一种阶数大于1的大功率分数阶电容及其控制方法技术

本发明专利技术提供一种阶数大于1的大功率分数阶电容及其控制方法。大功率分数阶电容包括交流输入电源、耦合电感、受控电压源、控制器、电压采样器、电流采样器。控制方法中控制器根据电压采样器和电流采样器分别采集到的输入电压信号和输入电流信号，产生相应的控制信号，控制受控电压源的输出电压，使输入电流和输入电压之间符合分数阶电容的电流电压关系。本发明专利技术受控电压源由直流电压源与直流/交流PWM变换器构成，具有工作特性灵活可调的特点，且分数阶电容功率由PWM变换器决定。本发明专利技术可以实现不同功率等级的分数阶电容，可以通过设计PWM变换器的工作参数，实现不同功率等级的阶数大于1的分数阶电容。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及分数阶器件构造
，具体涉及一种阶数大于1的大功率分数阶电容及其控制方法。
技术介绍
分数阶微积分已经有300多年的历史，其将微积分的阶次从整数阶推广到分数甚至复数。分数阶微积分可以更真实的揭示自然界中的一些现象。事实上，整数阶电容器在本质上是不存在的，它是具有分数阶性质的元件，只是目前实际中用的电容器，大部分都是阶数接于1，对于分数阶的情况可以完全忽略。但是，如果可以利用电容器的分数阶性质，有目的的设计不同阶数、容值和功率的分数阶电容，那么就可以开辟电容器的新的应用领域。1964年，美国学者G.E Carlson在论文中根据分数阶微积分的定义首次使用了“分数阶电容”这个概念，并利用牛顿叠代法给出了特定阶次的分数阶电容的无源电路等效模型；此后国内外众多学者利用传统的电阻、电容、电感和运算放大器等提出了多种构造分数阶电容的方案，但都只能适用于毫瓦级的功率，严重地限制了分数阶电容在各种功率场合的应用。也有学者基于分形几何的概念并通过硅工艺制造分数阶电容，但只能在电容阶数小于1的特定范围内实现。
技术实现思路
针对目前现有技术的缺点与不足，本专利技术提供一种阶数大于1的大功率分数阶电容及其控制方法，具体是用控制器产生的控制信号控制受控电压源的输出基波电压，使输入电流与输入电压满足分数阶电容的定义，通过设置控制器，可实现不同容值和阶数的分数阶电容。受控电压源由直流电压源与直流/交流PWM变换器构成，具有工作特性灵活可调的特点，且分数阶电容功率由PWM变换器决定，故本专利技术可以实现不同功率等级的分数阶电容。本专利技术的目的通过如下技术方案实现。一种阶数大于1的大功率分数阶电容，其包括交流输入电压源、耦合电感、受控电压源、电流采样器、电压采样器和控制器。输入交流电压源的一端与耦合电感的一端连接，耦合电感的另一端与受控电压源的正输出端连接,受控电压源的负输出端与交流输入电压源的另一端连接；电流采样器采样输入电流Iin并送入控制器，电压采样器采样输入电压Vin并送入控制器；控制器对采样到的输入电流和输入电压进行处理产生控制信号D送至受控电压源。受控电压源根据控制信号D在正输出端和负输出端之间产生基波电压VF。进一步地，在上述所述的分数阶电容中，由基尔霍夫定律可知： I i n ( s ) = V i n ( s ) - V F ( s ) sL f , ]]>由式可知在输入电压Vin已知的情况下，控制受控电压源输出基波电压VF可以使输入电流Iin为任意波形。因此，正确的控制输出基波电压VF，可以使输入电流Iin与输入电压Vin之间的关系在所需频率处满足分数阶电容的定义。进一步地，本专利技术所述的受控电压源由直流电压源与直流/交流PWM变换器构成，可向外输出有功功率，满足阶数大于1时分数阶电容的特性。受控电压源的基本工作原理是将控制信号D转化为脉冲宽度调制信号，以用来驱动PWM电路中的开关管，从而控制PWM电路的输出基波电压VF，以控制输入电流Iin在所需频率处与输入电压Vin之间的关系符合分数阶电容电流电压的关系。进一步地，上述分数阶电容的控制方法中，控制器首先将电压采样器采样到的输入电压进行分数阶微积分运算，分数阶微积分运算的输出作为电流闭环控制算法的电流给定信号Iref，分数阶微积分算法的表达式为：Iref(s)＝Vin(s)sαCα，式中Iref(s)是电流给定信号Iref(t)的拉普拉斯变换，Vin(s)是输入电压信号Vin(t)的拉普拉斯变换，sαCα为分数阶电容的导纳，Cα为分数阶电容的容值，α为分数阶电容的阶数，且α＞1。