一种多极军用供电设备的制作方法

1.本发明涉及供电领域，具体涉及一种多极军用供电设备。


背景技术：

2.近年来随着电力科学技术的不断发展，各种规格的电子器件和蓄电池不断出现，与之相匹配的各类电源供电设备的需求也在不断提高。在军队装备领域，随着新型无人机、蓄电池、通讯器材的不断出现以及设备的跟新换代，军队装备领域对于供电电源的需求类型多元化，尤其在野战过程中，常常需要各种不同类型的供电电源对各类用电装备进行供电。
3.现有的军用车载发电机组大都为大功率交流电发电机组，按照原有设备的电压等级设置了与原有设备配套的供电设备，在新设备和原有设备电压等级不一致的情况下无法满足需求，不能适应新设备的供电需要。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种多极军用供电设备，能够将车载发电机组发出的大功率交流电根据设备的需要变换成大功率交流电、大功率直流电和小功率可调直流电，满足各种不同类型的供电需求。
5.一种多极军用供电设备，包括大功率交流电单元、大功率直流电单元、小功率可调直流电单元和第一apf单元；所述大功率交流电单元的输入端与交流电源的输出端相连，所述大功率交流电单元的输出端与交流负载；所述大功率直流电单元的输入端与交流电源的输出端相连，所述大功率直流电单元的输出端与第一直流负载相连；所述小功率可调直流电单元的输入端与交流电源的输出端相连，所述小功率可调直流电单元的输出端与第二直流负载相；所述第一apf单元的输入端和输出端与所述大功率交流电单元的输入端相连。
6.优选地，所述大功率交流电单元包含第一滤波器和静态开关，所述第一滤波器和所述静态开关的输入端、与交流电源的输出端相连；所述第一滤波器的输出端与功率电路、直流充电电路和第一检测电路的输入端相连；所述功率电路的输出端与第二滤波器的输入端相连；所述第二滤波器的输出端与第二检测电路和静态开关的输入端相连；所述静态开关的输出端与交流负载相连；所述直流充电电路的输出端与直流辅助电源的输入端相连，所述直流辅助电源的输出端与所述功率电路的输入端相连；所述第一检测电路和所述第二检测电路的输出端与第一控制电路的输入端相连；所述第一控制电路的输出端与第一驱动电路、所述功率电路和第一显示器的输入端相连；所述第一驱动电路的输出端与所述功率电路的输入端相连。
7.优选地，所述功率电路包含pfc驱动电路、pfc整流电路、dc/dc电路和第一逆变器；所述pfc驱动电路的输入端与第一控制电路的输出端相连，所述pfc驱动电路的输出端与所述pfc整流电路的输入端相连；所述pfc整流电路的输入端与第一滤波器的输出端相连，所述pfc整流电路的输出端与所述第一逆变器的输入端相连；所述dc/dc电路的输入端与所述
直流辅助电源的输出端相连，所述dc/dc电路的输出端与所述第一逆变器的输入端相连；所述第一逆变器的输入端与所述第一驱动电路的输出端相连；所述第一逆变器的输出端与所述第二滤波器的输入端相连。
8.优选地，所述第一逆变器为三相全桥逆变器；所述第一控制电路包含tms320lf2407；所述第一检测电路和所述第二检测电路均为电压电流检测电路；所述第一显示器通过labview平台显示所述第一检测电路检测到的第一电流和第一电压，所述第二检测电路检测到的第二电流和第二电压。
9.优选地，所述大功率直流电单元包含第三滤波器，所述第三滤波器的输入端与交流电源的输出端相连，所述第三滤波器的输出端与第一整流滤波器和交流电辅助电源的输入端相连；所述整流滤波器的输出端与第二逆变器的输入端相连；所述第二逆变器的输出端与第二整流滤波器的输入端相连；所述第二整流滤波器的输出端与第一直流负载和第三检测电路的输入端相连；所述交流电辅助电源的输出端与第二控制电路和保护电路的输入端相连；所述第二控制电路的输出端与所述第二逆变器和第二显示器的输入端相连；所述保护电路的输出端与所述控制电路的输入端相连；所述第三检测电路的输出端与所述第二控制电路和所述保护电路的输入端相连。
10.优选地，所述第二控制电路包含tms320lf2407；所述第二显示器通过labview平台显示所述第三检测电路检测到的第三电流和第三电压。
11.优选地，所述小功率可调直流电单元包含变压器、第四逆变器、稳压器、第一电阻r1和电位器r2；所述变压器的原边与交流电源的输出端相连，所述变压器的副边与第四逆变器的输入端相连；所述第四逆变器的输出端正极与三端稳压器的输入端相连；所述三端稳压器的输出端与第一电阻r1的一端和第二直流负载的正极相连，所述三端稳压器的接地端与所述第一电阻r1的另一端相连；所述第一电阻r1的另一端与所述电位器r2的一个固定端相连；所述电位器r2的滑动端与所述第四逆变器的输出端负极相；所述第四逆变器的输出端负极与第二直流负载的负极相连。
