CN102006005A - 用一体化转速变送器取反馈的交流调压调速装置 - Google Patents

Abstract

一种用一体化转速变送器取反馈的正弦波交流调压调速装置，由一体化转速变送器(2)、比较器(3)、转速调节器(4)、比例积分给定电路(6)PWM驱动电路(7)和主电路(8)组成。其中一体化转速变送器靠轴承内、外套分别连接旋转的齿轮片和静止的槽形光电耦合器及频率/4-20mA转换电路板，并装入防尘罩中，输出4-20mA信号，伸出传动轴与电机轴螺纹连接。由3525PWM发生电路和光电耦合器250驱动电路组成PWM驱动电路，驱动主电路中IGBT，按占空比100％-2％调制电网电压，供给电动机正弦电压。该装置取反馈容易，功率因数高，谐波分量小，可广泛用于200kW以下风机、水泵以及压缩机节电20％以上。如将一体化转速变送器换成压力或流量变送器，就组成简化的工艺自动调节系统。

Description

用一体化转速变送器取反馈的交流调压调速装置

技术领域

本发明涉及一种一体化转速变送器和用一体化转速变送器取反馈的交流调压调速装置。后者分为相位控制和脉宽调制正弦波两种类型。

背景技术

交流电机调压调速取转速负反馈组成转速闭环后，调速范围能达到10∶1以上，但是市场上却很少见。这是因为取转速反馈用的测速发电机安装很不方便。为了使交流调压调速装置可以在较大的电机功率范围内使用，需要提供一种动静一体、机电一体化转速变送器，能远送4-20mA信号，且精确、可靠、方便而经济。实用新型“风机水泵用双闭环交流调压调速器的控制器”{ZL200420033382.X}构成的调速器采用“装在电机轴端的光电测速机构”{ZL200420033381.5}取转速反馈。后者实质上是一体化转速传感器；前者就是采用一体化转速传感器取转速反馈的交流调压调速装置。它们虽然已经较好地解决了转速闭环调节系统的稳定运行问题和温升问题，但是所用转速传感器输出的频率信号不能远传，胶结安装也不方便，满足不了生产实际需要。这个问题是关系到交流调压调速装置能否普遍使用的关键。

另外，ZL200420033382.X所用晶闸管触发电路采用的集成电路TC-787，只发生双脉冲。在调试时发现，调速达不到满速。有关生产厂家说TC-787可以用于晶闸管电机调速，而有关技术书籍，例如《电动机调速的原理及系统》(杨兴瑶编著)也说调压调速可用双脉冲，可实际上达不到满速。例如电网电压为420V，电机端电压最高365V。这个问题有待解决。

有转速反馈的电机交流调压调速突出的优点是：生产成本较低；用于风机水泵类负载时调速范围广，电机和调速器温升都低，调压节电、调速节能都很明显；电机转速不随电网电压和负载波动；还可改用于恒压供水、恒温送风等等自动控制，不需要另外添置系统调节器，优点很多。但是至今为止所说交流调压调速都是指相位控制的，其缺点是：谐波成分大，功率因数低，电机低速运行时产生脉动转矩，三相不对称时产生逆序转矩。因而改为正弦波一直是一个重要课题。

发明目的

本发明的目的首先在于，为交流调压调速装置提供一种一体化转速变送器，它安装方便，测量精确，输出4-20mA恒流信号。本发明的另一个目的在于，用一体化转速变送器和相位控制的交流调压调速器结合，组成用一体化转速变送器取反馈的交流调压调速装置；并解决达不到满速的问题。还有一个目的是在此基础上改相位控制为脉宽调制正弦波。

