CN107395090A - 一种用于单相直线斯特林电机的大功率高功率因数驱动控制器 - Google Patents

一种用于单相直线斯特林电机的大功率高功率因数驱动控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于单相直线斯特林电机的大功率高功率因数驱动控制器，包括交流电源、整流电路、功率因数校正变换器、单相逆变电路、逆变输出滤波电路、开关电源模块、微型主控制器、驱动电路、电压电流采样及调理电路、温度采样及调理电路、串口通信电路和上位机显示软件以及散热装置。本发明大大提高了系统的功率因数，减少了对电网的谐波污染，可获得更大范围的交流输出，通过级联功率因数校正变换器提高了母线电压且可控，适应于千瓦级大功率大冷量的斯特林电机。并且，通过分段滞环调制，可获得宽广的温度调节范围和较高的调节速度。

Description

一种用于单相直线斯特林电机的大功率高功率因数驱动控 制器
技术领域
本发明涉及单相直线斯特林电机驱动控制领域，特别是涉及一种用于单相直线斯特林电机的大功率高功率因数驱动控制器。
背景技术
近几十年来，低温技术为适应尖端技术的发展而迅速发展。微型低温制冷器作为低温技术的重要分支，广泛应用于军事、气象、航空航天、低温电子学、低温医学等领域,如在红外遥感、坦克装甲和潜艇去湿降温、特种电子设备制冷、医疗冰箱等很多方面均有重要应用，斯特林制冷机的发展前景十分广阔。同时随着其应用的推广，制冷量的提高，大功率大冷量的斯特林制冷机也必将在普冷行业如民用制冷具备极大的发展潜力。但由于斯特林制冷机的技术成本过高，斯特林制冷机目前主要运用于军事和航天领域，其在普冷领域的研究仍处于起步阶段，对斯特林机的驱动控制研究也还主要针对小功率、小冷量的小型斯特林电机。国内对于大功率大冷量的斯特林机还未有相应的控制器研制和应用推广。
传统的电机控制系统中，交流输入时通常采用不控整流，功率因数偏低，电流谐波大，影响电能质量。此外，控制系统中的逆变桥、开关电源以及数值较大的滤波电容等，均为非线性负载，也会给电网带来严重的谐波污染。
因此，为了保证斯特林电机的功率因数和制冷精度，保护电机的正常工作，提高其抗干扰能力，对制冷系统进行实时控制尤其重要。这就需要设计研发制冷机的驱动供电装置与温度控制器，为电机提供稳定可靠和实时的驱动控制。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的用于单相直线斯特林电机的大功率高功率因数驱动控制器。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的用于单相直线斯特林电机的大功率高功率因数驱动控制器，包括交流电源、整流电路、功率因数校正变换器、单相逆变电路、逆变输出滤波电路、开关电源模块、微型主控制器、驱动电路、电压电流采样及调理电路、温度采样及调理电路、串口通信电路、上位机显示软件以及散热装置，电压电流采样及调理电路包括电压采样电路、电压调理电路、电流采样电路和电流调理电路，温度采样及调理电路包括温度采样电路和温度调理电路；所述逆变输出滤波电路的输出端通过并联无功补偿电容Ccomp连接到单相直线斯特林电机的交流输入端，电压电流采样及调理电路用于采集经逆变输出滤波电路滤波后的的瞬时电压U0和电流I0，温度采样及调理电路用于采集指定测试点的实时温度Tnow，并送入微型主控制器，上位机显示软件用于输入给定温度值Tref到微型主控制器，并接收由微型主控制器反馈的实时电压信号Urms、电流Io和温度信号Tnow。
进一步，所述微型主控制器包括PWM信号发生模块、电压调节模块、温度调节模块、AD转换模块、过压过流保护模块、软启动模块、缓关断模块、采样调理模块和串口通信模块，通过电压采样电路中的电压传感器对斯特林电机输入端电压的模拟信号实时采样，经过电压调理电路进行放大并滤除高频谐波后，送入AD转换模块；在每个交流周期中对电压瞬时值进行72次采样，对采得的电压瞬时值进行均方根运算求得其有效值Urms后，根据实时的电压给定值Uref调整PWM信号发生模块的占空比D，并在下一个PWM计数周期开始时将占空比D更新到PWM信号发生模块的占空比寄存器中；通过温度采样电路中的温度传感器对电机制冷端的温度进行实时采样，经过温度调理电路放大、滤波后，送入AD转换模块，对转换后的数字量进行线性转换，选取适当数量的转换值作软件滤波，舍去坏值点，得到温度值Tnow；温度调节模块对Tnow进行判断并计算温度误差eT，经过滞环运算后，给出电压环设定值Uref，通过调整电压环输出改变电机的实际制冷功率Pact，直至实际温度误差被限制在可接受的范围内；微型主控制器的过压过流保护模块在实际Uo超过设定阈值Upro或Io超过Ipro时，立即关断所有PWM输出，并禁止其他模块；在控制器正常上电后，即进入微型主控制器的软启动模块，在软启动模块中不对温度进行控制，而对实际输出进行限制，使占空比D缓慢增加，避免启动瞬间因母线大电容而引起的过电流冲击；在控制器正常关断时，即进入微型主控制器的缓关断模块，在缓关断模块中亦不对温度进行控制，而控制占空比D缓慢下降到设定值Dset，避免关断之前若电机工作在较大负载下而突然关机造成的过大的引起电机剧烈震荡；开关电源模块用于为微型主控制器提供低压源，散热装置用于给重载下功率因数校正变换器中的功率开关管、二极管以及单相逆变电路中的智能功率模块提供散热。