12.优选地，还包含第一电容c1和第二电容c2；所述第一电容c1并联在所述第四逆变器的输出端；所述第二电容c2的一端与所述三端稳压器的输出端相连，所述第二电容c2的另一端与所述电位器r2的滑动端相连。
13.优选地，所述第四逆变器为桥式逆变器。
14.优选地，所述稳压器为7805。
15.本发明的有益效果是：
16.1、本发明采用基于pwm控制技术的三相交直交电压系统作为交流变频的主电路模块，控制性能好，具有大功率电压变化、输入功率因数校正和谐波控制的能力，可以实现军队野外和后勤当中各种交流电源的不间断供电。
17.2、本发明采用基于dsp芯片设计pwm交直电压系统作为大功率直流供电的主电路模块，变流性能稳定，系统设备简单且高效，电磁兼容性和谐波控制能力强，方便技术扩展，可以实现军队野外和后勤中各种大功率直流电源的不间断供电。
18.3、本发明采用基于7805设计交直电压系统作为小功率直流供电的主电路模块，变流性能稳定、可靠，输出的直流电压抗干扰能力强，并且直流输出可以在4v～25.2v的范围内连续可调，为军队、野外营地不同类型的电池充电提供了可能。
19.4、本发明采用第一apf单元来消除滤除大功率交流电单元的多次及高次谐波，不会引起大功率交流电单元谐振，保证设备的稳定性，提高供电质量。
20.5、本发明采用在第一显示器上通过labview平台显示所述第一检测电路检测到的第一电流和第一电压，所述第二检测电路检测到的第二电流和第二电压，方便工作人员的使用。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，但所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，而不是本发明的全部实施例。
22.图1为本发明的结构示意图；
23.图2为传统pwm控制系统示意图；
24.图3为本发明大功率交流电单元的基于dsp控制的三相整流逆变控制系统示意图；
25.图4为本发明大功率直流电单元的pwm型开关电源控制原理图；
26.图5为本发明大功率直流电单元的程序流程图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
28.实施例一：
29.如图1所示，多极军用供电设备包括大功率交流电单元和第一apf单元；所述大功率交流电单元的输入端与交流电源的输出端相连，所述大功率交流电单元的输出端与交流负载相连；所述第一apf单元的输入端和输出端与所述大功率交流电单元的输入端相连。
30.所述大功率交流电电单元包含第一滤波器和静态开关，所述第一滤波器和所述静态开关的输入端与大功率交流电电源的输出端相连；所述第一滤波器的输出端与功率电路、直流充电电路和第一检测电路的输入端相连；所述功率电路还包含第一电容c1和第二电容c2；所述第一电容c1并联在所述第四逆变器的输出端；所述第二电容c2的一端与所述三端稳压器的输出端相连，所述第二电容c2的另一端与所述电位器r2的滑动端相连路的输出端与第二滤波器的输入端相连；所述第二滤波器的输出端与第二检测电路和静态开关的输入端相连；所述静态开关的输出端与大功率交流电负载相连；所述直流充电电路的输出端与直流辅助电源的输入端相连，所述直流辅助电源的输出端与所述功率电路的输入端相连；所述第一检测电路和所述第二检测电路的输出端与第一控制电路的输入端相连；所述第一控制电路的输出端与第一驱动电路和所述功率电路的输入端相连；所述第一驱动电路的输出端与所述功率电路的输入端相连。
31.所述功率电路包含pfc驱动电路、pfc整流电路、dc/dc电路和第一逆变器；所述pfc驱动电路的输入端与第一控制电路的输出端相连，所述pfc驱动电路的输出端与所述pfc整流电路的输入端相连；所述pfc整流电路的输入端与第一滤波器的输出端相连，所述pfc整
流电路的输出端与所述第一逆变器的输入端相连；所述dc/dc电路的输入端与所述直流辅助电源的输出端相连，所述dc/dc电路的输出端与所述第一逆变器的输入端相连；所述第一逆变器的输入端与所述第一驱动电路的输出端相连；所述第一逆变器的输出端与所述第二滤波器的输入端相连。
32.所述第一逆变器为三相全桥逆变器；所述第一控制电路包含tms320lf2407；所述第一检测电路和所述第二检测电路均为电压电流检测电路；所述第一显示器通过labview平台显示所述第一检测电路检测到的第一电流和第一电压，所述第二检测电路检测到的第二电流和第二电压。
33.如图2所示，一般pfc整流控制器通常有两个反馈回路，外部电压环路和内在电流环路。电压调节器产生电流控制的d轴电流，而在q轴电流控制是零的单位功率因数。在正常工作条件下，稳压器输出稳定的直流母线电压和d轴电流控制，但是逆变器负荷不均衡，就会产生波动的直流电压，因此整流器在不平衡负载下会造成前端总谐波失真的输入电流。
