CN1024306C - 交流电动机变频调速方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于交流电动机的变频调速方法及装置。主要由控制电路和主电路两部分组成。与原有的同类装置相比，具有对开关器件的性能要求较低的特点，便于用较小功率的开关器件组成大功率的调整装置；供给电动机的电压波形较好(有害谐波成分低，无尖峰脉冲)；电动机运行时无高频噪声污染，也不存在对电网的高频干扰。

Description

本发明涉及三相交流电动机的一种变频调速方法及装置。

三相交流电动机是当前工业生产上所采用的最主要的动力机。但要实现交流电动机的平滑调速却相当困难，实际应用中有许多地方迫切需要能调节三相交流电动机的转速以节省电能的消耗。

现有技术中交流电动机的变频调速方法和装置主要有两种类型：利用可控硅进行逆变和利用高速开关进行脉冲宽度调制的PWM型。这些装置已在实用中发挥了很大的作用，证实了调节交流电动机转速对节能的重大意义，但也存在不少问题阻碍交流电动机调速装置的实施应用。这些问题主要是由于调频变速方法的设计带来的如：控制电路结构复杂，不便于制造、调试和维修;可控硅逆变型效率低，对电网有严重的高频干扰;PWM型对器件的要求高，难以制造大功率装置，并有尖峰脉冲存在使运行的电动机产生噪声污染。

本发明的目的在于提供一种交流电动机变频调速方法及装置，克服上述原有这类装置的缺点和不足，特别适合于有单独变压器供电的电动机和制造较大功率的变频调速装置。

本发明交流电动机变频调速的方法，在于利用整流器和滤波器及变压器将三相交流市电整流成极性和大小不同的一组多级直流电压，采用阶梯波来逼近正弦交流电波，并用改变一周内各阶梯相对宽度的方法（阶梯调宽式）来调节有用基波电压的大小，使用三组晶体管开关（或其他开关）将上述多级直流电压按一定的顺序和周期分别与三相电动机的三相定子绕组接通，使三相电动机得到呈阶梯波形的三相交流电供电。用微处理器控制上述三组晶体管开关与各级电压接通的周期以改变对三相电动机供电的频率，并控制上述三组晶体管开关中各开关在一周内接通相应电压的相对时间，以改变对三相电动机供电的有效电压幅度（基波幅度），使三相电动机所得有效电压的幅值与频率成正 比变化，满足恒转矩调速的要求。选择上述三组开关的开关模式（开闭规律）使供电给三相电动机的阶梯波电压中的有害谐波成份减至最小，并使本发明的装置在三相电动机的功率因数为0.8～0.87以上时可以自然续流。

图1、交流电动机变频调速装置电路示意图。

图2、交流电动机变频调速装置主电路图。

图3、大功率晶体管（GTR）构成的开关电路图。

图4、典型阶梯波波形及其基波示意图。

图5、开关接通时序分布图。

图6、一般阶梯波波形示意图。

以下结合附图详细说明：图1下部的虚线框内为本发明的控制电路，其余（上部）为本发明的主电路部分。控制电路由电位器1连接模/数转换器（A/D）2构成频率给定输入器，进而连接微处理器3（8031单片机）;微处理器3分别连通扩展接口5、程序存贮器4及主电路中的过流保护器17。扩展接口5分别连通显示器6、计数器7及开关模式贮存器8。计数器7顺序连通开关模式贮存器8、驱动器9、光耦合器10、驱动级11。其中驱动器9还连接主电路中的过流保护器17，驱动级11连通主电路中的开关（GTR）18。

主电路中的闸刀12连通电源，其另一端通过保险13连通两路电路。一路直接连通整流滤波器15、过流保护器17、开关（GTR）18的两开关点，最后连通电动机19。另一路经变压器（TP）14后，连通整流滤波器16、过流保护器17、开关（GTR）18的三个开关点，最后连通电动机19。

如图2，整流滤波器15是由二极管D₁～D₆和电容C_A、C_D构成的三相双半波整流并滤波电路，经整流后的电流经过流保护器17后连通开关（GTR）18，其中由D₁、D₃、D₅和C_D整流的正半波与开关 18三组中的A₅、B₅、C₅连通，由D₂、D₄、D₆和C_A整流的负半波与开关18三组中的A₁、B₁、C₁连通。整流滤波器16由二极管D₇～D₁₂和电容C_B、C_C构成，其一端与变压器14连接，另一端连通过流保护器17进而连接开关18。其中D₇、D₉、D₁₁整流和C_C滤波的正半波经过流保护器17后与开关18三组开关中的A₄、B₄、C₄连通。由D₈、D₁₀、D₁₂和C_B整流滤波的负半波经过流保护器17后与开关18三组中的A₂、B₂、C₂连通。开关18三组中的A₃、B₃、C₃与零压端连通。开关18分为A、B、C三组，每组分别为A₁～A₅、B₁～B₅、C₁～C₅。A组、B组、C组的各开关点按序分别连接成一路，对应连接电动机的三相输入端子。

