CN107017782A - 高频率输出的交‑交移相变频电路、电机及电路控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频率输出的交‑交移相变频电路、电机及电路控制系统，包括连接在三相电源输入端和变频输出端之间的三组控制开关组；三相电源输入端接三相电源，变频输出端的三个变频输出连接端分别与电机定子绕组的三个电源连接端连接；每组控制开关组的输入端接三相单元的其中一相电源；每组控制开关组上并联设置有依次导通三个控制开关；每个变频输出连接端与分别与每一组控制开关组的其中一个控制开关的输出端连接，当每组控制开关依次导通时，变频输出端输出的三相电源按顺时针或者逆时针方向移相。有益效果：实现了交‑交变频的超50赫兹运行，增大了交‑交变频的调速范围；控制方便，运行可靠，在环流系统，也可实现超50赫兹运行。

Description

高频率输出的交-交移相变频电路、电机及电路控制系统
技术领域
本发明涉及交-交变频技术领域，具体的说是一种高频率输出的交-交移相变频电路、电机及电路控制系统。
背景技术
交-交变频是电气传动的一项重要交流变频调速技术，交-交变频装置是将固定频率的交流电源，直接变换成频率可调的交流输出电压。传统的交交变频电网固定频率的交流电，经过功率半导体电路直接转变为频率可调的交流电的过程。它具有损耗小、效率高的优点。由于采用半控型器件自然换流控制方式，故可靠性高，过载能力强，容量不受限制，特别适合大功率装置应用场所；功率流向可逆、易于四象限可逆运行。
但交-交变频装置存在输出频率范围小的缺点，目前交-交变频调速通常只能在25Hz以下低速运行，因此限制了交-交变频调速高速应用范围。
众所周知的，三相交流电机定子电流，产生的旋转磁场速度n0为：(转/分)，其中np为电动机极对数，f0为电源工频。若取电机每对极的旋转磁场速度以2π电角度/秒计，当中np＝1时，旋转磁场速度n0为：(转/秒)
现假定电机定子(或定子绕组)以等速度反旋转磁场方向旋转，其每对极每秒的旋转速度为fs。从图1可以看出，如果电机定子绕组原来固定的位置(t＝t0时)为图1中(a)的位置，则当时间为t1时，定子绕组已反旋转磁场方向旋转了120°电角，到达的位置具体见图1(b)，当时间为t2时，定子绕组继续反旋转磁场方向旋转120°电角，到达的位置见图1(c)。当时间为t3时，定子绕组再反旋转磁场方向旋转120°，于是又回到原始位置，具体见图1(a)，此后定子绕组继续按同一方向，作等速旋转。从电机最初的定子位置的时间t0到t1，或由t2到t3，其间隔时间均相等，令等间隔时间为Δt，则Δt的大小，决定了电机定子绕组的旋转速度。当然，无论是定子绕组或定子本身，作机械旋转是不可能的，故提出一种可实现的方案，来实现等效替代定子绕组或定子旋转的方案尤为重要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种高频率输出的交-交移相变频电路、电机及电路控制系统。实现了交-交变频的超50赫兹运行，提升了交-交变频的调速范围。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种高频率输出的交-交移相变频电路，其关键在于：包括连接在三相电源输入端和变频输出端之间的三组控制开关组；
所述三相电源输入端接三相电源，所述变频输出端包括三个变频输出连接端，该三个变频输出连接端用于与电机定子绕组的三个电源连接端连接；
每一组所述控制开关组的输入端接三相单元的其中一相电源；每一组所述控制开关组上并联设置有三个控制开关，该三个控制开关依次导通；
每一个所述变频输出连接端与分别与每一组控制开关组的其中一个控制开关的输出端连接，当每一组所述控制开关依次导通时，所述变频输出端输出的三相电源按顺时针或者逆时针方向移相。
通过上述设计，通过依次导通每一相电源的控制开关，实现对变频输出端输出的电源进行顺时针或者逆时针移相。其中导通和关断的时间可根据需要进行设置。该移相变频技术同样适应于单相电源、六相电源等变频控制。
