CN101060303A

CN101060303A - 用开关元件实现交流负载连续调压并保持正弦波型的方法

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Publication number: CN101060303A
Application number: CNA2007101033799A
Authority: CN
Inventors: 魏明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2007-05-19
Publication date: 2007-10-24

Abstract

一种电动机或照明电光源等交流负载连续调压并保持交流电流正弦波型的方法，在交流电动机定子或照明电光源与电源之间的导线上，或在绕线式交流电动机转子绕组引出端，或在变压器每相绕组上，串联双向导通可关断开关元件，在所串入开关元件上并联电容或压敏元件等续流元件；对所接入的开关元件用PWM技术控制其通断；当开关元件关断时，原通过开关元件的电流从续流元件中通过，使交流电流基本保持为正弦波形；改变PWM脉宽占空比改变交流负载上的电压或变压器的输出电压；在所串入开关元件上串联电容还可实现负载电压高于电源电压并连续调压。

Description

用开关元件实现交流负载连续调压并保持正弦波型的方法

所属技术领域

本发明涉及一种对电动机或照明电光源等交流负载连续调压的方法，尤其是用可关断开关元件实现的可基本保持正弦交流电源的电压电流为正弦波型的连续调压的方法。

背景技术

目前，公知的笼式电动机或照明电光源等交流负载用开关元件实现的调压基本有两种方法，一种是相控方法，即在交流电源和电机定子绕组或照明电光源等交流负载之间串入开关元件，通过控制开关元件的导通角即可实现对电机定子绕组或照明电光源等交流负载调压；另一种是斩波控制方法，在交流电源和电机定子绕组或照明电光源等交流负载之间串入可关断开关元件，在所串入开关元件和所述交流负载之间，再在每两根导线之间接入另外的可关断开关元件，对所串入可关断开关元件用PWM技术控制其导通占空比，当所串入开关元件导通时接在导线之间的开关元件关断，当所串入开关元件关断时接在导线之间的开关元件导通续流。相控方法的缺点是交流电流中存在大量谐波，对电源和电动机或照明电光源等交流负载都十分不利；斩波控制方法的缺点是导线之间需多用三组可关断开关元件，当所串入开关元件关断时电源侧电感仍无法续流，即对电源造成冲击，电源侧电流中也存在谐波。绕线式交流电动机调速方法较多，如在转子绕组上串联电阻，串级调速等，串联电阻损耗大，串级调速电路复杂，对转子绕组电流整流或对电源电流整流都会出现大量谐波，最终归结为对电源电流造成大量谐波。

发明内容

为了克服现有交流笼型电动机或照明电光源等交流负载相控或斩波调压、绕线式交流电动机串级调压都严重破坏电源和负载电流正弦波型的不足，本发明提出一种用可关断开关元件并采用PWM控制技术控制，即可对负载连续调压又可基本保持电源侧电压电流为正弦波型的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是

在交流笼式或绕线式电动机每相定子绕组前端或后端，或在绕线式交流电动机每相转子绕组引出端，或在照明电光源等其它交流负载每相前端或后端，或在变压器每相一次或二次绕组上，串联由一个双向可关断开关元件，或两个反向并联的单向可关断开关元件，在所串入可关断开关元件上再并联由电容、压敏元件等组成的续流元件；对所串入可关断开关元件采用PWM技术控制其通断；当开关元件关断时，原通过开关元件的电流从续流元件中通过，以此保持交流线路上的电流整体上基本保持为正弦波形；改变PWM脉宽宽度，就可改变各种交流负载上的电压，或改变变压器的输出电压；连续改变PWM脉宽宽度，就可连续改变各种交流负载上的电压，或连续改变变压器的输出电压；对于有电感的交流负载，在所接入一个双向可关断开关元件或两个反向并联的单向可关断开关元件上再串联小电容，还可因电容和电感的串联补偿实现负载电压高于电源电压并连续调压。

