CN106208820B - 一种具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及逆变电源技术领域，公开了一种具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源，主要包括限流环和软启动控制模块；逆变电源采集交流输出电流有效值与限流给定值之间的误差量，通过限流环得出输出控制因子，交流输出电压幅值量减去输出控制因子和交流输出电压有效值反馈量得出输出电压幅值给定量，该输出电压幅值给定量经过三环控制后使交流输出电压值降低；软启动控制模块检测逆变电源的输入信号，当输入电压信号达到一设定值时向逆变电源的控制器发出一控制信号，所述控制器根据该控制信号控制正弦波信号的幅值，使正弦波基波从0不断地上升到1，以实现输出交流电压的逐步上升。本发明具有电路结构简单和可靠的优点。

Description

一种具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源

技术领域

本发明涉及逆变电源技术领域，更具体地说，特别涉及一种具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源。

背景技术

电源车又称移动电源车，已成为经济建设中的重要运输与作业装备，可用于通信、电信、煤矿、电站、油田等相关应急用电和户外作业工作。逆变电源作为电源车的主要核心部件，主要作用是将电源车发电机发出来的幅值和频率不稳定的电压转换成负载设备所需的市电电压。负载设备各式各样，其中就包含有电机类负载。单相异步电机以其高可靠性、低成本、易于维护、结构简单、体积小等优势，广泛应用于家用电器(空调、电冰箱、电风扇、洗衣机等)、电动工具、医疗器械及轻工设备中。

由于电机直接启动时，启动电流比较大，一般为额定电流的5-7倍。如此大的启动电流一方面会加速电机的绝缘老化，降低电机的使用寿命且导致大量的能量被消耗，另一方面对启动电机的电源容量提出了更高要求，需配备几倍于额定容量的逆变电源，这无疑增加了逆变电源的成本，如启动2.1kW电机时，电机启动最大电流达70A，需配备15kW逆变电源才能满足要求；同时当电机大电流启动时，会导致电压的大幅下降，影响其他设备的正常运行。

针对电机启动时电流冲击过大这一问题，目前主要提供的方法有：自耦降压启动，可控硅软启动，变频启动等。

自耦降压启动利用自耦变压器的引出多个抽头的方式，来改变输入电压，此方法能适应不同负载启动的要求，得到的更大启动转矩能用来启动较大容量的电机；但自耦变压器体积大，启动柜所占空间大，而且受变压器发热影响，自耦变压器降压启动不能太频繁。

可控硅软启动，利用移相控制原理，控制可控硅的导通角，使电机的输入电压从零开始，按设定的函数上升，直至启动结束时赋予全电压。可控硅软启动属于无级降压启动，启动时无冲击电流，可引入闭环电流控制，使电机在启动过程中保持恒流，确保电机平稳启动。但是，可控硅启动会引起高次谐波，对输入电源有一定的影响；可控硅元件的故障高价格高；同时需新增可控硅、可控硅驱动和控制电路，成本较高。

变频器是电机控制效果比较好的控制方式，除了可实现软启动功能，还能实现变频功能，通过控制频率来调节电机的转速和转矩。变频器技术涉及到电力电子技术、控制技术及半导体技术等，使用、开发、维护成本均比较高，专门应用于电机调速并且对速度控制要求比较高的领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源，所述逆变电源采用电压幅值环、电压瞬时环和电流瞬时环三环控制方式，其还包括限流环和软启动控制模块；所述逆变电源采集交流输出电流有效值与限流给定值之间的误差量，通过限流环得出输出控制因子，并且交流输出电压幅值量减去输出控制因子和交流输出电压有效值反馈量得出输出电压幅值给定量，该输出电压幅值给定量经过电压幅值环、电压瞬时环和电流瞬时环三环控制后使交流输出电压值降低；所述软启动控制模块检测逆变电源的输入信号，当输入电压信号达到一设定值时向逆变电源的控制器发出一控制信号，所述控制器根据该控制信号控制正弦波信号的幅值，使正弦波基波从0不断地上升到1，以实现输出交流电压的逐步上升。