34.如图3所示，系统由推动型的前端整流器、直流链接、电压源逆变器构成。这两个功率转换器使用标准的空间矢量pwm控制，产生快速电压调节与总谐波失真最小化控制逆变器。
35.影响负载平衡分析如下。该逆变器的输入：
36.i
inv
＝sai
outa
sbi
outb
sci
outc
ꢀꢀꢀ
(1)
37.式中，sa，sb和sc是交换功能的交换机顶端的三个逆变器的开关，如下：
[0038][0039]
扩大这些功能交换，假设标准正弦相位电流如下：
[0040][0041]
式中，ak是k阶的组成部分。ak≡0的所有三角变换后，可以得出：
[0042][0043]
式中，i inv0是直流分量的逆变器输入电流；i invn是n阶部分的电流。通过公式(4)可看到，i outa＝i outb＝i outc和φa＝φb＝φc，同时有i invn＝0，如果n》0三相负载电流是平衡的。否则，交流成分存在会造成连锁反应。
[0044]
由公式(4)可以得出，考虑到固定的三相电流，i inv0仅正比a1，i inv2是一个关于a1的线性组合，a3 i inv4和a3 a5是一个线性组合。在低频率范围内，由于ak≡0所以i inv0＝0.
[0045]
根据标准空间矢量pwm，各次谐波的算法：
[0046][0047]
式中，q＝0，1，2，......
∝
；ωm是调制频率；ωc是载波频率；ωm≤ωc，a是调制指数；jv(z)是第一类bessel函数。公式(5)只适用于频率范围远远低于载波频率，此时在一次波段的载波频率可以忽略不计。m/c＝1/90适用于规定计算，并假设调制指数：a1＝1，a3＝1.142
×
10-4，a5＝3.020
×
10-8。
[0048]
在电源应用中，基本逆变器输出的标准电压频率是50hz，直流母线谐波必须是两次，可设计以制止数字带阻滤波器与已知谐波频率。在数字滤波器中，便以2n的低层和高层截止频率ω1和ω2来设计。
[0049]
dsp采用离散时间滑模控制(dsmc)，在整流电路包括输入电感可以作为一个模式lti系统和代表的状态空间。在离散时间，该系统可以被描述如下：
[0050]iin
(k 1)＝aii
in
(k) biu
pwm
(k) eiu
in
(k)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0051]
式中，输入电流i in；整流控制电压v pw m；输入电源电压vin都代表参加同步dq参照系数，ai，bi和ei，为系统确定的电路参数。鉴于当前的逆变命令i ref(k)，dsmc相当于控制式如下
[0052][0053]
输出的直流电压和pwm技术可以用来确定整流控制电压限制速度，可以得到的实际控制电压公式：
[0054][0055]
采用基于pwm控制技术的三相交直交电压系统作为交流变频的主电路模块，控制性能好，具有大功率电压变化、输入功率因数校正和谐波控制的能力，可以实现军队野外和后勤当中各种交流电源的不间断供电，进一步提高了供电质量。采用第一apf单元来消除滤除大功率交流电单元的多次及高次谐波，不会引起大功率交流电单元谐振，保证设备的稳定性，提高供电质量。采用在第一显示器上通过labview平台显示所述第一检测电路检测到的第一电流和第一电压，所述第二检测电路检测到的第二电流和第二电压，降低了监控软件的开发难度，方便工作人员的使用。
[0056]
实施例二：
[0057]
如图1所示，多极军用供电设备包括大功率直流电单元；所述大功率直流电单元的输入端与交流电源的输出端相连，所述大功率直流电单元的输出端与第一直流负载相连。
[0058]
所述大功率直流电单元包含第三滤波器，所述第三滤波器的输入端与交流电源的输出端相连，所述第三滤波器的输出端与第一整流滤波器和交流电辅助电源的输入端相连；所述整流滤波器的输出端与第二逆变器的输入端相连；所述第二逆变器的输出端与第二整流滤波器的输入端相连；所述第二整流滤波器的输出端与第一直流负载和第三检测电
路的输入端相连；所述交流电辅助电源的输出端与第二控制电路和保护电路的输入端相连；所述第二控制电路的输出端与所述第二逆变器和第二显示器的输入端相连；所述保护电路的输出端与所述控制电路的输入端相连；所述第三检测电路的输出端与所述第二控制电路和所述保护电路的输入端相连。
[0059]
所述第二控制电路包含tms320lf2407；所述第二显示器通过labview平台显示所述第三检测电路检测到的第三电流和第三电压。
[0060]