本发明的有益效果是，即可方便实现对交流笼型电动机、绕线电动机或照明电光源等其它交流负载大范围连续调压，也可使所述各种交流负载或电源的电流接近完全的正弦波型，开关元件关断时对各种交流负载和电源基本无冲击；当电动机等负载因铁芯非线性磁化使交流电流波形产生畸变时，可以靠对一个交流周期中相应控制不同位置的PWM脉宽宽度使加在电动机定子绕组上的电压发生相反的畸变，使交流电流波形发生相反的畸变从而恢复电流的正弦波型；以交流电动机定子电流为检测参数控制PWM的占空比，可当电动机负载变化时为电动机提供使其电流达到最小的电压，达到最佳节电目的；按设定启动过程或按定子电流控制交流电动机启动过程，可实现性能优良的软启动，并可将软启动和运行电压控制集于一身；可不用变压器实现负载电压高于电源电压并连续升压。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的将开关和续流元件设在三相交流笼式电动机定子星形连接定子绕组星点处连续调压第1个实施例原理图；

图2是本发明的将开关和续流元件设在三相交流笼式电动机定子星形连接定子绕组星点处连续调压第2个实施例原理图；

图3是本发明的将开关和续流元件设在三相交流笼式电动机定子星形连接定子绕组星点处连续调压第3个实施例原理图；

图4是本发明的将开关和续流元件设在三相交流笼式电动机定子三角形连接定子绕组连接部连续调压第4个实施例原理图；

图5是本发明的将开关和续流元件设在定子星形连接三相交流绕线式电动机转子绕组星点处连续调压第5个实施例原理图；

图6是本发明的将开关和续流元件设在定子三角形连接三相交流绕线式电动机转子绕组星点处连续调压第6个实施例原理图；

图7是本发明的将开关和续流元件设在三相交流笼式电动机定子星形连接定子绕组和电源之间连续调压第7个实施例原理图；

图8是本发明的将开关和续流元件设在三相交流笼式电动机定子三角形连接定子绕组和电源之间连续调压第8个实施例原理图；

图9是本发明的将开关和续流元件设在定子星形连接三相交流绕线式电动机定子绕组和电源之间连续调压第9个实施例原理图；

图10是本发明的将开关和续流元件设在三相双绕组变压器的一次绕组和电源之间，连续调节交流三相电动机定子电压第10个实施例原理图；

图11是本发明的将开关和续流元件设在三相自耦变压器一次绕组和电源之间，连续调节交流三相电动机定子电压第11个实施例原理图；

图12是本发明的三相交流正弦电源电动势波型图；

图13是本发明的三相交流负载三相正弦电流波型图；

图14是本发明的以三相交流负载电流为检测对像控制开关元件PWM占空比原理图；

图15是本发明的以三相交流负载电压为检测对像控制开关元件PWM占空比原理图；

图16是本发明的在两个单向可关断开关元件上串联电容实现负载电压高于电源电压并连续调压原理图；

图17是本发明的在一个双向可关断开关元件上串联电容实现负载电压高于电源电压并连续调压原理图。

在图1、2、4、7和8中，1.A相电源(如变压器二次绕组)内部等效总电感，2.A相电源内部等效总电阻，3.A相电源内电动势，4.电动机A相定子绕组等效总电阻，5.电动机A相定子绕组等效总电感，6.A相续流电容，7.A相反向导通开关元件，8.A相正向导通开关元件，9.与A相续流电容并联的电阻，11.B相电源(如变压器二次绕组)内部等效总电感，12.B相电源内部等效总电阻，13.B相电源内电动势，14.电动机B相定子绕组等效总电阻，15.电动机B相定子等效总绕组电感，16.B相续流电容，17.B相反向导通开关元件，18.B相正向导通开关元件，19.与B相续流电容并联的电阻，21.C相电源(如变压器二次绕组)内部等效总电感，22.C相电源内部等效总电阻，23.C相电源内电动势，24.电动机C相定子绕组等效总电阻，25.电动机C相定子绕组等效总电感，26.C相续流电容，27.C相反向导通开关元件，28.C相正向导通开关元件，29.与C相续流电容并联的电阻，30.电动机定子绕组星点。