进一步地，所述限流环通过一限流启动电路实现，所述限流启动电路包括依次连接的电压跟随电路、全波整流电路、一阶有源滤波电路、限流环电路和输出控制因子处理电路，所述电压跟随电路连接在逆变电源的输出电流反馈端，所述输出控制因子处理电路的输出端作为电压幅值环的输入端。

进一步地，所述电压跟随电路包括电压跟随器、电阻R144和电阻R177，所述电阻R144一端、电阻R177一端均与逆变电源的输出电流反馈端连接，所述电阻R144另一端与电压跟随器的输入端征集连接，所述电阻R177另一端接地，且所述电压跟随器的输入端负极与其输出端连接。

进一步地，所述全波整流电路包括运算放大器U3A、运算放大器U3B、二极管V15和二极管V16；所述运算放大器U3A的输入端负极通过一电阻R116与电压跟随电路输出端连接，其输入端正极通过一电阻R7接地；所述二极管V15的阴极与运算放大器U3A的输出端连接，其阳极通过一电阻R10与运算放大器U3B的输入端负极连接；所述二极管V16的阳极与运算放大器U3A的输出端连接，其阴极与运算放大器U3A的输入端负极连接；所述 二极管V16的阴极还通过一电阻R9与二极管V15的阳极连接；所述运算放大器U3B的输入端正极通过一电阻R11接地，其输出端与一阶有源滤波电路连接，其输出端还通过一电阻R12与其输入端负极连接，所述电阻R12还通过一电阻R8与电压跟随电路输出端连接。

进一步地，所述一阶有源滤波电路包括运算放大器U3C和运算放大器U3D，所述运算放大器U3C的输入端负极通过一电阻R13与全波整流电路输出端连接，其输入端正极通过一电阻R16接地，其输出端通过一电阻R147与运算放大器U3D的输入端负极连接，其输出端还通过相互并联的电阻R14、电容C43与其输入端负极连接；所述运算放大器U3D的输入端正极通过一电阻R155接地，其输入端负极通过一电阻R143与其输出端连接，其输出端还与限流环电路连接。

进一步地，所述限流环电路包括运算放大器U16B和二极管V13，所述运算放大器U16B的输入端负极通过一电阻R148与一阶有源滤波电路输出端连接，其输入端正极与电阻R154、电阻R161连接，其输入端负极还与一电阻R145、电容C64连接，所述电阻R145通过一电容C65与运算放大器U16B的输出端连接，所述电容C64与运算放大器U16B的输出端连接，所述电阻R154的一端还通过电容C68连接，所述电阻R161还接地，所述电阻R154还与5V电源连接；所述二极管V13的阴极与运算放大器U16B的输出端连接，其阳极通过电阻R151与输出控制因子处理电路连接。

进一步地，所述输出控制因子处理电路包括运算放大器U1C、滑动变阻器RP1和控制端子，所述运算放大器U1C的输入端负极与限流环电路的输出端、电阻R21连接，其输入端正极通过一电阻R23接地，其输出端与一电阻R80连接，其输出端还通过一电阻R22与其输入端负极连接；所述滑动变阻器RP1的一端通过电阻R95与5V电源连接，其另一端通过电阻R20接地，其控制端与控制端子连接；所述电阻R21还依次通过电容EC1、电阻R42接地，该电阻R21还与电阻R20连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的逆变电源采用三环控制方式，包括电压幅值环、电压瞬时环和电流瞬时环，三环控制方式具有优良的控制性能，电压幅值环和电压瞬时环在控制输出电压幅值的同时控制了其波形，电流环则不仅增加了控制系统的带宽，加快了逆变电源的动态响应速度，同时还增强了对非线性负载的抗扰能力，减少了输出电压的谐波含量。

2、本发明的逆变电源在逆变电源三环控制基础上，增加的限流环路和软启动控制模块，能在大功率电机启动时有效限制启动电流在一定范围内，解决了大功率电机启动时电流过冲问题，提高了电机使用寿命，最终实现了电机的软启动。

3、本发明的逆变电源无需增加逆变电源容量、体积和控制复杂度，既能实现大功率电机启动功能，同时还能兼顾其他设备的正常运行，限流和软启动控制模块简单，可靠，是一种适用范围广、性能优良的经济适型逆变电源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源的控制原理图。

