CN103701336A - 一种用于磁悬浮永磁电机控制系统的开关电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于磁悬浮永磁电机控制系统的开关电源装置，其主要包括AC/DC模块、高压DC/DC模块、低压DC/DC模块以及电容组模块。该装置运行时，AC/DC模块和高压DC/DC模块的输出并联，作为磁轴承控制系统的功率部分电源和低压DC/DC模块的输入，低压DC/DC模块输出+5V、+15V以及±15V作为系统的控制部分电源。当外部电网失效时，开关电源装置的高压DC/DC模块能够继续依靠电机的回馈能量进行电压转换，继续为磁轴承系统提供电能，实现磁轴承的掉电保护功能。该发明不仅能够在正常工作情况下，对磁悬浮永磁电机系统提供控制所需电源，同时具备在外部电网掉电情况下，利用永磁电机回馈的电能为磁轴承控制系统提供电源的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于磁悬浮永磁电机控制系统的开关电源装置，用于对磁悬浮永磁电机控制系统中的磁轴承系统和电机控制系统提供所需的电源，该装置在外部电源掉电时具有对磁轴承系统的电源进行实时补偿功能，特别适用于对于电源性可靠性要求较高的高速磁悬浮永磁电机控制系统。另外，这种开关电源装置也同样适用于其他电机控制系统。
背景技术
永磁电机和直流电机、感应电机等其他类型电机相比，具有能量密度高、控制简单、维护方便等特点，可以通过直接驱动负载省掉变速箱以及附带的冷却与润滑装置，提升设备性能和可靠性，是调速和伺服系统中理想的执行电机类型。同采用机械轴承、气浮轴承等支承结构的电机相比，采用磁轴承的永磁电机具有无摩擦、无油、微振动、高能量密度等优点，在风机、压缩机、电主轴等需要高速旋转机械的领域，能够显著提高系统整体效率，具有较高的应用潜力。
磁轴承在工作时，通过控制流过线圈的电流，改变轴承的支承力，控制转子位置，提供类似传统机械轴承的刚度。但是，当出现电力故障时，如果没有可靠措施，磁轴承掉电失效后，高速旋转的转子会直接掉落在保护轴承上，大量动能瞬间转化为摩擦热能。转子与保护轴承均会受到严重的损害，影响电机使用寿命。这类问题在采用机械轴承的电机上是不存在的，因此磁轴承系统的电源可靠性问题制约了磁悬浮电机的应用范围。实际应用中，市电和工业用电由于种种原因存在一定概率的失效，此时，高速磁悬浮永磁电机系统必须具备一定的掉电保护能力，保证磁轴承在外部电力故障时能够正常工作至安全状态。
传统的磁轴承掉电保护方法是在电机系统的开关电源输入侧加装带有化学电池的不间断电源系统UPS，这种措施可以保证磁轴承在外部电力故障时能够正常工作至安全状态，但是这种装置增加了系统成本，同时化学电池对环境要求较高，需要定期维护，而高速旋转的永磁电机在外部电力故障时，电机工作在发电状态，可以通过逆变器并联的二极管进行整流，将电能回馈至直流母线，此时可以利用一定的措施，将这部分电能转化为磁轴承系统所需电源，最终电机转子以较低的转速跌落在保护轴承上，实现磁轴承系统的掉电保护功能，从而大大提高了磁轴承永磁电机系统的可靠性，拓展了磁轴承永磁电机的应用范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有普通开关电源系统无法满足磁轴承永磁电机控制系统的高可靠性要求，而采用基于化学电池的UPS会带来系统体积增加，硬件和维护成本提高等缺陷，提出一种不含有化学电池，在外部电源失效时，采用永磁电机的回馈能量对磁轴承系统进行电源补偿，实现掉电保护功能的开关电源装置。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种用于磁悬浮永磁电机控制系统的开关电源装置，包括：
AC/DC模块2：与电机控制系统1的交流电源相接，输入单相220VAC，通过AC/DC转换，输出24V至75V可调的直流电压，与高压DC/DC模块4的输出并联作为磁轴系统的功率电源，同时为低压DC/DC模块4提供输入;