电流给定信号Iref与输入电流Iin比较，得到的差值通过电流闭环控制算法，输出控制信号D，控制信号D通过控制受控电压源的输出基波电压VF调节输入电流Iin，使输入电流Iin跟踪电流给定信号Iref，即：Iin(s)＝Iref(s)＝Vin(s)sαCα，因为sαCα为分数阶电容的导纳，从而在所需频率处实现输入电流与输入电压分数阶电容电压电流的关系为： I i n ( s ) V i n ( s ) = s α C α . ]]>与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：本专利技术提供的一种阶数大于1的大功率的分数阶电容，所得到的输入电流输入电压之间的关系在所需工作频率处与阶数大于1的分数阶电容的定义完全一致，还可以根据应用场合的需要，通过调整控制器的算法，灵活调节实现不同分数阶电容的阶数和容值，而且本专利技术所实现的分数阶电容功率由受控电压源决定，因此可选用不同功率等级的受控电压源以适应不同的功率应用场合。附图说明图1为实施方式中提供的阶数大于1的分数阶电容模型。图2为实施方式中的分数阶电容控制系统框图。图3为实施方式中的分数阶电容仿真原理图。图4为实施方式中分数阶电容的输入电压和输入电流的仿真波形图。图5为实施方式中分数阶电容的输入电压和输入电流的实验波形。具体实施方案为进一步阐述本专利技术的内容和特点，以下结合附图对本专利技术的具体实施方案进行具体说明，但本专利技术的实施和保护不限于此。本专利技术大功率分数阶电容的基本原理是用控制器生成的控制信号对受控电压源进行控制，使电路的输入电流和输入电压之间符合阶数大于1的分数阶电容的定义，整个电路相当于一个分数阶电容。如图1，一种阶数大于1的大功率分数阶电容，其包括输入交流电压源1、耦合电感2、受控电压源3、电流采样器4、电压采样器5、控制器6。输入交流电压源1的一端A与耦合电感2的一端连接，耦合电感2的另一端与受控电压源3的正输出端P连接,受控电压源3的负输出端N与输入交流电压源1的另一端B连接；电流采样器4采样输入电流Iin，电压采样器5采样输入电压Vin，控制器通过分数阶电容电流闭环控制算法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阶数大于1的大功率分数阶电容，其特征在于包括交流输入电压源(1)、耦合电感(2)、受控电压源(3)、电流采样器(4)、电压采样器(5)和控制器(6)，交流输入电压源(1)的一端(A)与耦合电感(2)的一端连接，耦合电感(2)的另一端与受控电压源(3)的正输出端(P)连接,受控电压源(3)的负输出端(N)与交流输入电压源(1)的另一端(B)连接，电流采样器(4)采样输入电流Iin并送入控制器，电压采样器(5)采样输入电压Vin并送入控制器，控制器对采样到的输入电流和输入电压进行处理并产生控制信号(D)送至受控电压源(3)，受控电压源(3)根据控制信号(D)在正输出端(P)和负输出端(N)之间产生基波电压(VF)。

【技术特征摘要】
1.一种阶数大于1的大功率分数阶电容，其特征在于包括交流输入电压源(1)、耦合电感(2)、受控电压源(3)、电流采样器(4)、电压采样器(5)和控制器(6)，交流输入电压源(1)的一端(A)与耦合电感(2)的一端连接，耦合电感(2)的另一端与受控电压源(3)的正输出端(P)连接,受控电压源(3)的负输出端(N)与交流输入电压源(1)的另一端(B)连接，电流采样器(4)采样输入电流Iin并送入控制器，电压采样器(5)采样输入电压Vin并送入控制器，控制器对采样到的输入电流和输入电压进行处理并产生控制信号(D)送至受控电压源(3)，受控电压源(3)根据控制信号(D)在正输出端(P)和负输出端(N)之间产生基波电压(VF)。2.根据权利要求1所述的一种阶数大于1的大功率分数阶电容，其特征在于所述受控电压源(3)由直流电源与直流/交流PWM变换器构成，受控电压源(3)能向外输出有功功率，实现阶数大于1，通过选用不同功率容量的受控电压源，实现不同功率等级的分数阶电容。3.用于权利要求1所述的一种阶数大于1的大功率分数阶电容的控制方法，其特征在于控制器依据分数阶电容电流闭环控制算法对采样到的输入电流和输入电压进行处理并产生控制信号(D)送至受控电压源(3)，受控电压源(3)根据控制信号(D)在正输出端(P)和负输出端(N)之间产生基波电压(VF)；所述的分数阶电容电流闭环控制算法具体为：分数阶微积分算法和电流闭环控制算法，控制器将电压采样器采样到的输入电压Vin进行分数阶微积分运算，使输出的信号和输入电压Vin的关系在工作所需频率处符合分数阶电容的定义，并将分数阶微积分运算的输出信号作为电流给定信号Iref，与输入电流Iin比较，得到的差值通...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，江彦伟，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44