图2是本发明所述具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源中限流软启动控制模块的电路图。

图3是本发明所述具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源中输出控制因子处理电路的电路图。

图4是本发明所述具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例

参阅图1所示，本实施例提供一种具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源，所述逆变电源采用电压幅值环、电压瞬时环和电流瞬时环三环控制方式，其还包括限流环和软启动控制模块；所述逆变电源采集交流输出电流有效值与限流给定值之间的误差量，通过限流环得出输出控制因子，并且交流输出电压幅值量减去输出控制因子和交流输出电压有效值反馈量得出输出电压幅值给定量，该输出电压幅值给定量经过电压幅值环、电压瞬时环和电流瞬时环三环控制后使交流输出电压值降低；所述软启动控制模块检测逆变电源的输入信号，当输入电压信号达到一设定值时向逆变电源的控制器发出一控制信号，所述控制器根据该控制信号控制正弦波信号的幅值，使正弦波基波从0不断地上升到1，以实现输出交流电压的逐步上升。

本发明在使用时，在逆变电源三环基础上，增加一个限流环和软启动控制模块。逆变 电源采集的交流输出电流有效值与限流给定值相减后的误差量，通过限流环得到输出控制因子，输出控制因子大小代表限流程度；交流输出电压幅值量减去输出控制因子和交流输出电压有效值反馈量，就是最终的输出电压幅值给定量。

当启动电机时，交流输出电流有效值大于限流给定值，限流环得到的输出控制因子增大，从而降低最终的输出电压幅值给定值，经过逆变电源的三环控制后，交流输出电压值得以降低，交流输出电流即电机启动电流也得以降低。正是最终的输出电压幅值给定值综合考虑了输出控制因子这个变量，通过限流环和逆变电源三环的不断调节，最终实现了电机的降压限流启动功能。

而为满足逆变电源的带载启动要求，尤其是电机启动时，逆变电源增加了软启动功能。此软启动功能实现方式为：逆变电源检测逆变电源的输入电压信号，当输入电压信号上升到一定的稳定量时，向控制器发出一个信号，控制器检测到信号后，控制正弦波信号的幅值，使正弦波基波从0不断地上升到1，从而实现输出交流电压的逐步上升，防止过压冲击损坏负载。

同时，在综合考虑电机启动电压下降值和电流限流值对不同类负载设备的影响上，折衷了这两个参数，以保证各类设备同时正常工作。

参阅图2和图3所示，本发明所述的限流环通过一限流启动电路实现，所述限流启动电路包括依次连接的电压跟随电路、全波整流电路、一阶有源滤波电路、限流环电路和输出控制因子处理电路，所述电压跟随电路连接在逆变电源的输出电流反馈端，所述输出控制因子处理电路的输出端作为电压幅值环的输入端。

所述电压跟随电路包括电压跟随器、电阻R144和电阻R177，所述电阻R144一端、电阻R177一端均与逆变电源的输出电流反馈端连接，所述电阻R144另一端与电压跟随器的输入端征集连接，所述电阻R177另一端接地，且所述电压跟随器的输入端负极与其输出端连接。所述电压跟随电路具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点，在此主要起到缓冲及阻抗匹配的作用。

所述全波整流电路包括运算放大器U3A、运算放大器U3B、二极管V15和二极管V16；所述运算放大器U3A的输入端负极通过一电阻R116与电压跟随电路输出端连接，其输入端正极通过一电阻R7接地；所述二极管V15的阴极与运算放大器U3A的输出端连接，其阳极通过一电阻R10与运算放大器U3B的输入端负极连接；所述二极管V16的阳极与运算放大器U3A的输出端连接，其阴极与运算放大器U3A的输入端负极连接；所述二极管V16的阴极还通过一电阻R9与二极管V15的阳极连接；所述运算放大器U3B的输入端正极通 过一电阻R11接地，其输出端与一阶有源滤波电路连接，其输出端还通过一电阻R12与其输入端负极连接，所述电阻R12还通过一电阻R8与电压跟随电路输出端连接。