再进一步描述，所述三组控制开关组的控制开关导通的起始时间、导通时间、导通间隔时间均相等。
再进一步描述，一种采用交-交移相变频电路的高频率输出的交-交移相变频电机，包括电机定子和电机转子，所述电机定子绕组的电源连接端作为电机电源输入端，所述电机转子输出端作为电机输出端，其关键在于：所述电机定子绕组的电源端连接变频电路的变频输出端，当所述电机定子保持不动，所述电机转子静止或者转动时，所述变频电路对电机定子绕组电源端连接的电源进行与电机转子反向或者同向方向移相，以改变电机旋转磁场的速度，改变所述电机输出端的电流输出频率；所述变频电路为交-交移相变频电路，该变频电路的三个变频输出连接端分别与所述电机定子绕组的三个绕组电源端连接。
当变频电路实现对电机定子绕组电源端连接的电源进行沿与电机转子反向或者同向方向移相，等效于使位置固定在电机槽内的电机定子绕组沿与电机转子旋转方向的同向或者反向作等速旋转，该旋转速度可通过调节控制开关的导通时间、导通间隔时间进行控制。通过上述设计，直接将工频电压，作任意等速的相角位移，以改变电动机旋转磁场的速度，从而达到平滑调节交流电机转速的目的。结合转子正反相旋转频率，进行复合变频控制，不仅可以得到输出频率与电源频率相等，而且可在电源频率以上，即交流电机可超同频运行。
控制开关导通的起始时间相同，可以使电源实现三相同时移相，电机电源不受到影响，使电机正常工作的同时实现变频控制。
三相交流电机定子电流，产生的旋转磁场速度n0为：(转/分)
式中np为电动机极对数，f0为电源工频。
若取电机每对极的旋转磁场速度以2π电角度/秒计，当np＝1时，旋转磁场速度n0为：(转/秒)
若每次移相120°电角所需时间为Δt，则每移相360°电角(每转)所需时间为3Δt。则移相速度为fs转/秒，有fs＝1/3Δt。
fs即沿与电机转子同向旋转，也可以沿电机转子反向旋转，那么合成的旋转磁场速度f为f＝f0±fs。表明输出频率等于电源频率f0与移相频率fs的和或差。
依据三相电路的特点，可以得到移相触发脉冲振荡频率fM为fM＝mfs；
其中m为相数，三相半波输出时，m＝3；三相全波输出时，m＝6。
移相触发脉冲间隔Ws为：
其中Ws的单位为按工频f0计算的电角度。
一种高频率输出的交-交移相变频电路的控制系统，包括同步检测单元和控制器；所述同步检测单元用于采集三相电源的电压信号，所述控制器的第一控制输入端与所述同步检测单元的第一输出端连接，所述控制器根据采集到的电压信号确定所述三组控制开关组的控制开关导通的起始时间；所述控制器脉冲控制输出端与脉冲触发器的第一控制信号输入端连接，所述脉冲触发器的第二控制信号输入端与所述同步检测单元的第二输出端连接，所述脉冲触发器用于分别驱动变频电路中所有所述控制开关的开通和关断；所述变频电路为高频率输出的交-交移相变频电路。
采用上述方案，同步检测单元获取到三相电源的电压信号，控制器根据该三相电源的电压信号来自动选择控制开关的触发起始点，实现智能移相。提高实现了交-交变频的超50赫兹运行，提升了交-交变频大范围的调速运行。
再进一步描述，所述控制开关为双向可控硅开关。
通过检测双向可控硅开关的电流，即可判断该双向可控硅开关是否处于关断状态。
再进一步描述，还包括管压方向采集器，所述管压方向采集器用于采集所有所述双向可控硅的导通方向；所述控制器的第二控制输入端与所述管压方向采集器的管压方向信号输出端连接，所述控制器根据所有所述双向可控硅中的导通方向来确定控制开关的开通和关断情况。
对于无环流系统，获取双向可控硅中的管压，来鉴别双向可控硅任意一相是否已经关断。管压方向采集器只有采集到双向可控硅反向电压时，才会起作用，进一步对双向可控硅关断情况进行确定。
再进一步描述，在所述脉冲触发器与三组所述控制开关组之间设置有驱动信号放大电路。
当输出频率f等于电源频率时，即f0＝50赫兹，控制方波宽度Ws在变频器为半波输出时，为60°电角。在全波输出时，只有30°电角，但是，最小的触发脉冲宽度约在10°～20°之间，所以双向可控硅须采用强功率触发，通过驱动信号放大电路，实现对双向可控硅进行驱动。
