一種階數(shù)大于1的大功率分?jǐn)?shù)階電容及其控制方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種階數(shù)大于1的大功率分?jǐn)?shù)階電容及其控制方法。大功率分?jǐn)?shù)階電容包括交流輸入電源、耦合電感、受控電壓源、控制器、電壓采樣器、電流采樣器。控制方法中控制器根據(jù)電壓采樣器和電流采樣器分別采集到的輸入電壓信號和輸入電流信號，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，控制受控電壓源的輸出電壓，使輸入電流和輸入電壓之間符合分?jǐn)?shù)階電容的電流電壓關(guān)系。本發(fā)明專利技術(shù)受控電壓源由直流電壓源與直流/交流PWM變換器構(gòu)成，具有工作特性靈活可調(diào)的特點(diǎn)，且分?jǐn)?shù)階電容功率由PWM變換器決定。本發(fā)明專利技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同功率等級的分?jǐn)?shù)階電容，可以通過設(shè)計(jì)PWM變換器的工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同功率等級的階數(shù)大于1的分?jǐn)?shù)階電容。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及分?jǐn)?shù)階器件構(gòu)造
，具體涉及一種階數(shù)大于1的大功率分?jǐn)?shù)階電容及其控制方法。
技術(shù)介紹
分?jǐn)?shù)階微積分已經(jīng)有300多年的歷史，其將微積分的階次從整數(shù)階推廣到分?jǐn)?shù)甚至復(fù)數(shù)。分?jǐn)?shù)階微積分可以更真實(shí)的揭示自然界中的一些現(xiàn)象。事實(shí)上，整數(shù)階電容器在本質(zhì)上是不存在的，它是具有分?jǐn)?shù)階性質(zhì)的元件，只是目前實(shí)際中用的電容器，大部分都是階數(shù)接于1，對于分?jǐn)?shù)階的情況可以完全忽略。但是，如果可以利用電容器的分?jǐn)?shù)階性質(zhì)，有目的的設(shè)計(jì)不同階數(shù)、容值和功率的分?jǐn)?shù)階電容，那么就可以開辟電容器的新的應(yīng)用領(lǐng)域。1964年，美國學(xué)者G.E Carlson在論文中根據(jù)分?jǐn)?shù)階微積分的定義首次使用了“分?jǐn)?shù)階電容”這個(gè)概念，并利用牛頓疊代法給出了特定階次的分?jǐn)?shù)階電容的無源電路等效模型；此后國內(nèi)外眾多學(xué)者利用傳統(tǒng)的電阻、電容、電感和運(yùn)算放大器等提出了多種構(gòu)造分?jǐn)?shù)階電容的方案，但都只能適用于毫瓦級的功率，嚴(yán)重地限制了分?jǐn)?shù)階電容在各種功率場合的應(yīng)用。也有學(xué)者基于分形幾何的概念并通過硅工藝制造分?jǐn)?shù)階電容，但只能在電容階數(shù)小于1的特定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對目前現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本專利技術(shù)提供一種階數(shù)大于1的大功率分?jǐn)?shù)階電容及其控制方法，具體是用控制器產(chǎn)生的控制信號控制受控電壓源的輸出基波電壓，使輸入電流與輸入電壓滿足分?jǐn)?shù)階電容的定義，通過設(shè)置控制器，可實(shí)現(xiàn)不同容值和階數(shù)的分?jǐn)?shù)階電容。受控電壓源由直流電壓源與直流/交流PWM變換器構(gòu)成，具有工作特性靈活可調(diào)的特點(diǎn)，且分?jǐn)?shù)階電容功率由PWM變換器決定，故本專利技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同功率等級的分?jǐn)?shù)階電容。本專利技術(shù)的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。一種階數(shù)大于1的大功率分?jǐn)?shù)階電容，其包括交流輸入電壓源、耦合電感、受控電壓源、電流采樣器、電壓采樣器和控制器。