所述全波整流电路在使用时，任何微小的电压变化(变化达到uV级)都会引起二极管V15、V16的工作状态的改变，实现波形翻转，最终达到精密整流的目的。

所述一阶有源滤波电路包括运算放大器U3C和运算放大器U3D，所述运算放大器U3C的输入端负极通过一电阻R13与全波整流电路输出端连接，其输入端正极通过一电阻R16接地，其输出端通过一电阻R147与运算放大器U3D的输入端负极连接，其输出端还通过相互并联的电阻R14、电容C43与其输入端负极连接；所述运算放大器U3D的输入端正极通过一电阻R155接地，其输入端负极通过一电阻R143与其输出端连接，其输出端还与限流环电路连接。

所述一阶有源滤波电路是一种选频电路，主要为了阻止50Hz频率的信号通过，得到输出电流的相应直流量，有源滤波器具有体积小、效率高、带载能力强和频率特性好等优点。

所述限流环电路包括运算放大器U16B和二极管V13，所述运算放大器U16B的输入端负极通过一电阻R148与一阶有源滤波电路输出端连接，其输入端正极与电阻R154、电阻R161连接，其输入端负极还与一电阻R145、电容C64连接，所述电阻R145通过一电容C65与运算放大器U16B的输出端连接，所述电容C64与运算放大器U16B的输出端连接，所述电阻R154的一端还通过电容C68连接，所述电阻R161还接地，所述电阻R154还与5V电源连接；所述二极管V13的阴极与运算放大器U16B的输出端连接，其阳极通过电阻R151与输出控制因子处理电路连接。

限流环电路主要对给定输出限流电流值与输出电流误差值进行限流环处理，输出限流控制因子Iset，输出限流控制因子的大小代表的是限流程度。

所述输出控制因子处理电路包括运算放大器U1C、滑动变阻器RP1和控制端子，所述运算放大器U1C的输入端负极与限流环电路的输出端、电阻R21连接，其输入端正极通过一电阻R23接地，其输出端与一电阻R80连接，其输出端还通过一电阻R22与其输入端负极连接；所述滑动变阻器RP1的一端通过电阻R95与5V电源连接，其另一端通过电阻R20接地，其控制端与控制端子连接；所述电阻R21还依次通过电容EC1、电阻R42接地，该电阻R21还与电阻R20连接。

输出限流控制因子反馈至运算放大器U1C的9脚，交流输出电压幅值量给定由5V基准电压经过滑动变阻器RP1分压后得到，交流输出电压幅值量给定除了需减去交流输出电压有效值的反馈量外，还考虑了输出限流控制因子，才得到最终的输出电压幅值给定量。

当启动电机时，交流输出电流有效值大于限流给定值，限流环得到的输出控制因子增大，从而降低最终的输出电压幅值给定量，经过图1中逆变电源的三环控制后，交流输出电压值得以降低，交流输出电流即电机启动电流也得以降低。正是最终的输出电压幅值给定值综合考虑了输出控制因子这个变量，通过限流环和逆变电源三环的不断调节，最终实现了电机的降压限流启动功能。

下面再结合图4所示，对软启动的实现过程进一步说明：

软启动控制的实现由软件完成，当检测到输入电压达到设定值时，控制器执行软启动程序。软启动程序流程如图所示，在输入电压达到设定值之前，K＝0，正弦波输出为0；当输入电压达到设定值，正弦波的幅值步进量K每隔一个步进时间Tr自增1，正弦波输出值为Y＝K(sinwt)/N，这样，随着正弦波的幅值步进量K的不断增大，正弦波赋值也从0慢慢增大，这样，输出交流电压的逐步上升；当软启动时间T达到设定的软启动完成时间Tend时，正弦波赋值增大至基准值，从而完成电源的软启动过程。正弦波的幅值步进量K每变化一次的步进时间Tr和软启动完成时间Tend可根据负载和客户要求进行设定，需修改时也较为灵活。