电容组模块3：与电机控制系统1的直流母线和高压DC/DC模块4相接，正常工作时，作为滤波单元对电机母线上的直流电压进行滤波，为高压DC/DC模块提供稳定输入电压，系统掉电时，又作为储能单元和电机反馈电能一起为开关电源系统提供输入；
高压DC/DC模块4：与电机控制系统1的直流母线通过电容组模块3相接，输入540V直流电压，采用DC/DC转换，输出24V至75V可调的直流电压，与AC/DC模块2的输出并联，作为磁轴承系统的功率电源，同时为低压DC/DC模块4提供输出，系统掉电时，作为主要工作电路，将永磁电机回馈至电机控制系统1的直流母线上的电能继续进行转换，为系统提供电源保证磁轴承系统正常工作，实现掉电保护功能；
低压DC/DC模块5：与AC/DC模块2和高压DC/DC模块4相接，对AC/DC模块2和高压DC/DC模块4提供的24V至75V直流电压进行DC/DC转换控制，得到+5V、+15V以及±15V等电压，为电机控制系统1中的电机磁轴承控制装置提供所需电源。
其中，所述AC/DC模块2和高压DC/DC模块4均采用NCP1207A作为核心控制芯片。
其中，所述AC/DC模块2和高压DC/DC模块4采用输出并联模式，且系统上电过程为：
（1）AC/DC模块2工作，为系统提供24V至75V可调直流电压，低压DC/DC模块5正常工作，为电机控制系统1的磁轴承功率部分和控制部分提供电源；
（2）当母线电压达到100V时，高压DC/DC模块4开始正常工作，和AC/DC模块2一起为系统提供24V至75V可调直流电压，开关电源装置正常工作。
其中，所述开关电源系统异常掉电的处理过程为：
（1）AC/DC模块2首先停止工作，同时，高压DC/DC模块4继续工作，将永磁电机回馈至电机控制系统1直流母线的电能以及电容组模块3储存的电能，转化为24V至75V可调直流电压，低压DC/DC模块5正常工作，为电机控制系统1的磁轴承功率部分和控制部分提供电源；
（2）当母线电压降低至100V时，高压DC/DC模块4继续工作，但是输出电压逐渐降低，高压DC/DC模块4输出提示信号，随着电压继续降低最终停止工作。
其中，所述的AC/DC模块2和高压DC/DC模块4内部均具有防电流倒流电路，系统能够稳定安全的工作，可以省去模式切换电路。
本发明的原理：本发明开关电源装置采用两级转换，AC/DC模块和高压DC/DC模块输出并联，实现一级转换，为磁轴承系统提供功率电，同时作为低压DC/DC模块提供输入，低压DC/DC模块实现二级转换，作为电机系系统和磁轴承系统的控制用弱电。系统起动时，AC/DC模块工作，为系统提供24V至75V可调直流电压，低压DC/DC模块正常工作，为电机控制系统的磁轴承功率部分和控制部分提供电源。当母线电压达到100V时，高压DC/DC模块开始正常工作，和AC/DC模块一起为系统提供24V至75V可调直流电压，开关电源装置正常工作。当外部电力失效时，AC/DC模块首先停止工作，同时，高压DC/DC模块继续工作，将永磁电机回馈至电机控制系统直流母线上的电能以及电容组模块储存的电能，转化为24V至75V可调直流电压，低压DC/DC模块正常工作，为电机控制系统的磁轴承功率部分和控制部分提供电源。当母线电压降低至100V时，高压DC/DC模块继续工作，但是输出电压逐渐降低，高压DC/DC模块输出提示信号，随着电压继续降低最终停止工作。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过改进传统开关电源装置，采用两级转换结构，在系统上电初始采用AC/DC模块提供为磁悬浮永磁电机控制系统提供电源，在出现外部电力失效情况下，采用高压DC/DC模块对永磁电机回馈的电能进行转换，实现对于磁轴承系统的电力补偿，完成掉电保护功能，正常工作时则由AC/DC模块和DC/DC模块同时提供电源，且AC/DC模块和DC/DC模块内部均具有防电流回流电路。与现有的磁悬浮永磁电机所采用的开关电源相比具有以下特点：
