CN109981030A - 母线过压保护电路、控制方法和磁悬浮压缩机 - Google Patents

母线过压保护电路、控制方法和磁悬浮压缩机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了母线过压保护电路、控制方法和磁悬浮压缩机，其中母线过压保护电路包括母线过压检测单元和控制器，所述母线过压检测单元将采集到的母线电压与阈值电压进行比较并产生过压信号TZ，当母线电压或过压信号TZ任何一个出现异常时，所述控制器调整PWM信号输出；本发明采用了硬件过压保护和软件过压保护相结合的方法，设备运行过程中，母线电压不会泵升至DCDC电源的最大输入电压（Vmax）以上，避免了磁悬浮压缩机内的轴承控制器DCDC电源因为过压而导致轴承控制器断电，进而产生碰轴的问题，提高了磁悬浮离心机系统运行的安全性和可靠性。

Description

母线过压保护电路、控制方法和磁悬浮压缩机
技术领域
本发明涉及过压保护电路，尤其涉及一种母线过压保护电路、该电路的控制方法，以及使用该电路和方法的磁悬浮压缩机。
背景技术
相对于传统的压缩机，磁悬浮压缩机具有特殊的运行特点：电机启动调速前需要将轴悬浮起来；落轴前要保证电机完全停转。四象限变频器通过前端的整流部分将电网的交流电转换为直流电并通过直流母线传递给逆变部分，逆变部分再将直流电转换为供电机使用的交流电。四象限变频器的控制器和逆变控制器使用的电源，以及轴承控制器使用的电源均为DCDC电源，DCDC电源的输入端电压均为变频器的直流母线电压。当直流母线电压处于DCDC电源的正常工作范围（Vmin-Vmax）时，DCDC电源可稳定工作；超出该范围时，DCDC电源会出现保护性的断电；若此时电机正在运行，则会发生严重的碰轴问题，甚至导致压缩机损坏。
因此，如何设计一种可以稳定直流母线电压，避免因母线电压过压导致轴承电源异常进而碰轴，是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的母线电压过压保护不完善的缺陷，本发明提出一种母线过压保护电路、控制方法和磁悬浮压缩机。
本发明采用的技术方案是设计一种母线过压保护电路，包括母线过压检测单元和控制器，所述母线过压检测单元将采集到的母线电压与阈值电压进行比较并产生过压信号TZ，当母线电压或过压信号TZ任何一个出现异常时，所述控制器调整PWM信号输出。
所述母线过压检测单元包括：电压采集模块，用于采集所述的母线电压，和电压比较模块，用于将所述母线电压阈值电压比较并输出所述过压信号TZ。
所述电压采集模块包括第一运算放大器U1，第一运算放大器U1的反相输入端通过第一电阻R1连接一条母线，第一运算放大器U1的同相输入端通过第二电阻R2连接另一条母线，第一运算放大器U1的反相输入端与地之间连接第一电容C1，第一运算放大器U1的反相输入端与其输出端之间并接第四电阻R4和第七电容C7，第一运算放大器U1的同相输入端与地之间并接第三电阻R3、第二电容C2和第三电容C3，第一运算放大器U1的输出端连接所述电压比较模块、并通过第五电阻R5连接所述控制器。
所述电压比较模块包括第三比较器U3，所述第三比较器U3的同相输入端连接基准电压Ugz，第三比较器U3的反相输入端连接所述第一运算放大器U1的输出端，第三比较器U3的输出端通过第九电阻R9输出所述过压信号TZ。
所述电压比较模块还包括基准电压模块，所述基准电压模块包括第二运算放大器U2，所述第二运算放大器U2的同相输入端连接第六电阻R6和第七电阻R7的一端，所述第六电阻R6的另一端连接直流电源，所述第七电阻R7的另一端接地，第二运算放大器U2的反相输入端连接其输出端，所述第二运算放大器U2的输出端输出所述基准电压Ugz。
一种母线过压保护电路的控制方法，其包括以下步骤：步骤10.对控制器进行PWM功能和过压功能配置；步骤20.母线过压检测单元将采集到的母线电压与阈值电压进行比较产生过压信号TZ；步骤30.当母线电压或过压信号TZ任何一个出现异常时，控制器调整PWM信号输出。