本发明的逆变电源电路简单，可靠，除满足一般逆变电源性能要求外，解决了电机启动时电流过冲问题，提高了电机使用寿命，同时因无需增加逆变电源容量、体积和控制复杂度而有效降低了逆变电源成本，是一种适用范围广、性能优良的经济适用型逆变电源。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源，所述逆变电源采用电压幅值环、电压瞬时环和电流瞬时环三环控制方式，其特征在于：还包括限流环和软启动控制模块；所述逆变电源采集交流输出电流有效值与限流给定值之间的误差量，通过限流环得出输出控制因子，并且交流输出电压幅值量减去输出控制因子和交流输出电压有效值反馈量得出输出电压幅值给定量，该输出电压幅值给定量经过电压幅值环、电压瞬时环和电流瞬时环三环控制后使交流输出电压值降低；所述软启动控制模块检测逆变电源的输入信号，当输入电压信号达到一设定值时向逆变电源的控制器发出一控制信号，所述控制器根据该控制信号控制正弦波信号的幅值，使正弦波基波从0不断地上升到1，以实现输出交流电压的逐步上升；

所述限流环通过一限流启动电路实现，所述限流启动电路包括依次连接的电压跟随电路、全波整流电路、一阶有源滤波电路、限流环电路和输出控制因子处理电路，所述电压跟随电路连接在逆变电源的输出电流反馈端，所述输出控制因子处理电路的输出端作为电压幅值环的输入端。

2.根据权利要求1所述的具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源，其特征在于：所述电压跟随电路包括电压跟随器、电阻R144和电阻R177，所述电阻R144一端、电阻R177一端均与逆变电源的输出电流反馈端连接，所述电阻R144另一端与电压跟随器的输入端征集连接，所述电阻R177另一端接地，且所述电压跟随器的输入端负极与其输出端连接。

3.根据权利要求1所述的具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源，其特征在于：所述全波整流电路包括运算放大器U3A、运算放大器U3B、二极管V15和二极管V16；所述运算放大器U3A的输入端负极通过一电阻R116与电压跟随电路输出端连接，其输入端正极通过一电阻R7接地；所述二极管V15的阴极与运算放大器U3A的输出端连接，其阳极通过一电阻R10与运算放大器U3B的输入端负极连接；所述二极管V16的阳极与运算放大器U3A的输出端连接，其阴极与运算放大器U3A的输入端负极连接；所述二极管V16的阴极还通过一电阻R9与二极管V15的阳极连接；所述运算放大器U3B的输入端正极通过一电阻R11接地，其输出端与一阶有源滤波电路连接，其输出端还通过一电阻R12与其输入端负极连接，所述电阻R12还通过一电阻R8与电压跟随电路输出端连接。

4.根据权利要求1所述的具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源，其特征在于：所述一阶有源滤波电路包括运算放大器U3C和运算放大器U3D，所述运算放大器U3C的输入端负极通过一电阻R13与全波整流电路输出端连接，其输入端正极通过一电阻R16接地，其输出端通过一电阻R147与运算放大器U3D的输入端负极连接，其输出端还通过相互并联的电阻R14、电容C43与其输入端负极连接；所述运算放大器U3D的输入端正极通过一电阻R155接地，其输入端负极通过一电阻R143与其输出端连接，其输出端还与限流环电路连接。

5.根据权利要求1所述的具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源，其特征在于：所述限流环电路包括运算放大器U16B和二极管V13，所述运算放大器U16B的输入端负极通过一电阻R148与一阶有源滤波电路输出端连接，其输入端正极与电阻R154、电阻R161连接，其输入端负极还与一电阻R145、电容C64连接，所述电阻R145通过一电容C65与运算放大器U16B的输出端连接，所述电容C64与运算放大器U16B的输出端连接，所述电阻R154的一端还通过电容C68连接，所述电阻R161还接地，所述电阻R154还与5V电源连接；所述二极管V13的阴极与运算放大器U16B的输出端连接，其阳极通过电阻R151与输出控制因子处理电路连接。

6.根据权利要求1所述的具有单相异步电机软启动功能的高性能逆变电源，其特征在于：所述输出控制因子处理电路包括运算放大器U1C、滑动变阻器RP1和控制端子，所述运算放大器U1C的输入端负极与限流环电路的输出端、电阻R21连接，其输入端正极通过一电阻R23接地，其输出端与一电阻R80连接，其输出端还通过一电阻R22与其输入端负极连接；所述滑动变阻器RP1的一端通过电阻R95与5V电源连接，其另一端通过电阻R20接地，其控制端与控制端子连接；所述电阻R21还依次通过电容EC1、电阻R42接地，该电阻R21还与电阻R20连接。