进一步，所述功率因数校正变换器利用Boost变换器作为拓扑基础，对功率开关管进行PWM调制，通过外电压环稳定母线输出电压，内电流环保证输入侧电感电流平均值在每个调制周期内能跟踪输入交流电压波形，消除因非线性负载带来的相位差从而将整个斯特林电机控制器的输入功率因数提高到接近为1。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)对整个驱动控制系统进行功率因数的校正，大大提高了系统的输入功率因数，减少了对电网的谐波污染；
2)可获得更大范围的交流输出，通过级联功率因数校正变换器提高了母线电压且可控，适应于千瓦级大功率大冷量的斯特林电机；
3)通过分段滞环调制，可获得宽广的温度调节范围和较高的调节速度。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的单相直线斯特林电机驱动控制器结构示意图；
图2为本发明具体实施方式的单相直线斯特林电机微型主控制器功能模块示意图；
图3为本发明具体实施方式中针对1kW单相直线斯特林样机的系统联调实验波形；
图4为本发明具体实施方式的1kW单相直线斯特林样机的-130℃给定下的温度响应波形。
具体实施方式
本具体实施方式公开了一种用于单相直线斯特林电机的大功率高功率因数驱动控制器，如图1所示，包括依次级联的功率模块的交流电源、整流电路、功率因数校正变换器、单相逆变电路、逆变输出滤波电路、微型主控制器、驱动电路、电压电流采样及调理电路、温度采样及调理电路、串口通信电路、上位机显示软件以及散热装置，电压电流采样及调理电路包括电压采样电路、电压调理电路、电流采样电路和电流调理电路，温度采样及调理电路包括温度采样电路和温度调理电路；所述逆变输出滤波电路的输出端通过并联无功补偿电容Ccomp连接到单相直线斯特林电机的交流输入端，电压电流采样及调理电路用于采集逆变输出的瞬时电压U0和电流I0，温度采样及调理电路用于采集逆变输出的指定测试点的实时温度Tnow，并送入微型主控制器，上位机显示软件用于输入给定温度值Tref到微型主控制器，并接收由微型主控制器反馈的实时电压Urms和温度信号Tnow。
微型主控制器包括PWM信号发生模块、电压调节模块、温度调节模块、AD转换模块、过压过流保护模块、软启动模块、缓关断模块、采样调理模块和串口通信模块，如图2所示。通过电压采样电路中的电压传感器对斯特林电机输入端电压的模拟信号实时采样，经过电压调理电路进行放大和滤除高频谐波后，送入AD转换模块；在每个交流周期中对电压瞬时值进行72次采样，对采得的电压瞬时值进行均方根运算求得其有效值Urms后，根据实时的电压给定值Uref调整PWM信号发生模块的占空比D，并在下一个PWM计数周期开始时将占空比D更新到占空比寄存器中；通过温度采样电路对电机制冷端的温度进行实时采样，经过温度调理电路放大、滤波后，送入AD转换模块，对转换后的数字量进行线性转换计算后，选取适当数量的转换值作软件滤波，舍去坏值点后，得到温度值Tnow；温度调节模块对Tnow进行判断并计算温度误差eT，经过滞环运算后，给出电压环设定值Uref，通过调整电压环输出改变电机的实际制冷功率Pact，直至实际温度误差被限制在可接受的范围内；微型主控制器的过压过流保护模块在实际Uo或Io超过设定阈值时，立即关断所有PWM输出，并禁止其他模块；在控制器正常上电后，即进入微型主控制器的软启动模块，在软启动模块中不对温度进行控制，而对实际输出进行限制，使占空比D缓慢增加，避免启动瞬间因母线大电容而引起的过电流冲击；在控制器正常关断时，即进入微型主控制器的缓关断模块，在缓关断模块中亦不对温度进行控制，而控制占空比D缓慢下降到设定值Dset，避免关断之前若电机工作在较大负载下而突然关机造成的过大的引起电机剧烈震荡；开关电源模块用于为微型主控制器提供低压源，散热装置用于给重载下的功率开关管、二极管以及单相逆变电路中的智能功率模块散热。
功率因数校正变换器利用Boost变换器作为拓扑基础，对功率开关管进行PWM调制，通过外电压环稳定母线输出电压，内电流环保证输入侧电感电流平均值在每个调制周期内能跟踪输入交流电压波形，消除因非线性负载带来的相位差从而将微型主控制器输入功率因数提高到接近为1。
本具体实施方式还针对一台1kW单相直线斯特林电机搭建了控制装置样机实验平台，图3和图4分别给出样机的实验波形。由图3和图4可知，本具体实施方式有效提高了大功率大冷量斯特林电机的运行输入功率因数，经计算功率因数达到了99.5％以上，同时稳定运行后温度误差±1K以内，实现了大功率输出和高功率因数运行的驱动控制。

