技术领域
[0001] 本
发明涉及直线发
电机的输出功率变换，特别涉及高速磁浮列车的直线电机感应发电机的变频控制。
背景技术
[0002] 常导磁浮列车上用电设备(如悬浮系统、
空调或照明装置)的
电能，是通过结合在列车悬浮磁
铁中的直线发电机和车载
蓄电池提供的。为了保证列车长时间的正常工作，磁浮列车上的直线发电机必须及时给
蓄电池充电。由于直线发电机线圈上感应出来的交流电动势大小与列车的运行速度有关，因此当列车处于低速状态时，由列车上原直线发电机产生的电能不能满足车载蓄电池充足供电的需要，这样当车载蓄电池的
能量消耗完毕时，就会造成磁浮列车的停车。因此，尽可能在更低的列车速度下利用直线发电机满足列车上用电设备电能需求显得尤为重要。
[0003] 为了从发电机获取更多功率，应尽量提高直线发电机功率变换电路的有功功率，即提高功率因数。
[0004] 传统的带乘法器的有源功率因数校正电路需要检测直线发电机功率变换电路的输入
电压与输入
电流，而在实际应用中，利用发电机绕组电感作为升压电感，发电机绕组上的电压
信号不易获取，因此传统的带乘法器的功率因数校正控制技术很难采用。
发明内容
[0005] 为解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种用于功率变换电路的变频控制电路，功率变换电路连接至交流电源，用于将从交流电源获取的输入电流和输入电压变换为输出电流和
输出电压，功率变换电路具有
开关单元，变频控制电路包括单周期控制电路和
频率变换电路，其中单周期控制电路根据输入电流和输出电压，输出用于导通或关断开关单元的驱动信号，以使得通过调节开关单元的导通或关断时间而调节输入电流相对于输入电压的
相位差；并且频率变换电路将经过单周期控制电路调节的输入电流转换后输送至单周期控制电路的时钟输入端，以使得单周期控制电路的时钟输入频率正比于输入电流的频率。
[0006] 优选地，频率变换电路具有频压转换器和压频转换器，并且输入电流依次经过频压转换器和压频转换器后被输送至时钟输入端。
[0007] 优选地，频率变换电路还包括
限幅电路，限幅电路连接在压频转换器的输出端和时钟输入端之间，以将时钟输入频率限定在特定范围内。
[0008] 优选地，单周期控制电路为前沿模式的单周期控制电路或后沿模式的单周期控制电路。
[0009] 优选地，交流电源为磁浮列车的直线感应发电机，直线感应发电机包括发电绕组，随着磁浮列车的行进，发电绕组中产生具有感生电流和感生电压的电能。
[0010] 优选地，将感生电流和感生电压供给至功率变换电路以作为输入电流和输入电压，输入电流和输入电压的幅值和频率能够与磁浮列车的行进速度成正比。
[0011] 本发明第二方面提供一种磁浮列车的发电系统，包括直线感应发电机、功率变换电路和变频控制电路，其中：直线感应发电机包括发电绕组，随着磁浮列车的行进，发电绕组中产生具有感生电流和感生电压的电能；功率变换电路连接至直线感应发电机，以从直线感应发电机获取感生电流和感生电压作为输入电流和输入电压，并将输入电流和输入电压变换为输出电流和输出电压，功率变换电路具有开关单元；变频控制电路包括单周期控制电路和频率变换电路，其中单周期控制电路根据输入电流和输出电压，输出用于导通或关断开关单元的驱动信号，以使得通过调节开关单元的导通或关断时间而调节输入电流相对于输入电压的
相位差；并且频率变换电路将经过单周期控制电路调节的输入电流转换后输送至单周期控制电路的时钟输入端，以使得单周期控制电路的时钟输入频率正比于输入电流的频率。
[0012] 优选地，频率变换电路具有频压转换器和压频转换器，并且输入电流依次经过频压转换器和压频转换器后被输送至时钟输入端。
[0013] 优选地，频率变换电路还包括限幅电路，限幅电路连接在压频转换器的输出端和时钟输入端之间，以将时钟输入频率限定在特定范围内。
[0014] 优选地，输入电流和输入电压的幅值和频率能够与磁浮列车的行进速度成正比，以使得单周期控制电路的时钟输入频率正比于磁浮列车的行进速度。
[0015] 本发明采用单周期控制技术进行PWM控制，并在此
基础上实现一种基于列车速度的变频控制方法，使得磁浮列车低速行驶时，直线发电机绕组能够输出更大的电流，提高直线发电机的功率输出能