技术方案

一体化转速变送器的技术方案：

在ZL2004320033381.5的密封罩中加一块圆形的电路板，它中间开有允许螺丝刀通过的圆孔。电路板的电路必须保证测量精确，误差小于0.5％。为此，由集成电路LM331构成频率/电压转换电路，对应电机零到同步转速，将槽形光电耦合器来的频率信号转换为0-4V信号。该转换电路的逻辑地由集成运算放大器(以下简称运放)构成跟随器(以下简称运放跟随器)作1V基准电源抬高电位1V，对应得到1-5V信号。然后经过运放和晶体管组成的电压/电流转换电路转化为4-20mA信号。供电电源15V-24V，采用集成电路SG431与晶体管组成的稳压电路供给12V稳定电压，解决既要稳压精度高又要温升低的问题。体积要小到直径φ60，厚30。其传动轴一端为十字形螺丝刀口，另一端带螺纹，穿过齿轮片，伸出防尘罩。安装时，预先在电机轴中心钻一个M6、深15的螺孔；用螺丝刀从防尘罩一端进入拧上即可。然后将密封罩内引出的电源信号线延长即可。一体化转速变送器是密封防尘的，光电耦合器没有污染失灵之忧；再加上动静连为一体，使旋转齿轮片与槽形光电耦合器不会发生相对移位致损，因此它几乎是免维修设备。

用一体化转速变送器取反馈的交流调压调速装置的技术方案：

主电路为由三对反并联晶闸管分别接入异步电动机的三相电源线路，构成星型的调压电路。用一体化转速变送器取转速反馈4-20mA，并送到比较器转换为电压信号，与比例积分给定器来的给定信号作比较。所得差值被放大后，经过含有双调积分比例积分放大器的转速调节器产生使系统稳定的控制电压。它控制晶闸管触发电路的脉冲相位，使主电路产生相应电压。脉冲电路必须产生宽脉冲，双脉冲不行。因为调速时，当触发脉冲的控制角小于功率因数角时，电网电压虽然已是正向，电机电流却是反向，因此晶闸管所受电压为反向电压。双脉冲的头一个脉冲不起作用，后一个脉冲来得晚了，电机转速上不去，所以必须用脉冲宽度大于功率因数角的宽脉冲。在包括起动在内的动态过程中，电机功率因数角大于60°。为了有较好的动态性能，脉冲宽度调整到80°至100°。

用一体化转速变送器取反馈的正弦波交流调压调速装置的技术方案：

整个装置的组成与上述的相位控制的基本相同，只是脉冲形式改为脉宽调制脉冲。主电路为电机的电源电路内分别串联三个整流桥于交流端，构成星型的调压电路；每个整流桥直流端所接IGBT由PWM驱动电路驱动。PWM驱动电路由PWM发生电路和三个光电耦合器式驱动电路组成。PWM发生电路为脉宽调制集成电路3525双路并联后晶体管输出。其输出占空比为0-98％。装置调压要得到满压，必须使PWM驱动电路输出占空比达到100％。为此，PWM发生电路输出端与三个250光电耦合器式驱动电路的输入端的串联电路并接到同一负载电阻上，即按阻断方式联接，使前者有脉冲时，后者无电流；相反，前者无脉冲期间，后者流过电流。这使驱动信号占空比变为100％-2％。三个TLP250光电耦合器构成的驱动电路的输出控制主电路三相的IGBT。电网正弦波电压经过脉宽调制后送给三相电机正弦波电压。正因为三个250光电耦合器式驱动电路输入同一个脉宽调制电流，电机三相电压高度对称。

本发明的有益效果是，一体化转速变送器，测量精度高，体积又小，安装非常方便，不用另外安装固定支架；直接引出4-20mA信号，可用于远距离控制电机。用它取转速负反馈，使交流调压调速装置可以广泛用于200kW以下的大小水泵、风机及压缩机。一般有转速反馈的交流调压调速装置的调速范围大于10∶1，节电20％以上，让工农业大规模节约用电成为可能。其中相位控制的用一体化转速变送器取反馈的交流调压调速装置最为经济；用一体化转速变送器取反馈的正弦波交流调压调速装置则使电机得到正弦电压，谐波分量小，功率因数高，而且仍然比较经济。实际上，两种调压调速装置的温升和电动机的温升都不高，且转速不随电网电压波动，也不随电机负载大小变化。转速变送器换成压力变送器或流量变送器还可以实现恒压或恒流量控制，而且自动控制系统不需要另外添置系统调节器设备。可见，用于200kW以下风机、水泵及压缩机，比变频器有独特的优点