多极交流供电设备还包括第二apf单元，所述第二apf单元的输入端和输出端与所述大功率直流电单元的输入端相连；采用第二apf单元来消除滤除大功率直流电单元的多次及高次谐波，不会引起大功率直流电单元谐振，保证设备的稳定性，提高供电质量。
[0061]
如图4所示，开关k以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关k接通时，输入电源e可通过开关k和滤波电路提供给负载rl为负载提供能量；在开关k连通时，电感l、电容c4用以储存能量，在开关k断开时，储存在电感l和电容c4中的能量通过二极管d释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量。ab间的电压平均值eab可表示为：ab＝ton/t，式中，ton为开关每次接通的时间，t为开关通断的工作周期(即开关拉通时间ton和关断时间toff之和。开关接通时间和工作周期的比例改变，ab间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整ton和t的比例，便能使输出电压v0维持不变.改变接通时间ton和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法为“时间比率控制”(time ratio control，缩写为trc)。
[0062]
如图5所示，大功率直流电单元的程序流程图包含步骤如下：
[0063]
步骤1：系统初始化；
[0064]
步骤2：设置频率参数及脉冲个数；
[0065]
步骤3：条用计算子程序；
[0066]
步骤4：确定比较寄存器的值，并令i＝i 1；
[0067]
步骤5：调中断子程序，将所得比较寄存器的值存入比较寄存器，每达到一次载波周期，置位；
[0068]
步骤6：判断tc＝1是否成立，若成立执行步骤7，若不成立重新执行步骤6；
[0069]
步骤7：tc位清零；
[0070]
步骤8：调占空比子程序，并在占空比子程序结束后重新执行步骤6。
[0071]
用基于dsp芯片设计pwm交直电压系统作为大功率直流供电的主电路模块，变流性能稳定，系统设备简单且高效，电磁兼容性和谐波控制能力强，方便技术扩展，可以实现军队野外和后勤中各种大功率直流电源的不间断供电。
[0072]
实施例三：
[0073]
如图1所示，多极军用供电设备包含小功率可调直流电单元；所述小功率可调直流电单元的输入端与交流电源的输出端相连，所述小功率可调直流电单元的输出端与第二直流负载相连。
[0074]
所述小功率可调直流电单元包含变压器、第四逆变器、稳压器、第一电阻r1和电位器r2；所述变压器的原边与交流电源的输出端相连，所述变压器的副边与第四逆变器的输入端相连；所述第四逆变器的输出端正极与三端稳压器的输入端相连；所述三端稳压器的输出端与第一电阻r1的一端和第二直流负载的正极相连，所述三端稳压器的接地端与所述
第一电阻r1的另一端相连；所述第一电阻r1的另一端与所述电位器r2的一个固定端相连；所述电位器r2的滑动端与所述第四逆变器的输出端负极相；所述第四逆变器的输出端负极与第二直流负载的负极相连。
[0075]
还包含第一电容c1和第二电容c2；所述第一电容c1并联在所述第四逆变器的输出端；所述第二电容c2的一端与所述三端稳压器的输出端相连，所述第二电容c2的另一端与所述电位器r2的滑动端相连。所述第四逆变器为桥式逆变器。所述稳压器为7805。
[0076]
r1、r2的取值决定了输出电压的可调范围，当r1＝220ω，r2＝680ω时，所述小功率可调直流电单元可在5～12v稳压范围内实现输出电压连续可调。最高输出电压受三端稳压器最大输入电压及最小输入输出压差的限制，7805最高输入电压为35v，输入输出压差要保持在2v以上，因此该电路中由于稳压器的直流输入电压约为15v，所以该电路的输出电压最大值设定为12v。
[0077]
基于7805设计交直电压系统作为小功率直流供电的主电路模块，变流性能稳定、可靠，输出的直流电压抗干扰能力强，并且直流输出可以在4v～25.2v的范围内连续可调，为军队、野外营地不同类型的电池充电提供了可能。
[0078]
本发明通过设计大功率交流电单元、大功率直流电单元、小功率可调直流电单元和第一apf单元，能够将车载发电机组发出的大功率交流电根据设备的需要变换成大功率交流电、大功率直流电和小功率可调直流电，满足各种不同类型的供电需求；消除滤除大功率交流电单元的多次及高次谐波，不会引起大功率交流电单元谐振，保证设备的稳定性，提高供电质量；利用labview平台在第一显示器上显示检测到的第一电流、第一电压、第二电流和第二电压，方便工作人员使用。
[0079]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。