集互感器採集的濾波單元的輸出電流進行正幅度值變換；由於濾波單元的輸出電流也是交流信號，因此為了控制器能夠採集，需要先將正負的交流信號變為正的信號。如圖6所示，輸出電流的過零點為2.5伏。
S502：將正幅度值變換後的輸出電流減去基準值；由於進行正幅度值變換時將輸出電流整體提高了2.5伏，因此需要再減去2.5伏的基準值。
S503：將減去基準值以後的輸出電流模數轉換後計算輸出電流的有效值；為了控制器能夠計算，因此需要對輸出電流進行模數轉換。
S504：根據所述輸出電流的有效值查預設的轉速電流曲線獲得對應的目標轉速；
S505：通過控制內燃機的油門開度使內燃機的轉速達到所述目標轉速。
基於上述一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法，該發明還提供了一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變裝置，下面結合具體實施例來詳細說明其組成部分。
參見圖7，該圖為該發明提供的內燃機驅動發電機的倍頻逆變裝置實施例一結構圖。
該發明提供的內燃機驅動發電機的倍頻逆變裝置，包括：輸出電壓整流單元701，用於將濾波單元的輸出電壓進行整流；輸出電壓模數轉換單元702，用於將整流後的輸出電壓進行模數轉換；輸出電壓計算單元703，用於由模數轉換後的輸出電壓計算輸出電壓的平均值或輸出電壓的有效值；比較單元704，用於將輸出電壓的平均值與目標電壓值進行比較或將輸出電壓的有效值與目標電壓值進行比較；控制單元705，用於根據比較結果調節兩個相位相差180度的正弦表中的正弦值的比例係數，直至輸出電壓的平均值位於目標電壓值的預設範圍內或輸出電壓的有效值位於目標電壓值的預設範圍內；所述正弦表用於產生兩個相位相差180度的正弦波，所述兩個相位相差180度的正弦波與一個三角波比較產生四路脈衝頻率為f的PWM波，所述三角波的頻率為f；所述四路脈衝頻率為f的PWM波驅動逆變單元中的開關管，以使逆變單元輸出脈衝頻率為2f的調製波。
該發明提供的內燃機驅動發電機的倍頻逆變裝置，逆變單元採用倍頻逆變技術，通過較低的開關頻率f控制逆變單元獲得2f的調製頻率，解決了低頻開關元件產生高頻調製波形的矛盾。逆變單元中的四個開關管的工作頻率相同，減輕了控制器的負擔。並且高的調製頻率使濾波單元的器件參數減小，使得整個裝置的體積更小，重量更輕，體現了該發電機的便攜性。濾波單元的器件參數減小相當於減小了發電機的輸出內抗，增加了發電機帶非線性負載的能力，使其在諧波電流嚴重的負載上保證了良好的電壓正弦度。
該發明通過電壓PI控制和電流PI控制同時進行控制。電壓PI控制主要是控制輸出電壓，電流PI控制主要是控制內燃機的轉速。
下面介紹如何進行電流PI控制。
參見圖8，該圖為該發明提供的裝置實施例二結構圖。
正幅度值變換單元801，用於將濾波單元的輸出電流進行正幅度值變換；
減法單元802，用於將正幅度值變換後的輸出電流減去基準值；
輸出電流模數轉換單元803，用於將減去基準值以後的輸出電流進行模數轉換；
輸出電流有效值計算單元804，用於由模數轉換後的輸出電流計算輸出電流的有效值；
目標轉速查找單元805，用於由所述輸出電壓的有效值查預設的轉速電流曲線獲得對應的目標轉速；
油門開度控制單元806，用於通過控制內燃機的油門開度使內燃機的轉速達到所述目標轉速。
所述濾波單位為LC低通濾波器。由於逆變單元輸出的電壓的頻率是2f，這樣可以減小LC低通濾波器中的電感和電容的數值，從而降低濾波單元的體積。並且L和C的數值降低相當於發電機的輸出內抗降低，因此可以提供發電機帶非線性負載的能力。
榮譽表彰
2014年11月6日，《一種內燃機驅動發電機的倍頻逆變方法和裝置》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