所述步骤30中母线电压出现异常的处理步骤具体包括：步骤31.将采集到母线电压换算成母线实际电压；步骤32.判断母线实际电压是否低于高压阈值，如是则继续执行步骤32；步骤33.延时T时；步骤34.判断母线电压是否低于高压阈值，如是则继续执行步骤32；步骤35.关闭控制器PWM信号，禁止PWM信号引脚发出PWM信号。
所述母线电压出现异常的处理步骤还包括：步骤36.判断母线电压是否高于安全阈值，如是则继续执行步骤36；步骤37.恢复控制器PWM信号，允许PWM信号引脚发出PWM信号，执行步骤32。
所述T时的范围为0.1毫秒到10毫秒。
所述步骤30中过压信号TZ出现异常的处理步骤包括：步骤51.判断过压信号TZ是否异常，如否则继续执行步骤51；步骤52.将控制器PWM信号引脚全部拉低锁死；步骤53.出发TZ中断，关闭控制器PWM信号，禁止PWM信号引脚发出PWM信号。
本发明还公开了一种磁悬浮压缩机，包括变频器，所述变频器中的整流控制器和逆变控制器采用上述的母线过压保护电路。
本发明还公开了一种磁悬浮压缩机，包括变频器，所述变频器中的整流控制器和逆变控制器采用上述的母线过压保护电路的控制方法。本发明提供的技术方案的有益效果是：采用了硬件过压保护和软件过压保护相结合的方法，设备运行过程中，母线电压不会泵升至DCDC电源的最大输入电压（Vmax）以上，避免了磁悬浮压缩机内的轴承控制器DCDC电源因为过压而导致轴承控制器断电，进而产生碰轴的问题，提高了磁悬浮离心机系统运行的安全性和可靠性。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是较佳实施例中母线过压检测单元电路图；
图2是较佳实施例中控制流程图；
图3是较佳实施例中原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的发明目的在与：通过软件和硬件相结合，确保了磁悬浮压缩机异常出现并导致母线电压泵升的过程中，能够及时抑制母线电压的泵升并维持在开关电源正常的工作电压范围内；避免了因为母线电压超过轴承控制器开关电源可承受的最大工作电压，而造成轴承控制器的电源异常，导致运行过程中出现严重的碰轴问题。
本发明公开了一种母线过压保护电路，包括母线过压检测单元和控制器，所述母线过压检测单元将采集到的母线电压与阈值电压进行比较并产生过压信号TZ，当母线电压或过压信号TZ任何一个出现异常时，所述控制器调整PWM信号输出。工作中，母线过压检测单元产生两个信号，一个是母线电压，一个是过压信号TZ，当母线电压超过阈值电压后，立刻产生一个有效的过压信号TZ（高电平有效或低电平有效），控制器会立刻控制整流和逆变的PWM信号引脚全部拉低，从而避免了母线继续泵生。控制器实时监测母线电压，当母线电压过高时，控制整流和逆变的PWM信号引脚全部拉低，当母线电压降至低阙值电压后，再将PWM引脚功能恢复为可输出状态。
在较佳实施例中，所述母线过压检测单元包括：电压采集模块，用于采集所述的母线电压，和电压比较模块，用于将所述母线电压阈值电压比较并输出所述过压信号TZ。
参看图1示出的较佳实施例中母线过压检测单元电路图，所述电压采集模块包括第一运算放大器U1，第一运算放大器U1的反相输入端通过第一电阻R1连接一条母线，第一运算放大器U1的同相输入端通过第二电阻R2连接另一条母线，第一运算放大器U1的反相输入端与地之间连接第一电容C1，第一运算放大器U1的反相输入端与其输出端之间并接第四电阻R4和第七电容C7，第一运算放大器U1的同相输入端与地之间并接第三电阻R3、第二电容C2和第三电容C3，第一运算放大器U1的输出端连接所述电压比较模块、并通过第五电阻R5连接所述控制器。电压采集模块实际上为一个比例缩放电路，可以将幅值较大的母线实际电压转换为电压幅值较小的直流信号供给控制器，缩放范围根据控制器（MCU）的采样范围来调整。