在图3中，6.A相续流压敏元件，16.B相续流压敏元件，26.C相续流压敏元件，其它与图1、2和4中的相同。

在图5、6和9中，1~30与图1和2中的相同，0.A相转子绕组内总电阻，9.A相转子绕组内总电感，32.A相转子绕组与外界滑动连接环，10.B相转子绕组内总电阻，19.B相转子绕组内总电感，33.B相转子绕组与外界滑动连接环，20.C相转子绕组内总电阻，29.C相转子绕组内总电感，34.C相转子绕组与外界滑动连接环，31.转子绕组外星点。

在图10和图11中，5.A相变压器，15.B相变压器，25.C相变压器，50.三相交流电动机，其它与图1、2和4中的相同。

在图14中，35.A相电流互感器，36.A相控制电路，37.A相电流互感器输入电流，38.A相反向开关元件控制极，39.A相正向开关元件控制极，40.B相电流互感器，41.B相控制电路，42.B相电流互感器输入电流，43.B相反向开关元件控制极，44.B相正向开关元件控制极，45.C相电流互感器，46.C相控制电路，47.C相电流互感器输入电流，48.C相反向开关元件控制极，49.C相正向开关元件控制极，其它与图1、2和4中的相同。

在图15中，35.A相电压互感器，40.B相电压互感器，45.C相电压互感器，其它与图1、2、4和12中的相同。

在图16中，1.A相电源(如变压器二次绕组)内部等效总电感，2.A相电源内部等效总电阻，3.A相电源内电动势，4.电动机A相定子绕组等效总电阻，5.电动机A相定子绕组等效总电感，6.A相续流电容，7.A相反向导通可关断开关元件，8.A相正向导通可关断开关元件，9.与A相正向导通可关断开关元件串联的电容，10.与A相反向导通可关断开关元件串联的电容，11.B相电源(如变压器二次绕组)内部等效总电感，12.B相电源内部等效总电阻，13.B相电源内电动势，14.电动机B相定子绕组等效总电阻，15.电动机B相定子等效总绕组电感，16.B相续流电容，17.B相反向导通可关断开关元件，18.B相正向导通可关断开关元件，19.与B相正向导通可关断开关元件串联的电容，20.与B相反向导通可关断开关元件串联的电容，21.C相电源(如变压器二次绕组)内部等效总电感，22.C相电源内部等效总电阻，23.C相电源内电动势，24.电动机C相定子绕组等效总电阻，25.电动机C相定子绕组等效总电感，26.C相续流电容，27.C相反向导通可关断开关元件，28.C相正向导通可关断开关元件，29.与C相正向导通可关断开关元件串联的电容，30.与B相反向导通可关断开关元件串联的电容，31.电动机定子绕组星点。

在图17中，1.A相电源(如变压器二次绕组)内部等效总电感，2.A相电源内部等效总电阻，3.A相电源内电动势，4.电动机A相定子绕组等效总电阻，5.电动机A相定子绕组等效总电感，6.A相续流电容，8.A相双向导通可关断开关元件，9.与A相双向导通可关断开关元件串联的电容，11.B相电源(如变压器二次绕组)内部等效总电感，12.B相电源内部等效总电阻，13.B相电源内电动势，14.电动机B相定子绕组等效总电阻，15.电动机B相定子等效总绕组电感，16.B相续流电容，18.B相双向导通可关断开关元件，19.与B相双向导通可关断开关元件串联的电容，21.C相电源(如变压器二次绕组)内部等效总电感，22.C相电源内部等效总电阻，23.C相电源内电动势，24.电动机C相定子绕组等效总电阻，25.电动机C相定子绕组等效总电感，26.C相续流电容，28.C相双向导通可关断开关元件，19.与C相双向导通可关断开关元件串联的电容，31.电动机定子绕组星点。