如图3，开关18三组中的任一开关如A₁、B₁、C₁……等，可由两个晶体管（GTR）T₁、T₂复合而成，T₁的集电极与发射极之间跨接二极管D₂₃，T₁的集电极经两个串连的二极管D₂₁、D₂₂与正电源相接，T₂的集电极接在D₂₁、D₂₂之间，T₂的发射极接T₁的基极，偏置电源E的正端接T₁的发射极，负端经电阻R₁与R₂分别接T₁与T₂的基极。

实施例：本发明的方法和装置是利用整流器和滤波器及变压器将50H_Z市电整流出大小与级性不同的一组直流电压U₁、U₂＝1/2U₁、U₃＝0、U₄＝-U₂、U₅＝-U₁，然后按一定规律用一组开关把这组电压与负载接通，每次接通一个电压，周期性地循环。在每一循环周期T内，负载上可获得如图4所示的阶梯波，此阶梯波的基波（图4中虚线所示）即为电动机负载的有效交流电压。此基波的幅度U_1m是各级电压在一周期T内相对导通时间T₁/T，T₂/T，T₃/T的函数。也就是说，负载所得交流电的周期是这组开关完成一次循环接通的周期T，或交流电的频率f＝1/T，调整T也就改变了负载所得交流电的频率f。此外，在改变T的同时相应地调节T₁、T₂、和T₃，就可使负载 上的有效电压

并与f之比保持常数，满足对电动机恒转矩调速的要求。

我们把使用上方法设计的变频调速装置定名为阶梯调宽式，简称SWM（Step    Width    Modolation），就是因为其基本原理是用阶梯波来逼近正弦交流电，而用改变一周内各阶梯的相对宽度来调节有用基波电压的大小。

图2所示为这种调速装置的主电路原理图。其中二级管D₁～D₆直接将三相交流市电整流成正的和负的最大直流电压U₁和U₅。正和负的电压U₂和U₄则是用自耦变压器TP将电源电压降低一半后用二极管D₇～D₁₂整流得到的。三相自耦变压器TP的中点即作为零压U₃的输出。各级整流电压的输出都用电容器滤波（图2中的C_A～C_D）。

A₁～A₅，B₁～B₅，C₁～C₅为开关18所含的三组开关。各组开关中接同一电压的各输入端联在一起，并经过流保护器17接到相应的各级电压U₁～U₅，其输出端分别连接到三相电动机的接线端子A、B、和C。这三组开关按同样的顺序和周期循环接通，但在相位上（时间上）互差120°（T/3），因此形成三相对称的交流电。

用大功率晶体管（GTR）构成的主电路开关如图3所示。由于负载电流常较大，需要用多级复合管作电路的开断，图中由T₁和T₂两级复合而成。D₂₂用以加深T₁管导通时的管压降。由于一般GRT耐反向击穿的能力有限，所以在电路上加有二极管D₂₁和D₂₃使反向电压由二极管D₂₁承受。这样组成的开关是单向导电的，当它开启时只允许电流沿图示箭头方向流过。

由于电动机是感性负载，其电流滞后电压一定的相位差。当电压从正的转换到零时，其电流不能立即为零，而要保持正向流动一定时 间，而当电压从负的转换到零时电流也要持续反向流动一段时间。所以主电路中各相接通零电压U₃的开关A₃、B₃和C₃…等实际上由A⁺ ₃、A^- ₃，B⁺ ₃、B^- ₃，C⁺ ₃、C^- ₃等6个开关构成，也就是每相相当于有两个零压开关，各允许电流沿互相相反的方向流通。当A相（或B相或C相）电压从负半周返回零时接通反向导通的零压开关A^- ₃（或B^- ₃或C^- ₃）。由于在电路中设置了零压开关，不仅有利于改善电压的波形，而且可以基本上实现自然续流，避免了原有调速装置在续流上产生的问题。如果零压开关导通的时间为T/12～T/10，则当负载的功率因数在0.8～0.866及以上时可以完全地自然续流。为了给低功率因数的场合也提供续流通路，可在接最高正负压的两个开关上反并联续流二极管。