本发明的有益效果：通过该交交变频移相技术，可使输出频率从零开始，一直调到电源频率。在有环流的相同条件下，不仅可以得到输出频率与电源频率相等，而且可在电源频率以上，即交流电机可超同频运行。增大了输出频率的变化范围。控制方便可靠，无需人为参与，也无需对原有的电机的结构进行更改，方便合理，实用性强。
附图说明
图1是电机定子绕组电源连接示意图；
图2是本发明的主接线图；
图3是本发明电机连接框图；
图4是本发明系统控制框图；
图5是三相半波输出且移相触发脉冲间隔180°时的输出电压波形图；
图6是采用三相全波输出且移相触发脉冲间隔90°时的输出电压波形图；
图7是f/fs关系曲线图；
图8是三相半波变频输出电压波形图；
图9是三相全波变频输出电压波形图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
从图2可以看出，一种高频率输出的交-交移相变频电路、电机及电路控制系统，包括连接在三相电源输入端和变频输出端之间的三组控制开关组；所述三相电源输入端接三相电源，所述变频输出端包括三个变频输出连接端，该三个变频输出连接端分别与电机定子绕组的三个电源连接端连接；每一组所述控制开关组的输入端接三相单元的其中一相电源；每一组所述控制开关组上并联设置有三个控制开关，该三个控制开关依次导通；每一个所述变频输出连接端与分别与每一组控制开关组的其中一个控制开关的输出端连接，当每一组所述控制开关依次导通时，所述变频输出端输出的三相电源按顺时针或者逆时针方向移相。
从图2可以看出，在本实施例中，三相电源输入端分别为A、B、C，三组控制开关组的组成为：第一组控制开关组的控制开关编号为1，6，8，第二组控制开关组的控制开关编号为2，4，9，第三组控制开关组的控制开关编号为3，5，7。其中编号控制开关1，4，7；2，5，8；3，6，9为共阴极，它们分别构成变频器的R、S、T三相输出。
优选地，所述三组控制开关组的控制开关导通的起始时间、导通时间、导通间隔时间均相等。
从图3可以看出，一种采用交-交移相变频电路的高频率输出的交-交移相变频电机，包括电机定子和电机转子，所述电机定子绕组的电源连接端作为电机电源输入端，所述电机转子输出端作为电机输出端，所述电机定子绕组的电源端连接变频电路的变频输出端，当所述电机定子保持不动，所述电机转子静止或者转动时，所述变频电路对电机定子绕组电源端连接的电源进行沿顺时针或者逆时针方向移相，以改变电机旋转磁场的速度，改变所述电机输出端的电流输出频率；所述变频电路为交-交移相变频电路，该变频电路的三个变频输出连接端分别与所述电机定子绕组的三个绕组电源端连接。
从图4可以看出一种高频率输出的交-交移相变频电路的控制系统，包括同步检测单元和控制器；包括同步检测单元和控制器；所述同步检测单元用于采集三相电源的电压信号，所述控制器的第一控制输入端与所述同步检测单元的第一输出端连接，所述控制器根据采集到的电压信号确定所述三组控制开关组的控制开关导通的起始时间；所述控制器脉冲控制输出端与脉冲触发器的第一控制信号输入端连接，所述脉冲触发器的第二控制信号输入端与所述同步检测单元的第二输出端连接，所述脉冲触发器用于分别驱动变频电路中所有所述控制开关的开通和关断；所述变频电路为高频率输出的交-交移相变频电路。
从图2和4可以看出，在本实施例中，所述控制开关为双向可控硅开关。
在本实施例中，还包括管压方向采集器，所述管压方向采集器用于采集所有所述双向可控硅的导通方向；所述控制器的第二控制输入端与所述管压方向采集器的管压方向信号输出端连接，所述控制器根据所有所述双向可控硅中的导通方向来确定控制开关的开通和关断情况。
在本实施例中，在所述脉冲触发器与三组所述控制开关组之间设置有驱动信号放大电路。
三相交流电机定子电流，产生的旋转磁场速度n0为：(转/分)其中，np为电动机极对数，f0为电源工频。
若取电机每对极的旋转磁场速度以2π电角度/秒计，当np＝1时，旋转磁场速度n0为：(转/秒)。