在较佳实施例中，所述电压比较模块包括第三比较器U3，所述第三比较器U3的同相输入端连接基准电压Ugz，第三比较器U3的反相输入端连接所述第一运算放大器U1的输出端，第三比较器U3的输出端通过第九电阻R9输出所述过压信号TZ。在图1示出的母线过压检测单元电路图中，所述电压比较模块还包括基准电压模块，所述基准电压模块包括第二运算放大器U2，所述第二运算放大器U2的同相输入端连接第六电阻R6和第七电阻R7的一端，所述第六电阻R6的另一端连接直流电源，所述第七电阻R7的另一端接地，第二运算放大器U2的反相输入端连接其输出端，所述第二运算放大器U2的输出端输出所述基准电压Ugz。基准电压模块的作用在于给出一个稳定的基准电压Ugz，电压比较模块将母线电压与基准电压Ugz比较，基准电压Ugz对应母线的最高阈值电压，当母线电压超过最高阈值电压时第三比较器U3输出低电平（作为异常信号）；否则输出高电平（做为正常信号）。图1中第八电阻R8为第三比较器U3输出端的上拉电阻，第六电容C6为输出滤波电容。第八电阻R8、第九电阻R9和第六电容C6（低通滤波单元），将比较电路输出的信号的幅度调整为控制器可以处理的高电平，同时对数字电平上叠加的高频干扰信号进行滤除，防止电平幅值的跌落造成电压TZ的误动作。
本发明公开了一种母线过压保护电路的控制方法，其包括以下步骤：步骤10.对控制器进行PWM功能和过压功能配置；步骤20.母线过压检测单元将采集到的母线电压与阈值电压进行比较产生过压信号TZ；步骤30.当母线电压或过压信号TZ任何一个出现异常时，控制器调整PWM信号输出。
工作中，控制器同时检测母线电压和过压信号TZ，当任何一个信号出现异常时，控制器会立刻控制整流和逆变的PWM信号引脚全部拉低，从而避免了母线继续泵生。
所述步骤30中母线电压出现异常的处理步骤具体包括：步骤31.将采集到母线电压换算成母线实际电压；步骤32.判断母线实际电压是否低于高压阈值（Vref1），如是则继续执行步骤32；步骤33.延时T时；步骤34.判断母线电压是否低于高压阈值（Vref1），如是则继续执行步骤32；步骤35.关闭控制器PWM信号，禁止PWM信号引脚发出PWM信号。
所述母线电压出现异常的处理步骤还包括：步骤36.判断母线电压是否高于安全阈值（Vref2），如是则继续执行步骤36；步骤37.恢复控制器PWM信号，允许PWM信号引脚发出PWM信号，执行步骤32。藉此步骤在母线电压回归正常范围后，可以及时恢复PWM调制功能。
在较佳实施例中，所述T时的范围为0.1毫秒到10毫秒。
所述步骤30中过压信号TZ出现异常的处理步骤包括：步骤51.判断过压信号TZ是否异常，如否则继续执行步骤51；步骤52.将控制器PWM信号引脚全部拉低锁死；步骤53.出发TZ中断，关闭控制器PWM信号，禁止PWM信号引脚发出PWM信号。进入中断后，关闭PWM信号，之后整流和逆变MCU不再生成PWM信号。通过上述步骤可以得知，只要检测到过压信号TZ后，不经过控制器的运算，直接将控制器的用于输出PWM信号的引脚全部拉低，此时无论软件中是否产生PWM信号，PWM引脚均无法给整流或逆变模块输出PWM控制信号。
本发明适用于各种直流变频应用中，母线电压泵升时需要快速保护的场合；同时适用于各种模拟信号超过阙值时的快速保护场合。本发明适用于两象限变频器母线电压保护，也同样适用于四象限变频器母线电压保护。
本发明还公开了一种磁悬浮压缩机，包括变频器、电机和磁悬浮轴承，磁悬浮轴承由轴承控制器控制，轴承控制器由变频器中的母线供电，所述变频器中的整流控制器和逆变控制器采用上述的母线过压保护电路。
本发明还公开了一种磁悬浮压缩机，包括变频器、电机和磁悬浮轴承，磁悬浮轴承由轴承控制器控制，轴承控制器由变频器中的母线供电，所述变频器中的整流控制器和逆变控制器采用上述的母线过压保护电路的控制方法。
以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

