CN111007309A

CN111007309A - 一种变频风机的过欠压检测方法

Info

Publication number: CN111007309A
Application number: CN201911424380.0A
Authority: CN
Inventors: 卢颖豪
Original assignee: Fans Tech Electric Co ltd
Current assignee: Fans Tech Electric Co ltd
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2039-12-30
Also published as: CN111007309B

Abstract

本发明提供了一种变频风机的过欠压检测方法，包括单相桥式整流电容滤波电路和控制芯片；所述单相桥式整流电容滤波电路与交流电源V_AC，并输出直流母线电压至控制芯片；所述交流电源V_AC的交流电频率为50HZ或60HZ，经单相桥式整流电容滤波电路整流后的频率为100HZ或120HZ；所述控制芯片包括存储单元、运算单元、计时器、故障计时器、高电压计数器；从而保证在每一个采样周期里都能采到最少一个峰值。在单一个采样周期里，对每一次采到的值进行比较，大的值留下来，小的值舍去，最后就可以得出这个周期里采到的最大值。该方法电路结构简单，且控制芯片的算法处理过程简单易操作。过欠压保护电压值在各种调速电压下和各种静压下与设计值的误差在±2VAC以内，效果良好。

Description

一种变频风机的过欠压检测方法

技术领域

本发明涉及电压检测算法技术领域，特别是涉及一种变频风机的过欠压检测方法。

背景技术

现有技术中，对母线电压的检测算法一般为当宣称额定输入电压为230VAC的风机，允许在±10％的电压范围内正常工作，即207～253VAC。但是为保证在这个范围内正常工作，算上误差，并保证冗余，调试程序上会在增加5％的公差，即过压恢复电压为264VAC(+15％，对应直流电压373VDC)，欠压恢复电压为195VAC(-15％，对应直流电压276VDC)。而过欠压保护电压值就要比这个范围再大一点，一般把这样的设定叫做“滞环”。如果过压恢复电压等于过压保护电压、欠压恢复电压等于欠压保护电压，一旦电压刚好在这个临界点上小范围波动，风机就会刚启又停、刚停又启。因此，会把过欠压保护电压设定得比过欠压恢复电压的范围再大5％，即过压保护电压为276VAC(+20％，对应直流电压390VDC，而且400VDC的铝电解电容比较常用，还有10VDC的电压余量)，欠压保护电压为184VAC(-20％，对应直流电压260VDC)。现有一般的母线电压检测算法，会检测一整个周期母线电压，然后重复每一个周期。桥式整流电容滤波电路中，功率越大，纹波就越大(如图1～3所示)；这样问题就来了。当我需要敞开状态的风机全速运转时在输入电压在184VAC以下进行欠压保护时，母线电压的波谷已经远远低于184VAC对应的直流电压260VDC了。如下面的程序实例，母线电压的波谷已经低至220VDC。这个风机需要设定母线直流电压低于220VDC时进入欠压保护。其算法为：如果在额定运转下，实际输入184VAC欠压，此时低电压标志置1，若50VDC以上开关电源能正常工作，则低电压不会损坏电路板，因此转速大于350rpm时，继续输出并减速，直到转速小于350rpm。用于应对电压跌落、断电后马上上电等非正常情况；否则转速小于等于350rpm时，变频风机停止运行，故障类型标记为过欠压，故障计时器清零并开始计时；但这种算法的不足为：当这个风机在其他有压力的工况下工作时，比如轴流风机静压越大功率越大、后向离心风机随静压增大功率先增加后减少、恒扭矩和恒流量控制的前向离心风机随静压增大功率先增加后减少，即风机功率大于额定功率时，发生欠压保护时的输入电压就变了，在还大于184VAC的输入电压时就会发生保护。而当风机功率小于额定功率时，母线电压纹波就变小了，风机就会在还小于184VAC的输入电压时就会发生保护。与额定功率相差越大，实际欠压保护电压与设定值的误差就会越大。

而现有技术中，也存在补偿算法，但其相对复杂。补偿算法是根据功率的大小，对母线电压采样结果进行补偿，减少、校正误差。但需要先用电机每相绕组电流乘以每相绕组电压，得出每相绕组的功率；再把三相绕组功率相加，得出总功率；然后根据功率大小和电压纹波大小的关系，算出每瓦功率对应母线电压采样补偿值。这需要占用大量的单片机运算资源，特别是乘法运算和浮点运算。还有，一般8位单片机资源有限，不能采用此种算法。