力，在较低列车行驶速度情况下满足列车用电设备的功率需求。
[0016] 与
现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0017] 1)本发明中，通过将单周期控制电路和频率变换电路相结合，能够将电感电流的频率进行变换后作为单周期控制电路的时钟输入，这样就实现了基于OCC的变频控制；既可提高直线发电机的功率因数，又可提高磁浮列车低速行驶时直线发电机输出功率；
[0018] 2)通过频压转换器对电感电流的频率进行检测并转化为电压就得到磁浮列车的速度信息，适用于磁浮列车直线发电机的结构特点，减少布线需求，降低实现难度；
[0019] 3)通过频率转电压、电压转频率电路简单实现频率变换，可容易实现任意倍频，利于选择合适的开关频率频段；
[0020] 4)通过限幅电路限制
频率范围，可确保变换电路工作在可控范围内。
附图说明
[0021] 本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所
请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。
[0022] 图1示出采用本发明变频控制电路的直线发电机功率变换电路的示意图。
[0023] 图2示出本发明第一方面的基于单周期控制技术的变频控制电路的第一
实施例。
[0024] 图3示出本发明第一方面的基于单周期控制技术的变频控制电路的第二实施例。
[0025] 图4示出本发明第二方面的磁浮列车的发电系统的直线感应发电机的示意图。
[0026] 图5示出本发明第二方面的磁浮列车的发电系统的示意图。
具体实施方式
[0027] 以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本
说明书所揭露的说明书、
权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
[0028] 图1示出功率变换电路2，可以任意选用现有技术中的功率变换电路，例如升压斩波电路，如图2所示。功率变换电路2包括整流单元21和斩波单元22，斩波单元22具有开关管S、整流
二极管D，滤波电容C。此处，功率变换电路2连接至交流电源3，从交流电源3获取输入电流和输入电压，并且将输入电流和输入电压变换为输出电流和输出电压以供给至负载，例如车载用电设备。开关管S即是本发明开关单元的示例。
[0029] 下面将依照图2和图3详细描述本发明的用于上述功率变换电路2的变频控制电路1的具体构造。其中，图2示出本发明第一方面的基于单周期控制技术的变频控制电路的第一实施例，其中单周期控制电路20为前沿调节模式的单周期控制电路。图3示出本发明第一方面的基于单周期控制技术的变频控制电路的第二实施例，其中单周期控制电路20为后沿调节模式的单周期控制电路。
[0030] 本发明第一方面第一实施例
[0031] 参见图2，变频控制电路1包括单周期控制电路20和频率变换电路10。
[0032] 单周期控制电路20
[0033] 单周期控制电路20包括依次连接的PI调节器单元21、开关积分器单元22、比较器单元23、RS触发器单元24和
反相器单元25。
[0034] PI调节器单元21包括PI调节比较器211以及反馈电路212，PI调节比较器211的一个输入端连接对应的功率变换电路2的输出电压Vout，另一个输入端接入参考电压值Vref。PI调节比较器211的输出端经过反馈电路212连接PI调节比较器211的输入端，由参考电压值Vref与输出电压Vout的差值作为PI调节比较器211的输入，即，根据功率变换电路2的输出电压Vout动态地调节。
[0035] 开关积分器单元22包括积分电容221、复位开关222及开关积分比较器223。其中，开关积分比较器223的输出端、积分电容221的一端和复位开关222的一端分别连接至比较器单元23的输入端，开关积分比较器223的一个输入端、积分电容221的另一端和复位开关222的另一端分别接地。开关积分比较器223的另一个输入端如上所述连接至PI调节比较器
211的输出端。