Claims (3)

1.一种用于单相直线斯特林电机的大功率高功率因数驱动控制器，其特征在于：包括交流电源、整流电路、功率因数校正变换器、单相逆变电路、逆变输出滤波电路、开关电源模块、微型主控制器、驱动电路、电压电流采样及调理电路、温度采样及调理电路、串口通信电路、上位机显示软件以及散热装置，电压电流采样及调理电路包括电压采样电路、电压调理电路、电流采样电路和电流调理电路，温度采样及调理电路包括温度采样电路和温度调理电路；所述逆变输出滤波电路的输出端通过并联无功补偿电容Ccomp连接到单相直线斯特林电机的交流输入端，电压电流采样及调理电路用于采集经逆变输出滤波电路滤波后的的瞬时电压U0和电流I0，温度采样及调理电路用于采集指定测试点的实时温度Tnow，并送入微型主控制器，上位机显示软件用于输入给定温度值Tref到微型主控制器，并接收由微型主控制器反馈的实时电压信号Urms、电流Io和温度信号Tnow。
2.根据权利要求1所述的用于单相直线斯特林电机的大功率高功率因数驱动控制器，其特征在于：所述微型主控制器包括PWM信号发生模块、电压调节模块、温度调节模块、AD转换模块、过压过流保护模块、软启动模块、缓关断模块、采样调理模块和串口通信模块，通过电压采样电路中的电压传感器对斯特林电机输入端电压的模拟信号实时采样，经过电压调理电路进行放大并滤除高频谐波后，送入AD转换模块；在每个交流周期中对电压瞬时值进行72次采样，对采得的电压瞬时值进行均方根运算求得其有效值Urms后，根据实时的电压给定值Uref调整PWM信号发生模块的占空比D，并在下一个PWM计数周期开始时将占空比D更新到PWM信号发生模块的占空比寄存器中；通过温度采样电路中的温度传感器对电机制冷端的温度进行实时采样，经过温度调理电路放大、滤波后，送入AD转换模块，对转换后的数字量进行线性转换，选取适当数量的转换值作软件滤波，舍去坏值点，得到温度值Tnow；温度调节模块对Tnow进行判断并计算温度误差eT，经过滞环运算后，给出电压环设定值Uref，通过调整电压环输出改变电机的实际制冷功率Pact，直至实际温度误差被限制在可接受的范围内；微型主控制器的过压过流保护模块在实际Uo超过设定阈值Upro或Io超过Ipro时，立即关断所有PWM输出，并禁止其他模块；在控制器正常上电后，即进入微型主控制器的软启动模块，在软启动模块中不对温度进行控制，而对实际输出进行限制，使占空比D缓慢增加，避免启动瞬间因母线大电容而引起的过电流冲击；在控制器正常关断时，即进入微型主控制器的缓关断模块，在缓关断模块中亦不对温度进行控制，而控制占空比D缓慢下降到设定值Dset，避免关断之前若电机工作在较大负载下而突然关机造成的过大的引起电机剧烈震荡；开关电源模块用于为微型主控制器提供低压源，散热装置用于给重载下功率因数校正变换器中的功率开关管、二极管以及单相逆变电路中的智能功率模块提供散热。
3.根据权利要求1所述的用于单相直线斯特林电机的大功率高功率因数驱动控制器，其特征在于：所述功率因数校正变换器利用Boost变换器作为拓扑基础，对功率开关管进行PWM调制，通过外电压环稳定母线输出电压，内电流环保证输入侧电感电流平均值在每个调制周期内能跟踪输入交流电压波形，消除因非线性负载带来的相位差从而将整个斯特林电机控制器的输入功率因数提高到接近为1。
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