具体实施方式：

图1中，将定子星形连接三相交流笼式电动机定子绕组星点断开，在断开后的每相导线上接入由两个导通方向相反的可关断开关元件并联组成的电压控制电路，在可关断开关元件之间再并联一个续流电容C；对可关断开关元件用PWM方式控制其通断，改变可关断开关元件导通占空比时，开关元件上电压平均值和负载上电压平均值都随之改变；当用PWM技术使可关断开关元件导通时，开关元件的导通电阻约为1Ω，电容通过开关元件放电，若放电电流过大可换用更小的电容；开关元件上PWM导通脉宽越大，负载上电压平均值越高，开关元件上PWM导通脉宽越小，负载上电压平均值越低；接在A、B、C三相上正反向导通的开关元件，当电流从电源流向电机定子绕组时，正向开关元件导通，当电流从电机定子绕组流向电源时，反向开关元件导通；确定C容量的原则为在开关元件短时关断期间能够使开关元件原导通时流过开关元件的电流续流，流过交流笼式电动机定子绕组的电流基本不变，而在开关元件长期关断后使得流过电容的电流很小，电动机不会旋转；C的容量越小其容抗越大，开关元件对电压的控制作用越明显，如取C＝1μF，C的容抗为3183.1Ω，若交流电动机每相定子绕组感抗为200Ω并忽略定子绕组电阻，当开关元件长期关断后流过续流电容即电动机一相定子绕组的电流约为220/(3183.1-200)＝73.7mA，电动机一相定子绕组上的电压约为200Ω·73.7mA＝14.74V，这组电压电流远小于使电动机能够正常运转的电压电流；若用图14所示流入电动机定子绕组电流为检测参数，当电动机负载变化时相应改变PWM占空比，使流入电动机定子绕组电流总能保持为最小，就可达到最佳节电目的。图中三相交流电动机也可换为其它三相交流负载。

图2中，若图1接入C后电流出现畸变甚至振荡，则可在C上并联一个较大的电阻R，用以消除电流畸变甚至振荡，其它的与图1中的相同。如某4KW三相异步电机定子绕组阻抗为3.83+j156.7Ω，若三相交流电源的负载就取3.83+j156.7Ω，当所接入C的容量为4μF以下时，仿真表明电流波型存在振荡，并联3KΩ电阻后，电流波型中的振荡消失，电流波型基本接近正弦波型；当电源电压为220V、50HZ，PWM占空比为0％时，定子绕组两端的电压和流过定子绕组的电流分别为67.02V和521mA；当PWM占空比为100％时，定子绕组两端的电压和流过定子绕组的电流分别为215.5V和1.37A。图中三相交流电动机也可换为其它三相交流负载。

图3中，用压敏元件代替图1中的C，可消除图1接入C后电流出现的畸变甚至振荡，且电流总为感性。这个方法的优点是结构简单，调压范围大，电流波型好，其它的与图1的相同。压敏元件的选取其工作电压应高于开关元件完全关断后开关元件上的电压值。当开关元件关断时，流过电源和负载的电流突然减小，产生很高的感应电压，当感应电压高于压敏元件工作电压时，压敏元件导通续流，电机定子上的电压会相应出现锯齿状起伏，但电机定子上电压平均值可以受PWM脉宽控制。

图4中，将定子三角形连接三相交流笼式电动机定子绕组引出端点断开，在断开后的每相定子导线上接入由两个反向导通可关断开关元件并联组成的电压控制电路，在可关断开关元件之间再并联一个续流电容C，其它的与图1的相同。图中三相交流电动机也可换为其它三相交流负载。

图5中，将定子星形连接三相交流绕线式电动机转子绕组引出端点断开，在断开后的每相转子导线上接入由两个反向导通可关断开关元件并联组成的电压控制电路，在可关断开关元件之间再并联一个续流电容C，三相电压控制电路末端组成星形，其它的与图1的相同。

图6中，将定子三角形连接三相交流绕线式电动机转子绕组引出端点断开，在断开后的每相转子导线上接入由两个反向导通可关断开关元件并联组成的电压控制电路，在可关断开关元件之间再并联一个续流电容C，其它的与图1的相同。

图7中，在定子星形连接三相交流笼式电动机定子绕组和电源之间的连接导线上接入由两个反向导通可关断开关元件并联组成的电压控制电路，在可关断开关元件之间再并联一个续流电容C，其它的与图1的相同。图中三相交流电动机也可换为其它三相交流负载。

图8中，在定子三角形连接三相交流笼式电动机定子绕组和电源之间的连接导线上接入由两个反向导通可关断开关元件并联组成的电压控制电路，在可关断开关元件之间再并联一个续流电容C，其它的与图1的相同。图中三相交流电动机也可换为其它三相交流负载。