另外，在现有技术中的算法也存在受电容个体影响而产生较大误差。例如，铝电解电容静电容量值受影响大，铝电解电容器规格中标称的静电容量值是在20℃、0.5V、120Hz的交流电条件下测试的值。一般，铝电解电容标称的静电容量值误差为±20％。电解液受到温度的影响，化学活性也会变化。直接的表现就是同一个铝电解电容的静电容量会随着温度的变化而变化。铝电解电容中的电解液是由离子导电的液体，是真正意义上的阴极，起着连接阳极铝箔表面电介质层的作用，并通过电解纸均衡分布。而阴极铝箔类似集电极一样起着连接真正阴极和内部电路的作用。电解液是决定电容器特性(温度特性，频率特性，使用寿命等)的关键材料。电极表面积越大，容量(储存电荷的能力)越大。一般来说，温度升高，容量也会升高；温度降低，容量也会降低(如图4所示)。另外，频率越高，容量越小；频率越低，容量越大(如图5所示)。铝电解电容器电解液通过封口部向外蒸发的现象的影响，表现为静电容量的减少、损失角正切值的增大。根据Nippon Chemi-Con(NCC)给出的数据，电解液的蒸发速度和温度的关系用阿雷尼厄斯定律表示(1)(2)，即

其中，k：反应速度常数；A：频度因子；E：活性化能量；R：气体常数(8.31J/deg)；T：绝对温度(K)。

从铝电解电容制造完成开始，含浸过后的电解液透过封口橡胶、随着时间蒸发、静电容量及损失角正切超出规格的期间定义为损耗故障期(寿命)。到损耗故障为止的期间即为有效寿命。

综合上述的因素，现有的母线电压采样算法，受电容个体、使用环境温度、输入交流电频率的影响，差异非常大，而且随着时间的推移，误差更会越来越大。

因此，针对现有技术中存在的问题，亟需提供一种过欠压保护电压值在各种调速电压下和各种静压下与设计值的误差在±2V_AC以内，且效果良好的母线电压检测算法技术显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处，而提供一种变频风机的过欠压检测方法，该检测算法能将交流市电频率50HZ或60HZ，经单相桥式整流电容滤波电路整流后为100HZ或120HZ；并且设定采样频率略小于120HZ，从而保证在每一个采样周期里都能采到最少一个峰值。

从现有技术中所述的检测方法(如图1～3所示)可知，母线电压的最大值一直保持在324～325VDC，基本等于：

其中：V_MOTOR为直流母线电压，V_AC为交流输入电压，V_F为二极管正向导通压降。

基于以上发现，如图6所示，对单相桥式整流电容滤波电路的原理进行分析；单相桥式整流滤波电路包括由四个二极管D1、D2、D3、D4组成的整流桥，以及电容器CP1；所述二极管D1正极接D4负极，D1负极接D2负极，D2正极接D3负极，D3正极接D4正极；所述二极管D4和D1的连接处引线与单相交流电源V_AC的火线L连接，二极管D3与D2的连接处引线接单相交流电源V_AC的零线N；所述二极管D1与D2的连接处引线接电容器CP1正极，二极管D4与D的连接处引线接电容器CP1负极；所述电容器CP1负极接地，电容器CP1正极输出直流母线电压。

单相交流输入直流变频常用单相桥式整流电容滤波电路。设电容器两端初始电压为零，接入交流电源V_AC后，当V_AC为正半周时，V_AC通过D1、D3向电容器CP1充电；当V_AC为负半周时，经D2、D4向电容器CP1充电。

当交流电压V>V_MOTOR时，二极管D1、D3受正向电压作用而导通，此时V经过二极管D1、D3一方面向负载提供电压，另一方面向电容器CP1充电，V_MOTOR升高将如图7中的bc段，图7中bc段上的阴影部分为电路中的电流在整流电路电阻和二极管上产生的压降。V_MOTOR随着交流电压V升高到最大值√2V_AC的附近。然后，V又按正弦规律下降。当V<V_MOTOR时，二极管受反向电压作用而截止，电容器CP1又经负载放电，V_MOTOR下降，V_MOTOR波形如图7中的cd段。电容器CP1如此周而复始地进行充放电，便得到如图7所示的一个近似锯齿波的电压。

电容CP1放电的时间常数为

τ_d＝R_LC…………(4)