当电源的移相方向与电机转子旋转相同或者相反时，那么合成的旋转磁场速度f为：f＝f0±fs；表明输出频率等于电源频率f0与移相频率fs的和或差。
依据三相电路的特点，可以得到移相触发脉冲振荡频率fM为fM＝mfs，其中m为相数，三相半波输出时，m＝3；三相全波输出时，m＝6。
移相触发脉冲间隔Ws为：其中Ws的单位为按工频f0计算的电角度。
当采用三相电源时，输出1/3工频的波形，移相脉冲间隔为从图5可以看出输出波形。
当采用六相电源时，从图6可以看出输出波形。
根据公式f＝f0±fs可以得到：f＝f0+(±fs)，即当控制频率fs为正或为负时，任何输出频率，等于电源频率与控制频率之和。
假若电源频率f0＝50赫兹，按公式f＝f0+(±fs)可列出f与fs和f与Ws相对应的数值如表1，同时还可绘出f与fs和f与Ws的关系曲线，具体见图7。
表1f与fs、Ws数值关系表
从表1、图1、图7可知：
(1)输出频率f与控制频率fs的关系为一直线，如图7所示。
(2)当移相顺序为A-C-B-A-C-B时，fs为正，输出频率f也为正，且大于电源频率f0，具体见图7第一象限的直线段。
(3)当移相顺序为A-B-C-A-B-C时，fs为负，输出频率f除为零以外，任何输出频率f均有两个相对应的控制频率fs。例如fs＝-20赫兹和fs＝-80赫兹，输出频率f为+30赫兹和-30赫兹。
(4)输出频率f从0到+50赫兹，相对应的fs为从-50到0，从图7(第二象限的直线段可以看出。
(5)输出频率f从0到-70赫兹之间，相对应的fs为从-50赫兹到-120赫兹，具体见图7第三象限直线段。
(6)输出频率f为正时，假若三相输出电压为正相序，电机为正转，如图7第二象限直线两段直线所示，输出频率f为负时，三相电压相序正好与前者相反，于是电机便反转，具体见图7第三象限直线段3。
应当指出，变频器的输出频率f，在+40赫兹至+50赫兹之间，很难在实际中应用，也就是说，40≤f≤50，形成了一个死区，但当输出频率在0与-50赫兹之间，死区不会产生，这是因为：当fs为-50赫兹至0赫兹时，输出频率f为0至50赫兹，此时，相对应的控制方波Ws在120°至∞之间。实际可用的仅为其中的一部份，即Ws在120°至600°之间，相对应的fs为–50赫兹至-10赫兹，相对应的输出频率f为0至40赫兹。
产生原因分析是由于移相速度太慢，电机转子实际上已按电网工频(f0＝50赫兹)旋转了很长一段时间(或者电角度)。从现场实际测试示波照相中可以看出，当fs﹥-10赫兹时，在每次移相瞬间，输出电压和电流波形，均产生一个尖峰，使波形畸变。以输出频率f＝45赫兹为例，相对应的控制频率fs＝-5赫兹，这相当于控制方波宽Ws为1200°电角。显而易见，此时移相是每隔1200°电角进行一次，但在每两次移相之间，电机已按工频旋转了三个多周波，如果是两极电机，则事实上电机转子已接工频旋转了三圈多。实验证明，当电机的极对数越大，输出波形反而越好，这同移相原理是相符的，因为电机极对数越大，每次移相时，电机旋转的机械角度越小。
因此，当控制频率fs为负，且在0至-50赫兹之间时，可用的输出频率f为0至40赫兹(假定f0＝50赫兹)，且电机的极对数不小于2，即至少是4极电机。
当fs在-50至-100赫兹之间时，输出频率f为0至-50赫兹，此时电机反转，但相对应的方波宽度为–120°至-60°之间，这一段对于输出频率f从0一直平滑调到电源频率，有着实际的意义。
设控制频率fs为负，输出频率f＝-5赫兹，则f＝f0+(±fs)＝50-100＝-50赫兹，即fs＝-100赫兹，基于上述条件，输出电压波形具体见图8。
从图8可知：(1)移相变频可将输出频率提升到与电源频率相等，输出的电压波形，虽然含有比较明显的三次谐波成份，但在交流电动机中性点不接零线的条件下，三次谐波不会出现。
需要说明的是，如果变频器采用三相全波，那么输出频率在接近电网频率时，它的电压波形是比较接近于正弦波形。输出波形如图9所示。图9为输出电压频率等于-50赫兹(相序A-B-C-A-B-C)的波形。