因为所有开关都是单向导电的，所以各级电压在换接过程中都可以采取“先通后断”的方式。比如A相电压从U₂换接到U₁时应先接通A₁，再断开A₂。这样就可以使负载电流在任何时候都有通路存在，不会产生电路瞬间断开而出现的很大尖锋电压和电流脉冲。在一个周期中各开关接通的时序分布如图5所示。本实用新型所产生的大小和极向不同的5级电压U₁、U₂…，分别与三组开关中的A₁、A₂…，B₁、B₂…，C₁、C₂…一一对应连通，以此实现采用阶梯波逼近正弦交流电波波形，并用改变一周内各阶梯的相对宽度来调节有用基波电压的大小。

从以上所述可见，要实现有5级电压的阶梯波，每相需要有6个开关，3相共计要用18个开关，每个开关在一周内只作1～2次开闭，而不象PWM那样要作数十甚至上百次的开闭动作，因而每个管的功耗大大下降。加之在每周内每管的导通时间最长不超过T/3，因而在同样的负载条件下，可用较小的开关管，或者说在管子的功率一定的条件下，本发明调速装置的容量可以做得比PWM式大，从而提高调速装置的容量。

阶梯波的波形选择：一个5级电压的交流阶梯波的波形如图6所示。这是一个半波对称的奇函数，根据付氏分析，它的各次谐波的幅值为：

其中n＝奇数，为谐波的次数。

当n＝1时可求出基波的幅值

因为交流电动机在作恒转矩调速时要求其基波电压U₁与频率成正比的变化，也就是说，在给定频率f后U₁的大小也就定了。但从式（2）可见，U₁是阶梯波形参数α₁、α₂、α₃的函数，这表明在给定f后还可以再提出两个约束条件作为波形选择的依据。现在所选的两个条件是：α₁≥30°。使功率因数≥0.866的负载可以自然续流;另一是使有害的5次谐波的幅值为最小。

因为电动机运行时对电压的要求并不十分严格，允许有几个百分点的变化。所以实际上可不必对应每一频率都改变一次波形（改变α₁、α₂、α₃），而可以对应一定的频率段作一次波形调整。可将0～60H_Z（0～120%额定转速）划分为16个频率段，根据α₁≥30°和使U₅最小的原则来选定波形的参数值。这样选定的波形经计算证明，当电动机的转速调节在额定转速的82%以下时（频率在41H_Z以下）最有害的5次谐波与基波的比小于3%，远比用逆变方式的调速装置的20～40%为小，而且也不存在PWM方式中的尖锋脉冲。

在各频率段的阶梯波形确定以后也就决定了主电路中每组的各个开关应如何动作的模式。实际的频率分段数和每一区间的开关动作模式可以根据具体情况作适当调整。

图1所示为用单片机8031组成的本发明调速装置的控制电路框 图。也可以用其它微处理机芯片来产生所需的开关信号。因为本发明在一周内每个开关只动作1～2次，而不像PWM要求有数十以至上百次动作，因而任何微处理机芯片都不难满足要求。在图1中，转速（频率）给定电位器1，它的输出电压从0～5伏可调，代表0～120%的额定转速（0～60H_Z）。这个电压是模拟量，经模/数（A/D）转换器2送往单片机3。也可用一个码盘代替电位器来设定转速。这样可省去模/数转换器。单片机3根据贮存器（EPROM）4中的程序，把输入电压转化成相应的频率，并据此控制扩展接口5，使其产生与给定转速相应的开关模式信号和定时脉冲，前者直接送往开关模式存贮器8，后者经计数器7送往存贮器8。存贮器8产生的开关模式信号，经驱动器9加强后驱动光耦合器10，由光耦合器10把控制电路（单片机系统）与主电路（强电系统）隔离，并把开关模式信号送往GTR的驱动级11。另外，在扩展接口5上接有显示器6，以显示系统当前的运行频率或状态。在主电路中接有过流保护器17，一旦发生短路或其它故障，产生可能损坏元件的大电流，过流保护元件17迅速发出信号，中断驱动信号的产生和送往GTR的驱动级，使主电路中所有的开关断开。

本发明主要由控制电路和主电路两部分组成，与现有的同类装置相比，具有结构简单、对开关器件的性能要求较低的特点，便于用较小功率的开关器件制造大功率的调速装置;供给电动机的电压波形较好（有害谐波成分低、无尖锋脉冲）;电动机运行时无高频噪声污染，不存在对电网的高频干扰。