輸入交流電壓源的一端與耦合電感的一端連接，耦合電感的另一端與受控電壓源的正輸出端連接,受控電壓源的負(fù)輸出端與交流輸入電壓源的另一端連接；電流采樣器采樣輸入電流Iin并送入控制器，電壓采樣器采樣輸入電壓Vin并送入控制器；控制器對采樣到的輸入電流和輸入電壓進(jìn)行處理產(chǎn)生控制信號D送至受控電壓源。受控電壓源根據(jù)控制信號D在正輸出端和負(fù)輸出端之間產(chǎn)生基波電壓VF。進(jìn)一步地，在上述所述的分?jǐn)?shù)階電容中，由基爾霍夫定律可知： I i n ( s ) = V i n ( s ) - V F ( s ) sL f , ]]>由式可知在輸入電壓Vin已知的情況下，控制受控電壓源輸出基波電壓VF可以使輸入電流Iin為任意波形。因此，正確的控制輸出基波電壓VF，可以使輸入電流Iin與輸入電壓Vin之間的關(guān)系在所需頻率處滿足分?jǐn)?shù)階電容的定義。進(jìn)一步地，本專利技術(shù)所述的受控電壓源由直流電壓源與直流/交流PWM變換器構(gòu)成，可向外輸出有功功率，滿足階數(shù)大于1時(shí)分?jǐn)?shù)階電容的特性。受控電壓源的基本工作原理是將控制信號D轉(zhuǎn)化為脈沖寬度調(diào)制信號，以用來驅(qū)動PWM電路中的開關(guān)管，從而控制PWM電路的輸出基波電壓VF，以控制輸入電流Iin在所需頻率處與輸入電壓Vin之間的關(guān)系符合分?jǐn)?shù)階電容電流電壓的關(guān)系。進(jìn)一步地，上述分?jǐn)?shù)階電容的控制方法中，控制器首先將電壓采樣器采樣到的輸入電壓進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微積分運(yùn)算，分?jǐn)?shù)階微積分運(yùn)算的輸出作為電流閉環(huán)控制算法的電流給定信號Iref，分?jǐn)?shù)階微積分算法的表達(dá)式為：Iref(s)＝Vin(s)sαCα，式中Iref(s)是電流給定信號Iref(t)的拉普拉斯變換，Vin(s)是輸入電壓信號Vin(t)的拉普拉斯變換，sαCα為分?jǐn)?shù)階電容的導(dǎo)納，Cα為分?jǐn)?shù)階電容的容值，α為分?jǐn)?shù)階電容的階數(shù)，且α＞1。電流給定信號Iref與輸入電流Iin比較，得到的差值通過電流閉環(huán)控制算法，輸出控制信號D，控制信號D通過控制受控電壓源的輸出基波電壓VF調(diào)節(jié)輸入電流Iin，使輸入電流Iin跟蹤電流給定信號Iref，即：Iin(s)＝Iref(s)＝Vin(s)sαCα，因?yàn)閟αCα為分?jǐn)?shù)階電容的導(dǎo)納，從而在所需頻率處實(shí)現(xiàn)輸入電流與輸入電壓分?jǐn)?shù)階電容電壓電流的關(guān)系為： I i n ( s ) V i n ( s ) = s α C α . ]]>與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：本專利技術(shù)提供的一種階數(shù)大于1的大功率的分?jǐn)?shù)階電容，所得到的輸入電流輸入電壓之間的關(guān)系在所需工作頻率處與階數(shù)大于1的分?jǐn)?shù)階電容的定義完全一致，還可以根據(jù)應(yīng)用場合的需要，通過調(diào)整控制器的算法，靈活調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同分?jǐn)?shù)階電容的階數(shù)和容值，而且本專利技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的分?jǐn)?shù)階電容功率由受控電壓源決定，因此可選用不同功率等級的受控電壓源以適應(yīng)不同的功率應(yīng)用場合。附圖說明圖1為實(shí)施方式中提供的階數(shù)大于1的分?jǐn)?shù)階電容模型。圖2為實(shí)施方式中的分?jǐn)?shù)階電容控制系統(tǒng)框圖。圖3為實(shí)施方式中的分?jǐn)?shù)階電容仿真原理圖。圖4為實(shí)施方式中分?jǐn)?shù)階電容的輸入電壓和輸入電流的仿真波形圖。圖5為實(shí)施方式中分?jǐn)?shù)階電容的輸入電壓和輸入電流的實(shí)驗(yàn)波形。具體實(shí)施方案為進(jìn)一步闡述本專利技術(shù)的內(nèi)容和特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖對本專利技術(shù)的具體實(shí)施方案進(jìn)行具體說明，但本專利技術(shù)的實(shí)施和保護(hù)不限于此。