（1）和广泛使用的基于UPS的磁悬浮永磁电机开关电源系统相比，本发明具有明显的优点：电源装置采用永磁电机的回馈能量作为系统在外部电力失效时，进行磁轴承系统电源补偿的能量来源，配合电容组存储的能量可以实现对于电机磁轴承的掉电保护功能，这样整个开关电源装置省去了UPS控制装置及化学电池，能够降低系统的硬件成本和维护成本，同时缩小了系统体积，和电机控制系统也可以更好的进行整合。
（2）本发明采用两级转换结构，高压转换部分采用了AC/DC模块和高压DC/DC模块输出并联的方式，系统上电时AC/DC模块进行工作，外部电力失效时则依靠高压DC/DC模块工作，电力正常时则采用AC/DC模块和高压DC/DC模块共同工作的方式，这样系统无需进行模式选择，节省了硬件部分，同时也形成了备份，增加了电源系统的可靠性。
（3）本发明采用了两级转换结构，低压转换部分则采用了模块化的低压DC/DC模块，使用者可以根据磁悬浮永磁电机控制系统的需求，对低压DC/DC模块进行配置和选择；另外，高压转换部分的AC/DC模块和高压DC/DC模块也可以进行输出参数配置，使开关电源能够匹配更多的磁悬浮永磁电机控制系统，拓展了开关电源装置的应用范围。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图2为本发明的AC/DC模块电路；
图3为本发明的高压DC/DC模块电路；
图4为本发明的低压DC/DC模块电路。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，本发明主要由AC/DC模块2、电容组模块3、高压DC/DC模块4以及低压DC/DC模块5组成。系统正常运行时，AC/DC模块2与电机控制系统1的交流电源相接，输出24至75V可调直流电压，而高压DC/DC模块4通过电容组3和电机控制系统1的直流母线相接，将540V直流电压转化为24V至75V可调直流电压，且AC/DC模块2和高压DC/DC模块4的输出并联，一方面为磁轴承系统提供功率电源，同时作为低压DC/DC模块5的输入，输出+5V、+15V以及±15V等作为电机系统和磁轴承系统的控制电源。当系统外部电力失效时，AC/DC模块2逐步停止工作，而高压DC/DC模块4作为主要工作电路继续将电容组模块3和永磁电机回馈至电机控制系统1的直流母线上的电能进行转换，为系统提供电源保证磁轴承系统正常工作，实现磁轴承系统掉电保护功能。
如图2所示，给出了本发明的AC/DC模块电路，该电路使用NCP1207作为主控制芯片，NCP1207是一款专注于反激拓扑结构，工作在准谐振模式的PWM电流型控制器，可以降低开关电源的电磁干扰，工作效率可以达到70%以上。AC/DC模块工作时，单相交流电首先通过T1、C1和C2组成的滤波器进行滤波，然后输送给单相整流桥U1，得到315V直流电压，该电压加至反激变压器T2两端，NCP1207通过输出端的R8A、R8B、R9、R9x以及TL431和光耦K1010组成的反馈网络控制MOSFET完成电压的闭环调节，AC/DC模块可以通过调节R8A、R9、R8B、R9x进行输出直流电压的调节，输出范围在24V～75V。
如图3所示，给出了本发明的高压DC/DC模块电路，该电路也是使用NCP1207作为主控制芯片，输入为永磁电机控制系统的直流母线电压，高达540V，其拓扑结构和AC/DC模块的直流转换部分类似，该电压加至反激变压器T22两端，NCP1207通过输出端的R28A、R28B、R29、R29x以及TL431和光耦K1010组成的反馈网络控制MOSFET完成电压的闭环调节，高压DC/DC模块可以通过调节R28A、R28B、R29、R29x进行输出直流电压的调节，输出范围在24V～75V。