图9中，在定子星形连接三相交流绕线式电动机定子绕组和电源之间的连接导线上接入由两个反向导通可关断开关元件并联组成的电压控制电路，在可关断开关元件之间再并联一个续流电容C，其它的与图1的相同。图中三相交流电动机也可换为其它三相交流负载。

图10中，在三相交流电源和三相双绕组变压器一次绕组之间的连接导线上接入由两个反向导通可关断开关元件并联组成的电压控制电路，在可关断开关元件之间再并联一个续流电容C，三相变压器二次绕组为三角形连接，三相变压器二次绕组带一台三相交流电动机；通过开关元件控制三相变压器二次绕组输出电压，为三相交流电动机提供合适的工作电压。图中三相交流电动机也可换为其它三相交流负载。

图11中，在三相交流电源和三相自耦变压器一次绕组之间的连接导线上接入由两个反向导通可关断开关元件并联组成的电压控制电路，在可关断开关元件之间再并联一个续流电容C，三相自耦变压器公共绕组为星形连接，三相自耦变压器输出绕组带一台三相交流电动机；通过开关元件控制三相自耦变压器输出绕组输出电压，为三相交流电动机提供合适的工作电压。

图12为三相交流电源三相交流电动势波型；

图13为三相交流负载电流波型，三相交流负载电流波型滞后于三相交流电源三相电动势波型；当开关元件的导通占空比增加时，三相交流负载电流波型的幅度就高，反之就低。

图14为以流入三相交流电动机定子绕组电流为检测参数，通过电流互感器检测流入三相交流电动机定子绕组电流的大小，当电动机负载变化时相应改变开关元件PWM占空比，使流入电动机定子绕组电流总能保持为最小，就可达到最佳节电目的；电流互感器一次绕组可就为电动机定子绕组引出导线，二次绕组可用导线在电动机定子绕组引出导线上缠绕几圈形成。图中三相交流电动机也可换为其它三相交流负载。

图15为以三相交流电动机定子各相绕组对地电压为检测参数，当电动机定子各相绕组对地电压过高或过低时，相应改变开关元件PWM占空比，使电动机定子各相绕组对地电压达到合适值；当电动机定子各相绕组对地电压差别较大时，相应分别改变各相上开关元件PWM占空比，可使电动机定子各相绕组对地电压基本达到平衡。图中三相交流电动机定子各相绕组还可改为其它三相交流负载。

图16中，将定子星形连接三相交流笼式电动机定子绕组星点断开，在断开后的每相导线上接入由两个导通方向相反的可关断开关元件并联组成的电压控制电路，在可关断开关元件之间并联一个续流电容C，在各可关断开关元件上再串联一个电容；对可关断开关元件用PWM方式控制其通断，改变可关断开关元件导通占空比时，开关元件上的电压降随之改变，因开关元件和电源、电动机定子绕组为串联关系，改变开关元件上的电压降就是改变电动机定子绕组上的电压；当可关断开关元件导通时，电流流过所串联的电容和所并联的电容，同时对所串联的电容和所并联的电容充电；当可关断开关元件关断后，电流仅流过所并联的电容，对所并联的电容充电，而所串联电容上的电压保持不变，所以开关元件-并联电容上就有一个固定电压，开关元件-并联电容和电感性负载就是串联关系，开关元件-并联电容就可补偿负载上的电感性，因是串联补偿，负载上的电压就可高于电源电压；改变PWM占空比，就可改变串联电容上的电压，相当于改变开关元件-并联电容的总电容量，即可实现电感性交流负载上电压高于电源电压时连续调压。