(2)为了使双向可控硅按预定的时刻关断和导通，必须采用有环流系统。
(3)当输出频率f等于电源频率时(f0＝50赫兹)，控制方波宽度Ws在变频器为半波输出时，为60°电角，在全波输出时，只有30°电角，因此最小的触发脉冲宽度约在10°～20°之间，所以双向可控硅须采用强功率触发。
(4)移相控制变频原理，同样适用于单相电源，这里不再详细熬述。
应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高频率输出的交-交移相变频电路，其特征在于：包括连接在三相电源输入端和变频输出端之间的三组控制开关组；
所述三相电源输入端接三相电源，所述变频输出端包括三个变频输出连接端，该三个变频输出连接端分别与电机定子绕组的三个电源连接端连接；
每一组所述控制开关组的输入端接三相单元的其中一相电源；每一组所述控制开关组上并联设置有三个控制开关，该三个控制开关依次导通；
每一个所述变频输出连接端与分别与每一组控制开关组的其中一个控制开关的输出端连接，当每一组所述控制开关依次导通时，所述变频输出端输出的三相电源按顺时针或者逆时针方向移相。
2.根据权利要求1所述的高频率输出的交-交移相变频电路，其特征在于：所述三组控制开关组的控制开关导通的起始时间、导通时间、导通间隔时间均相等。
3.一种采用权利要求1所述交-交移相变频电路的高频率输出的交-交移相变频电机，包括电机定子和电机转子，所述电机定子绕组的电源连接端作为电机电源输入端，所述电机转子输出端作为电机输出端，其特征在于：所述电机定子绕组的电源端连接变频电路的变频输出端，当所述电机定子保持不动，所述电机转子静止或者转动时，所述变频电路对电机定子绕组电源端连接的电源进行与电机转子反向或者同向方向移相，以改变电机旋转磁场的速度，改变所述电机输出端的电流输出频率；
所述变频电路为交-交移相变频电路，该变频电路的三个变频输出连接端分别与所述电机定子绕组的三个绕组电源端连接。
4.根据权利要求1所述的高频率输出的交-交移相变频电机，其特征在于：所述变频电路对电机定子绕组电源端连接的电源进行沿与电机转子反向移相时，所述电机旋转磁场速度f为：f＝f0+fs；
所述变频电路对电机定子绕组电源端连接的电源进行沿与电机转子同向移相时，所述电机旋转磁场速度f为：f＝f0-fs；
依据三相电路的特点，可以得到移相触发脉冲振荡频率fM为：fM＝mfs；
则移相触发脉冲间隔Ws为
其中f0为电源频率，fs为移相频率，m为相数，Ws的单位为按工频f0计算的电角度。
5.一种如权1所述的高频率输出的交-交移相变频电路的控制系统，其特征在于：包括同步检测单元和控制器；
所述同步检测单元用于采集三相电源的电压信号，所述控制器的第一控制输入端与所述同步检测单元的第一输出端连接，所述控制器根据采集到的电压信号确定所述三组控制开关组的控制开关导通的起始时间；
所述控制器脉冲控制输出端与脉冲触发器的第一控制信号输入端连接，所述脉冲触发器的第二控制信号输入端与所述同步检测单元的第二输出端连接，所述脉冲触发器用于分别驱动变频电路中所有所述控制开关的开通和关断；所述变频电路为高频率输出的交-交移相变频电路。
6.根据权利要求5所述的高频率输出的交-交移相变频电路的控制系统，其特征在于：所述控制开关为双向可控硅开关。
7.根据权利要求5所述的高频率输出的交-交移相变频电路的控制系统，其特征在于：还包括管压方向采集器，所述管压方向采集器用于采集所有所述双向可控硅的导通方向；
所述控制器的第二控制输入端与所述管压方向采集器的管压方向信号输出端连接，所述控制器根据所有所述双向可控硅中的导通方向来确定控制开关的开通和关断情况。
8.根据权利要求5所述的高频率输出的交-交移相变频电路的控制系统，其特征在于：在所述脉冲触发器与三组所述控制开关组之间设置有驱动信号放大电路。
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