Claims (12)

1.一种母线过压保护电路，包括母线过压检测单元和控制器，其特征在于，所述母线过压检测单元将采集到的母线电压与阈值电压进行比较并产生过压信号TZ，当母线电压或过压信号TZ任何一个出现异常时，所述控制器调整PWM信号输出。
2.如权利要求1所述的母线过压保护电路，其特征在于，所述母线过压检测单元包括：电压采集模块，用于采集所述的母线电压，和电压比较模块，用于将所述母线电压阈值电压比较并输出所述过压信号TZ。
3.如权利要求2所述的母线过压保护电路，其特征在于，所述电压采集模块包括第一运算放大器U1，第一运算放大器U1的反相输入端通过第一电阻R1连接一条母线，第一运算放大器U1的同相输入端通过第二电阻R2连接另一条母线，第一运算放大器U1的反相输入端与地之间连接第一电容C1，第一运算放大器U1的反相输入端与其输出端之间并接第四电阻R4和第七电容C7，第一运算放大器U1的同相输入端与地之间并接第三电阻R3、第二电容C2和第三电容C3，第一运算放大器U1的输出端连接所述电压比较模块、并通过第五电阻R5连接所述控制器。
4.如权利要求3所述的母线过压保护电路，其特征在于，所述电压比较模块包括第三比较器U3，所述第三比较器U3的同相输入端连接基准电压Ugz，第三比较器U3的反相输入端连接所述第一运算放大器U1的输出端，第三比较器U3的输出端通过第九电阻R9输出所述过压信号TZ。
5.如权利要求4所述的母线过压保护电路，其特征在于，所述电压比较模块还包括基准电压模块，所述基准电压模块包括第二运算放大器U2，所述第二运算放大器U2的同相输入端连接第六电阻R6和第七电阻R7的一端，所述第六电阻R6的另一端连接直流电源，所述第七电阻R7的另一端接地，第二运算放大器U2的反相输入端连接其输出端，所述第二运算放大器U2的输出端输出所述基准电压Ugz。
6.一种母线过压保护电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤10.对控制器进行PWM功能和过压功能配置；
步骤20.母线过压检测单元将采集到的母线电压与阈值电压进行比较产生过压信号TZ；
步骤30.当母线电压或过压信号TZ任何一个出现异常时，控制器调整PWM信号输出。
7.如权利要求6所述母线过压保护电路的控制方法，其特征在于，所述步骤30中母线电压出现异常的处理步骤具体包括：
步骤31.将采集到母线电压换算成母线实际电压；
步骤32.判断母线实际电压是否低于高压阈值，如是则继续执行步骤32；
步骤33.延时T时；
步骤34.判断母线电压是否低于高压阈值，如是则继续执行步骤32；
步骤35.关闭控制器PWM信号，禁止PWM信号引脚发出PWM信号。
8.如权利要求7所述的母线过压保护电路的控制方法，其特征在于，所述母线电压出现异常的处理步骤还包括：
步骤36.判断母线电压是否高于安全阈值，如是则继续执行步骤36；
步骤37.恢复控制器PWM信号，允许PWM信号引脚发出PWM信号，执行步骤32。
9.如权利要求7所述的母线过压保护电路的控制方法，其特征在于，所述T时的范围为0.1毫秒到10毫秒。
10.如权利要求6所述的母线过压保护电路的控制方法，其特征在于，所述步骤30中过压信号TZ出现异常的处理步骤包括：
步骤51.判断过压信号TZ是否异常，如否则继续执行步骤51；
步骤52.将控制器PWM信号引脚全部拉低锁死；
步骤53.出发TZ中断，关闭控制器PWM信号，禁止PWM信号引脚发出PWM信号。
11.一种磁悬浮压缩机，包括变频器，其特征在于，所述变频器中的整流控制器和逆变控制器采用权利要求1至5任一项所述的母线过压保护电路。
12.一种磁悬浮压缩机，包括变频器，其特征在于，所述变频器中的整流控制器和逆变控制器采用权利要求6至10任一项所述的母线过压保护电路的控制方法。
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