[0036] 在比较器单元23中，比较器单元23的一个输入端如上所述连接至开关积分比较器223的输出端、积分电容221的一端和复位开关222的一端。比较器的另一个输入端连接至反相器单元25的输出端，以接收经反相器单元25反向的直线发电机功率变换电路2的输入电流IL。如此设置使得单周期控制电路20构成为前沿模式的单周期控制电路，其能够控制开关管S的接通占空比。比较器单元23的输出端连接至RS触发器单元24的R端。
[0037] RS触发器单元24的R端如上所述连接至比较器单元23的输出端，RS触发器单元24的S端用于接收
时钟信号。RS触发器单元24的Q端连接至功率变换电路2中[0038] —开关管S的控制端，如此生成的驱动信号Ds具有稳定的开关频率，另一个输出端Q连接至开关积分器单元22中的复位开关222的控制端。
[0039] 在单周期控制电路20中，根据输入电流(电感电流)IL和输出电压Vout，输出用于导通或关断开关单元的驱动信号，以使得通过调节开关管S的导通时间和关断时间，而调节输入电流IL相对于输入电压的相位差，并且尽可能使得功率变换电路2的输入电压和输入电流同频率。
[0040] 换言之，采用单周期控制电路20能够对功率变换电路2进行功率因数校正，以使得输入电流尽可能地与输入电压同频率。与现有技术中采用的其余功率因数校正方法相比，单周期控制技术无需
采样输入电压信号，只需采样功率变换电路的输入电流IL(即输入电流，已取绝对值)和输出电压Vout信号就可以实现功率因数校正功能。现有的单周期控制技术是一种定频PWM控制技术，送至功率变换电路中开关管S的驱动信号Ds的开关频率是一个设定值，它在电路工作过程中固定不变。
[0041] 频率变换电路10
[0042] 在如上描述的单周期控制电路20的基础上，本发明的变频控制电路1还具有频率变换电路10。
[0043] 具体地，频率变换电路10具有频压转换器11、压频转换器12和限幅电路13，并且将经过单周期控制电路调节的输入电流IL依次经过频压转换器11、压频转换器12和限幅电路13后被输送至RS触发器单元24的S端，即时钟输入端。
[0044] 根据频压转换器11、压频转换器12、限幅电路13各自的作用，频压转换器11的输出电压与输入电流的频率呈正比，压频转换器12的输入电压和输出电流的频率成正比，限幅电路13能将输出频率限定在特定范围内。因此以输入电流IL作为频压转换器11的输入电流，能够将输入电流IL转换后输送至单周期控制电路20的时钟输入端，以使得单周期控制电路20的时钟输入频率正比于输入电流IL的频率，并将时钟输入频率限定在特定范围内，当输入电流IL变化时，就实现了基于OCC的变频控制。
[0045] 例如，当图1中的交流电源为磁浮列车的直线感应发电机，直线感应发电机包括发电绕组31，随着磁浮列车的行进，发电绕组31中产生具有感生电流和感生电压的电能。感生电压即为发电机绕组感应得到的电压，其幅值和频率与列车速度成正比关系。将感生电流和感生电压供给至功率变换电路2以作为输入电流和输入电压，并通过单周期控制电路20对功率变化电路1进行功率因数校正，输入电流能够与输入电压同频率，并将经过单周期控制电路20调节的输入电流供给至频率变换电路10的频压转换器11、压频转换器12和限幅电路13，则单周期控制电路20的时钟输入频率正比于输入电流频率、输入电压频率从而正比于列车速度，即，使得开关管S的开关频率与磁浮列车的速度成正比。
[0046] 此处，频率变换电路10以频率转电压、电压转频率电路的方式实现，然而频率变化电路还有其它实现方式。
[0047] 本发明第一方面第二实施例
[0048] 图3示出本发明第一方面的基于单周期控制技术的变频控制电路的第二实施例，其中单周期控制电路20为后沿调节模式的单周期控制电路。第二实施例中的频率变换电路10能够与第一实施例中的频率变换电路1具有相同的形式，且其单周期控制电路20中也包括依次连接的PI调节器单元21、开关积分器单元22、比较器单元23、RS触发器单元24，此处相同的附图标记表示相同部件。