附图说明

图1是，用一体化转速变送器取反馈的交流调压调速装置的主要系统图；

图2是，用一体化转速变送器取反馈的正弦波交流调压调速装置的主要系统图；

图3是，一体化转速变送器的纵剖面图；

图4是，一体化转速传变送器的电路图；

图5是，PWM驱动电路。

实施实例

在图1中，主电路1将三对反并联的晶闸管分别接至电机，构成典型的三相调压电路。一体化转速变送器2将电机转速变换为4-20mA恒流信号，送到比较器3，转换为电压信号，与比例积分给定电路6来的给定电压比较。比较器含可调比例放大电路，系统比例度在此调整。转速调节器4含双调积分比例分放大电路，可调积分时间达120s，系统积分时间由它调整。转速调节器收到比较器来的差值放大值，经过比例积分运算得到使系统稳定的控制电压。它决定晶闸管触发电路5的输出脉冲控制角，从而决定电机定子电压。晶闸管触发电路输出宽脉冲，脉冲宽度可调整到80°至100°。

在图2中，和图1一样，2为一体化转速变送器，3为比较器，4为含双调积分比例积分放大电路的转速调节器，6为比例积分给定电路。所不同的是，主电路8改为在电机三相电源线路中，串联整流桥与IGBT的组合器件，组成电机三相星型调压电路。交流电流经整流桥的交流一端，流过直流端IGBT，而后从交流另一端流到电机。PWM驱动电路7由3525PWM发生电路和三个250光电耦合器式驱动电路组成。前者为脉宽调制集成电路SG3525输出双路并联后晶体管输出，输出占空比为0-98％；后者用光电耦合器TLP250构成。三个250光电耦合器式驱动电路的输入端串联，由电源Ucc供电。起动继电器接点K在起动前未闭合导通，使装置送电时，电机无冲击电流。起动后K闭合，在3525集成电路输出有脉冲期间，三个250光电耦合器式驱动电路无电流；在3525集成电路输出无脉冲期间，三个250光电耦合器式驱动电路发出脉冲。这种按阻断方式的联接法，使PWM驱动电路输出的占空比为100％-2％。电机既能达到满速，又能得到低速。

在图3中，11为齿轮片，φ45，齿数60个；12为槽形光电耦合器，13为垫片，14为圆形支持盘，15为607轴承，16为传动轴，17为电机轴，18为防尘罩，19为电路板，20为绝缘垫环。轴承采用606高速滚动轴承。齿轮片、轴承内套与传动轴连接一体，可随传动轴旋转。轴承外套上胶结圆形支持盘。槽形光电耦合器通过垫片胶结在圆形支持盘上。防尘罩与圆形支持盘扣合。电路板做成圆形，中间开一个直径为φ7的圆孔。电路板用螺钉固定在绝缘垫环上；绝缘垫环用螺钉从防尘罩外固定。所有固定部分是被电源信号屏蔽电缆拉住不旋转。传动轴一端车M6螺纹，另一端开十字形螺丝刀口。在电机轴端部中心开一个M6、深15mm的螺孔。安装时，螺丝刀从防尘罩一端进入，旋转传动轴，与电机轴连接。防尘罩过孔用不干胶合格证封闭。所用引出屏蔽电缆芯线，有电源15V-24V线、4-20mA信号线及地线M三根。

在图4中，电源15V-24V经集成电路431和晶体管组成的稳压电源，供给12V电压。将槽形光电耦合器所得频率信号输入集成电路331构成的频率/电压转换电路，由其1脚输出相对逻辑地M′的0-4V电压。N1b运放跟随器作基准电源1V，抬高M′的电位1V。0-4V信号抬高到相对地M为1V-5V电压。该电压经过N1a运放跟随器送到由N1c运放和组合晶体管构成的电压/电流转换电路，转换为4-20mA信号输出。