本專利技術(shù)大功率分?jǐn)?shù)階電容的基本原理是用控制器生成的控制信號對受控電壓源進(jìn)行控制，使電路的輸入電流和輸入電壓之間符合階數(shù)大于1的分?jǐn)?shù)階電容的定義，整個(gè)電路相當(dāng)于一個(gè)分?jǐn)?shù)階電容。如圖1，一種階數(shù)大于1的大功率分?jǐn)?shù)階電容，其包括輸入交流電壓源1、耦合電感2、受控電壓源3、電流采樣器4、電壓采樣器5、控制器6。輸入交流電壓源1的一端A與耦合電感2的一端連接，耦合電感2的另一端與受控電壓源3的正輸出端P連接,受控電壓源3的負(fù)輸出端N與輸入交流電壓源1的另一端B連接；電流采樣器4采樣輸入電流Iin，電壓采樣器5采樣輸入電壓Vin，控制器通過分?jǐn)?shù)階電容電流閉環(huán)控制算法本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種階數(shù)大于1的大功率分?jǐn)?shù)階電容，其特征在于包括交流輸入電壓源(1)、耦合電感(2)、受控電壓源(3)、電流采樣器(4)、電壓采樣器(5)和控制器(6)，交流輸入電壓源(1)的一端(A)與耦合電感(2)的一端連接，耦合電感(2)的另一端與受控電壓源(3)的正輸出端(P)連接,受控電壓源(3)的負(fù)輸出端(N)與交流輸入電壓源(1)的另一端(B)連接，電流采樣器(4)采樣輸入電流Iin并送入控制器，電壓采樣器(5)采樣輸入電壓Vin并送入控制器，控制器對采樣到的輸入電流和輸入電壓進(jìn)行處理并產(chǎn)生控制信號(D)送至受控電壓源(3)，受控電壓源(3)根據(jù)控制信號(D)在正輸出端(P)和負(fù)輸出端(N)之間產(chǎn)生基波電壓(VF)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種階數(shù)大于1的大功率分?jǐn)?shù)階電容，其特征在于包括交流輸入電壓源(1)、耦合電感(2)、受控電壓源(3)、電流采樣器(4)、電壓采樣器(5)和控制器(6)，交流輸入電壓源(1)的一端(A)與耦合電感(2)的一端連接，耦合電感(2)的另一端與受控電壓源(3)的正輸出端(P)連接,受控電壓源(3)的負(fù)輸出端(N)與交流輸入電壓源(1)的另一端(B)連接，電流采樣器(4)采樣輸入電流Iin并送入控制器，電壓采樣器(5)采樣輸入電壓Vin并送入控制器，控制器對采樣到的輸入電流和輸入電壓進(jìn)行處理并產(chǎn)生控制信號(D)送至受控電壓源(3)，受控電壓源(3)根據(jù)控制信號(D)在正輸出端(P)和負(fù)輸出端(N)之間產(chǎn)生基波電壓(VF)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種階數(shù)大于1的大功率分?jǐn)?shù)階電容，其特征在于所述受控電壓源(3)由直流電源與直流/交流PWM變換器構(gòu)成，受控電壓源(3)能向外輸出有功功率，實(shí)現(xiàn)階數(shù)大于1，通過選用不同功率容量的受控電壓源，實(shí)現(xiàn)不同功率等級的分?jǐn)?shù)階電容。3.用于權(quán)利要求1所述的一種階數(shù)大于1的大功率分?jǐn)?shù)階電容的控制方法，其特征在于控制器依據(jù)分?jǐn)?shù)階電容電流閉環(huán)控制算法對采樣到的輸入電流和輸入電壓進(jìn)行處理并產(chǎn)生控制信號(D)送至受控電壓源(3)，受控電壓源(3)根據(jù)控制信號(D)在正輸出端(P)和負(fù)輸出端(N)之間產(chǎn)生基波電壓(VF)；所述的分?jǐn)?shù)階電容電流閉環(huán)控制算法具體為：分?jǐn)?shù)階微積分算法和電流閉環(huán)控制算法，控制器將電壓采樣器采樣到的輸入電壓Vin進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微積分運(yùn)算，使輸出的信號和輸入電壓Vin的關(guān)系在工作所需頻率處符合分?jǐn)?shù)階電容的定義，并將分?jǐn)?shù)階微積分運(yùn)算的輸出信號作為電流給定信號Iref，與輸入電流Iin比較，得到的差值通...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張波，江彥偉，
申請(專利權(quán))人：華南理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東;44