图17中，将图16中每相上的两个导通方向相反的可关断开关元件换为一个双向导通可关断开关元件，其它与图16中的相同。

Claims

1.一种交流电动机或照明电光源等交流负载连续调压并基本保持交流电流正弦波型的方法，其特征是：在交流笼式或绕线式电动机每相定子绕组前端或后端，或在绕线式交流电动机每相转子绕组引出端，或在照明电光源等其它交流负载每相引出端，或在变压器每相绕组上，串联由双向导通可关断开关元件，或反向并联的单向导通可关断开关元件；在所串入可关断开关元件上并联由电容或压敏元件等组成的续流元件；对所述接入的可关断开关元件采用PWM技术控制其通断；当开关元件关断时，原通过开关元件的电流从续流元件中通过，以此保持交流电流整体上基本为正弦波形；改变所述PWM脉宽的占空比改变各种交流负载上的电压，或变压器的输出电压；根据流入电动机等交流负载上的电流或其上的电压，或根据变压器输出电流或电压，控制所接入开关元件PWM脉宽的占空比，实现负载连续调压。

2.根据权利要求1所述的一种交流电动机或照明电光源等交流负载连续调压并基本保持交流电流正弦波型的方法，其特征是：对于交流电动机，在定子绕组后端(未接电源侧)接入由所述开关元件和续流元件组成的电压、电流控制装置；对于绕线式交流电动机，在转子绕组引出端接入所述的可关断开关元件和续流元件组成的电压、电流控制装置，实现对电动机电压、电流控制。

3.根据权利要求1所述的一种交流电动机或照明电光源等交流负载连续调压并基本保持交流电流正弦波型的方法，其特征是：以流入三相交流电动机定子绕组电流为检测参数，通过电流互感器检测流入三相交流电动机定子绕组电流的大小，当电动机负载变化时相应改变开关元件PWM占空比，使流入电动机定子绕组电流总能保持为最小，以此达到最佳节电目的；电流互感器一次绕组就为电动机定子绕组引出导线，二次绕组用导线在电动机定子绕组引出导线上缠绕几圈形成。

4.根据权利要求1所述的一种交流电动机或照明电光源等交流负载连续调压并基本保持交流电流正弦波型的方法，其特征是：以三相交流电动机定子各相绕组对地电压或其它三相交流负载对地电压为检测参数，当所述各相对地电压过高或过低时，相应改变开关元件PWM占空比，使所述各相对地电压达到合适值；当所述各相对地电压差别较大时，相应分别改变各相上开关元件PWM占空比，使所述各相对地电压基本达到平衡。

5.根据权利要求1所述的一种交流电动机或照明电光源等交流负载连续调压并基本保持交流电流正弦波型的方法，其特征是：所述变压器为单相或三相多绕组变压器，或单相或三相自耦变压器；对于所述多绕组变压器，将由所述可关断开关元件和续流元件组成的控制电路串联在所述多绕组变压器一次或二次绕组上；对于所述自耦变压器，将由所述可关断开关元件和续流元件组成的控制电路串联在所述自耦变压器一次或公共绕组上。

6.根据权利要求1所述的一种交流电动机或照明电光源等交流负载连续调压并基本保持交流电流正弦波型的方法，其特征是：所述可关断开关元件为TR、GTR、IGBT、NMOS、PMOS管等。

7.根据权利要求1所述的一种交流电动机或照明电光源等交流负载连续调压并基本保持交流电流正弦波型的方法，其特征是：所述续流元件为C、R、L、压敏元件及它们的串并联组合。

8.根据权利要求1所述的一种交流电动机或照明电光源等交流负载连续调压并基本保持交流电流正弦波型的方法，其特征是：在交流电一个周期中，所述PWM各脉宽可根据交流负载铁芯畸变程度相应变化，使加在交流负载上的交流电压按照交流负载铁芯畸变引起电流畸变相反方向变化，使流过交流负载绕组电流保持为正弦波型。

9.根据权利要求1所述的一种交流电动机或照明电光源等交流负载连续调压并基本保持交流电流正弦波型的方法，其特征是：在所述双向导通可关断开关元件或反向并联的单向导通可关断开关元件上串联电容，在所述可关断开关元件-电容串联支路上再并联电容元件续流；对所述接入的可关断开关元件采用PWM技术控制其通断，实现负载交流电压高于电源交流电压，改变PWM脉宽占空比实现负载连续调压。

10.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9所述的一种交流电动机或照明电光源等交流负载连续调压并基本保持交流电流正弦波型的方法，其特征是：所述方法用于交流电动机等交流负载的软启动。