如图4所示，给出了本发明的低压DC/DC模块电路，该电路使用DPA425作为主控制芯片，输入为AC/DC模块和高压DC/DC模块的输出电压，范围是24～75V，其拓扑结构为正激式DC/DC变换器。系统通过由R38、R39、以及TL431和光耦K1010组成的输出反馈网络将输出电压反馈回DPA425，通过控制DPA425内部的MOSFET完成了电压的闭环调节，输出+5V，其他低压DC/DC模块结构类似。
本发明虽为磁悬浮永磁电机控制系统的开关电源装置，但也可以作为一种通用的开关电源装置，适用于电机控制系统，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改系统硬件参数来灵活方便地实现其功能。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (5)
1.一种用于磁悬浮永磁电机控制系统的开关电源装置，其特征在于：该装置包括：
AC/DC模块（2）：与电机控制系统（1）的交流电源相接，输入单相220VAC，通过AC/DC转换，输出24V至75V可调的直流电压，与高压DC/DC模块（4）的输出并联作为磁轴系统的功率电源，同时为低压DC/DC模块（4）提供输入；
电容组模块（3）：与电机控制系统（1）的直流母线和高压DC/DC模块（4）相接，正常工作时，作为滤波单元对电机母线上的直流电压进行滤波，为高压DC/DC模块提供稳定输入电压，系统掉电时，又作为储能单元和电机反馈电能一起为开关电源系统提供输入；
高压DC/DC模块（4）：与电机控制系统（1）的直流母线通过电容组模块（3）相接，输入540V直流电压，采用DC/DC转换，输出24V至75V可调的直流电压，与AC/DC模块（2）的输出并联，作为磁轴承系统的功率电源，同时为低压DC/DC模块（4）提供输出，系统掉电时，作为主要工作电路，将永磁电机回馈至电机控制系统（1）的直流母线上的电能继续进行转换，为系统提供电源保证磁轴承系统正常工作，实现掉电保护功能；
低压DC/DC模块（5）：与AC/DC模块（2）和高压DC/DC模块（4）相接，对AC/DC模块（2）和高压DC/DC模块（4）提供的24V至75V直流电压进行DC/DC转换控制，得到+5V、+15V以及±15V电压，为电机控制系统（1）中的电机磁轴承控制装置提供所需电源。
2.根据权利要求1所述的用于磁悬浮永磁电机控制系统的开关电源装置，其特征在于：所述AC/DC模块（2）和高压DC/DC模块（4）均采用NCP1207A作为核心控制芯片。
3.根据权利要求1所述的用于磁悬浮永磁电机控制系统的开关电源装置，其特征在于：所述AC/DC模块（2）和高压DC/DC模块（4）采用输出并联模式，且系统上电过程为：
（1）AC/DC模块（2）工作，为系统提供24V至75V可调直流电压，低压DC/DC模块（5）正常工作，为电机控制系统（1）的磁轴承功率部分和控制部分提供电源；
（2）当母线电压达到100V时，高压DC/DC模块（4）开始正常工作，和AC/DC模块（2）一起为系统提供24V至75V可调直流电压，开关电源装置正常工作。
4.根据权利要求1所述的用于磁悬浮永磁电机控制系统的开关电源装置，其特征在于：系统异常掉电的处理过程为：
（1）AC/DC模块（2）首先停止工作，同时，高压DC/DC模块（4）继续工作，将永磁电机回馈至电机控制系统（1）直流母线的电能以及电容组模块（3）储存的电能，转化为24V至75V可调直流电压，低压DC/DC模块（5）正常工作，为电机控制系统（1）的磁轴承功率部分和控制部分提供电源；
（2）当母线电压降低至100V时，高压DC/DC模块（4）继续工作，但是输出电压逐渐降低，高压DC/DC模块（4）输出提示信号，随着电压继续降低最终停止工作。
5.根据权利要求1所述的用于磁悬浮永磁电机控制系统的开关电源装置，其特征在于：所述的AC/DC模块（2）和高压DC/DC模块（4）内部均具有防电流倒流电路，系统能够稳定安全的工作，可以省去模式切换电路。
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