在图5中，脉宽调制集成电路3525的2脚输入控制电压的分压0-3.6V，1和9脚联接，11、14脚接地，两路并联由13脚经晶体管输出占空比为0至98％的调制脉冲加到公用电阻上。250光电耦器式驱动电路由TLP250光电耦合器构成。其电源为～12V，输出脉冲+15V，无脉冲时输出-5V。三个光电耦合器250输入端的串联电路的正端接电源Ucc，另一端通过起动继电器接点K接到同一个公用电阻上。起动前250光电耦合器驱动电路输出占空比为零；起动后接点K闭合，占空比为100％至2％的驱动信号通过GA-EA、GB-EB，GC-EC分别送到主电路三相IGBT的驱动端。

Claims (9)

1.一种一体化转速变送器，其齿轮片(11)、轴承(15)的内套与传动轴(16)连接，可随传动轴一起旋转；在轴承的外套上，胶结固定圆形支持盘(14)，并将槽形光电耦合器(12)通过垫片(13)胶结到圆形支持盘上，防尘罩(18)与圆形支持盘扣合，它们将被电源信号屏蔽电缆拉住不旋转；槽形光电耦合器将被齿轮片的齿槽断续遮断，产生正比于电机转速的频率信号；其特征在于：它的防尘罩内装有电路板(19)，靠螺钉与绝缘垫环(20)联接，绝缘垫环从防尘罩外用螺钉固定；该电路板将槽形光电耦合器来的频率信号转换为4-20mA信号，由电源信号屏蔽电缆引出。

2.如权利要求1所述一体化转速变送器，其特征在于：它的电路板的电路是，频率信号通过集成电路LM331(331)构成的频率/电压转换电路转换为0-4V信号；该转换电路的逻辑地(M′)接运算放大器(N1b)构成的跟随器所作1V基准电源，上述信号变为1-5V，然后经过运放(N1a)构成的跟随器送到由运放(N1c)和组合晶体管构成的电压/电流转换电路，转换为4-20mA信号引出。

3.如权利要求1或权利要求2所述一体化转速变送器，其特征在于：它的电路板的回路电源由外供电源15V-24V经过集成电路SG431(431)与晶体管构成的稳压电路得到12V稳定电压。

4.如权利要求3所述一体化转速变送器，其特征在于：它的传动轴(16)的伸出端有螺纹，另一端带十字形螺丝刀口；安装时用螺丝刀从防尘罩一端伸入，穿过电路板，旋转传动轴与电机轴端的预先加工好的螺纹孔连接。

5.一种用一体化转速变送器取反馈的交流调压调速装置，由转速发送器(2)、比较器(3)、比例积分给定电路(6)、具有双调积分比例积分放大器的转速调节器(4)、晶闸管触发电路(5)和三相晶闸管调压主电路(1)组成转速闭环调节系统，其特征在于：它的转速发送器采用如权利要求1所述一体化转速变送器。

6.如权利要求5所述的用一体化转速变送器取反馈的交流调压调速装置，其特征在于：晶闸管触发电路采用输出宽脉冲的触发电路；脉冲宽度为80°至100°。

7.一种用一体化转速变送器取反馈的交流调压调速装置，由转速发送器(2)、比较器(3)、比例积分给定电路(6)、具有双调积分比例积分放大器的转速调节器(4)、PWM驱动电路(7)和由电机三相电源线路分别串接一个整流桥与IGBT的组合器件组成的三相Y接调压主电路(8)构成转速闭环调节系统，各整流桥直流侧所接IGBT由PWM驱动电路驱动，对电源正弦波电压直接进行调制，其特征在于：它的转速发送器采用如权利要求1所述一体化转速变送器。

8.如权利要求7所述的用一体化转速变送器取反馈的交流调压调速装置，其特征在于：它的PWM驱动电路采用脉宽调制集成电路SG3525(3525)输出双路并联后通过晶体管输出，按阻断接线方式与三个光电耦合器TLP250(250)驱动电路的输入端串联电路联接，使电机三相得到占空比完全相同的脉宽调制正弦波电压，占空比为100％-2％。

9.如权利要求7或权利要求8所述脉宽调制正弦波的有转速反馈交流调压调速装置，其特征在于：在它的PWM驱动电路中，三个光电耦合器TLP250(250)驱动电路的输入串联电路中，串联一个起动继电器的常开接点K。

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