[0049] 与第一实施例不同，第二实施例中的单周期控制电路20不包括反相器单元25，而是具有减法器单元26，减法器单元26取代本发明第一实施例的反相器单元25。即，输入电流IL输入至减法器单元26的一个输入端，PI调节比较器211的输出端连接至减法器单元26的另一个输入端，减法器单元26的输出端连接至比较器单元23的不用于连接开关积分比较器223、积分电容221和复位开关222的一个输入端，以使得单周期控制电路20构成为后沿模式的单周期控制电路，其能够控制开关管S的关断占空比。
[0050] 本发明第二方面
[0051] 图4至5示出本发明第二方面的磁浮列车的发电系统，包括直线感应发电机3、功率变换电路2和变频控制电路1。
[0052] 其中磁浮列车的直线感应发电机的横截面结构如图4所示，发电机绕组31、电
磁铁铁心32、电磁铁绕组33安装在车辆上，长
定子铁心34和定子绕组35安装在轨道上。当列车运行时，
磁场通过气隙、电磁铁铁心32及长定子铁心34形成闭合磁路，由于直线同步电机
齿槽效应的影响，将在发电机绕组31中产生感应电势，其频率及幅值与车体运行速度成比例；当列车达到一定速度时，直线发电机感应电势就可提供足够的电能，供车辆用电并对车载的蓄电池供电。
[0053] 如图5所示，交流电源为直线感应发电机3，其电压为发电机绕组31感应得到的电压，其幅值和频率与列车速度成正比关系。功率变换电路2连接至直线感应发电机3，以从直线感应发电机3获取感生电流和感生电压作为输入电流和输入电压，并将输入电流和输入电压变换为输出电流和输出电压，功率变换电路2具有开关单元；变频控制电路1具体结构参见图2和图3，包括单周期控制电路20和频率变换电路10，其中单周期控制电路20根据输入电流和输出电压，输出用于导通或关断开关单元的驱动信号，以使得通过调节开关单元的导通或关断时间而调节输入电流相对于输入电压的相位差；并且频率变换电路10将经过单周期控制电路20调节的输入电流转换后输送至单周期控制电路20的时钟输入端，以使得单周期控制电路20的时钟输入频率正比于输入电流的频率。
[0054] 优选地，频率变换电路10具有频压转换器11和压频转换器12，并且输入电流依次经过频压转换器11和压频转换器12后被输送至时钟输入端。
[0055] 优选地，频率变换电路10还包括限幅电路13，限幅电路13连接在压频转换器12的输出端和时钟输入端之间，以将时钟输入频率限定在特定范围内。
[0056] 优选地，由于输入电压的幅值和频率能够与磁浮列车的行进速度成正比，通过单周期控制电路20调节了功率变换电路2的功率因数，使得输入电流与输入电压同频率，因此输入电流的频率也能够与磁浮列车的行进速度成正比，并且经由频率变换电路10将输入电流供给至单周期控制电路20的时钟输入端，以使得单周期控制电路20的时钟输入频率正比于磁浮列车的行进速度。
[0057] 换言之，本发明一方面通过单周期控制电路20提升功率变换电路10的功率因数，使得输入电流的频率与输入电压的频率相同、且相应地与列车速度成正比。
[0058] 一方面将该与列车速度成正比的输入电流输入至采用频压转换器、频压转换器的输出电压与电感电流的频率呈正比，通过频压转换器对电感电流的频率进行检测并转化为电压就得到磁浮列车的速度信息，带有速度信息的电压通过压频转换器可以得到正比于磁浮列车速度的输出频率，然后通过限幅电路将该输出频率限定在功率变换电路适合的频段范围内，而后，这个频率作为单周期
控制器的时钟输入，从而开关单元的开关频率与磁浮列车的速度成正比，实现了变频控制。
[0059] 上述的变频控制将带来如下好处。
[0060] 由于直线感应发电机3的绕组电感L的感抗与开关频率和电感值的积成正比。电感值与悬
浮力、间隙相关，与列车行驶速度不相关，可认为基本保持不变。采用本发明的磁浮列车的发电系统，在列车低速运行时，开关频率相应较小，而使得直线感应发电机3的绕组电感L的感抗也相应较小，从而与现有技术相比，在低速时能够从直线感应发电机获得更多的功率。
[0061] 这里基于的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种
修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为
覆盖所有这些等效物。
[0062] 同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本
申请的权利要求书的范围内。