Claims (4)

1、交流电动机变频调速的方法，采用阶梯波来逼近正弦交流电波，并用改变一周内各阶梯相对宽度的方法(阶梯调宽式)来调节有用基波电压的大小，其特征在于：利用整流器和滤波器及变压器将三相交流市电整流成极性和大小不同的一组多级直流电压，使用三组晶体管开关(或其他开关)将上述多级直流电压按一定的顺序和周期分别与三相电动机的三相定子绕组接通，使三相电动机得到呈阶梯波形的三相交流电供电；用微处理器控制上述三组晶体管开关与各级电压接通的周期以改变对三相电动机供电的频率，并控制上述三组晶体管开关中各开关在一周内接通相应电压的相对时间，以改变对三相电动机供电的有效电压幅度(基波幅度)，使三相电动机所得有效电压的幅值与频率成正比变化，满足恒转矩调速的要求。

2、一种交流电动机变频调速装置，包括单片机（微处理器）、显示器、扩展接口、计数器、变压器、整流滤波器、过流保护器等构成，其特征在于：控制电路由电位器（1）连接模/数转换器（A/D）（2）构成频率给定输入器，进而连接微处理器（3）（8031单片机），微处理器（3）分别接通扩展接口（5），程序贮存器（4）及主电路中的过流保护器（17），扩展接口（5）分别连通显示器（6）、计数器（7）及开关模式贮存器（8），计数器（7）顺序连通开关模式贮存器（8）、驱动器（9）、光耦合器（10）、驱动级（11），其中驱动器（9）连通主电路中的过流保护器（17），驱动级（11）连通主电路中的开关（GTR）（18）;主电路中的闸刀（12）连通电源，其另一端通过保险（13）连通两路电路，一路直接连通整流滤波器（15）、过流保护器（17）、开关（GTR）（18）的两开关点，最后连通电动机（19）;另一路经变压器（TP）（14）后，连通整流滤波器（16）、过流保护器（17）、开关（GTR）（18）的三个开关点，最后连通电动机（19）;整流滤波器（15）是由二级管（D₁～D₆）和电容（C_A）、（C_D）构成的三相双半波整流并滤波电路，经整流后的电流经过流保护器（17）后连通开关（GTR）（18），其中由（D₁）、（D₃）、（D₅）和（C_D）整流的半波与开关（18）三组的（A₅）、（B₅）、（C₅）连通，由（D₂）、（D₄）、（D₆）和（C_A）整流的半波与开关（18）三组的（A₁）、（B₁）、（C₁）连通;整流滤波器（16）由二极管（D₇～D₁₂）和电容（C_B）、（C_C）构成，其一端与变压器（14）连接，另一端连通过流保护器（17）进而连接开关（18），其中（D₇）、（D₉）、（D₁₁）和（C_C）整流的半波经过流保护器（17）后与开关（18）三组开关中的（A₄）、（B₄）、（C₄）连通，由（D₈）、（D₁₀）、（D₁₂）和（C_B）整流的半波经过流保护器（17）后与开关（18）三组中的（A₂）、（B₂）、（C₂）连通，开关（18）三组中（A₃）、（B₃）、（C₃）与零压端连通;开关（18）分为A、B、C三组，每组分别为（A₁～A₅），（B₁～B₅）、（C₁～C₅），A组、B组、C组的各开关点分别连接成一路后对应连接电动机的三相输入端子，所产生的大小和极向不同的5级电压U₁、U₂…，分别与三组开关中的（A₁），（A₂）…，（B₁）、（B₂）…，（C₁）、（C₂）…一一对应连通，以此实现采用阶梯波逼近正弦交流电波波形，并用改变一周内各阶梯的相对宽度来调节有用基波电压的大小。

3、根据权利要求2所述的交流电动机变频调速装置，其特征在于：开关（18）三组中的任一开关如（A₁）、（B₁）、（C₁）等由两个（GTR）（T₁）、（T₂）两级复合而成，T₁的集电极与发射极之间跨接二级管（D₂₃），T₁的集电极经串联二极管（D₂₁）、（D₂₃）与正电源相接，T₂的集电极接在（D₂₁）、（D₂₁），之间，T₂的发射极接T₁的基极，偏置电源（E）的正端接T₁的发射极，负端经电阻（R₁）与（R₂）分别接T₁与T₂的基极（R₁）和（R₂）。

4、根据权利要求2所述的交流电动机变频调速装置，其特征在于：频率给定输入器可以是一个码盘。

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