其中，R_L为负载等效电阻。

又因为

当负载功率增大，相当于负载等效电阻减少。τ_d越小，表明电容C放电时间越短，即放电时间越快，电容上的电压纹波也就越大。

由此可见，直流母线电压在电容充电时始终会上升到根号2倍的交流输入电压附近。即

V_peak≈√2V_AC

其中V_peak为直流母线电压周期峰值，V_AC为交流输入电压。

基于上述分析，本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种变频风机的过欠压检测方法，包括单相桥式整流电容滤波电路和控制芯片；所述单相桥式整流电容滤波电路与交流电源V_AC，并输出直流母线电压至控制芯片；所述交流电源V_AC的交流电频率为50HZ或60HZ，经单相桥式整流电容滤波电路整流后的频率为100HZ或120HZ；所述控制芯片包括存储单元、运算单元、计时器、故障计时器、高电压计数器；

所述检测方法包括以下步骤：

步骤S1：所述控制芯片预先存储各电压值和采样周期T，其中，各电压值包括整流桥二极管正向导通压降值，母线欠压电压设定值，母线过压电压设定值，母线欠压恢复电压设定值以及母线过压恢复电压设定值；

步骤S2：控制芯片计算实际母线欠压电压值，实际母线过压电压值，实际母线欠压恢复电压值和实际母线过压恢复电压值；

步骤S3：控制芯片获取当前单相桥式整流电容滤波电路的实际输出频率值f，计算出实际采样周期t，其中，t＝1/f；

步骤S4：控制芯片将实际采样周期t与采样周期T进行比较，比较方式如下：

若t＜T，则执行步骤S5～S6；

若t＞T，则执行步骤S7～S9；

步骤S5：控制芯片的计时器对实际采样周期t进行增加一，并对实际采样周期t+1内所采集到的母线实时电压值Vbus与母线电压波峰值V_peak进行比较，若Vbus＞V_peak，则Vbus＝V_peak；其中，V_peak＝√2V_AC；

步骤S6：重复执行步骤S5，直至t+1＞T时，执行步骤S7-S9；

步骤S7：控制芯片将母线电压波峰值V_peak与实际母线欠压电压值比较；比较方式如下：

若母线电压波峰值V_peak小于实际母线欠压电压值，则控制芯片将母线电压波峰值V_peak标记为低电压，且当母线电压波峰值V_peak大于50V，转速小于等于预先设定的转速阈值时，变频风机停止运行；此时控制芯片将故障类型标记为过欠压，控制芯片的故障计时器清零并开始计时；

若母线电压波峰值V_peak大于等于实际母线欠压电压值，变频风机停止运行；此时控制芯片将故障类型标记为过欠压，控制芯片的故障计时器清零并开始计时；

步骤S8：控制芯片将母线电压波峰值V_peak与实际母线过压电压值比较，比较方式如下：

若母线电压波峰值V_peak大于实际母线过压电压值，所述控制芯片的高电压计数器开始计数，当高电压计数大于控制芯片预先设定的高电压计数阈值时进入过压保护，过滤浪涌电压；所述控制芯片将母线电压波峰值V_peak标记为高电压，变频风机停止运行；此时控制芯片将故障类型标记为过欠压，控制芯片故障计时器清零并开始计时；

若母线电压波峰值V_peak小于等于实际母线过压电压值，所述控制芯片的高电压计数器清零；

步骤S9：若母线电压波峰值V_peak被标记为低电压或高电压，且当母线电压波峰值V_peak大于实际母线欠压恢复电压值、母线电压波峰值V_peak小于实际母线欠压恢复电压值时，将低电压标记、高电压标记清零；

若母线电压波峰值V_peak被标记为低电压或高电压，且当转速小于等于预先设定的转速阈值时，变频风机停止运行；此时控制芯片将故障类型标记为过欠压，控制芯片的故障计时器清零并开始计时；

若母线电压波峰值V_peak没有被标记为低电压或高电压，则控制芯片的计时器清零，即t＝0，母线电压波峰值V_peak数据清零。

以上的，在所述步骤S2中，实际母线欠压电压值为母线欠压电压设定值与整流桥二极管正向导通压降值之差；

实际母线过压电压值为母线过压电压设定值与整流桥二极管正向导通压降值之差；

实际母线欠压恢复电压值为母线欠压恢复电压设定值与整流桥二极管正向导通压降值之差；

实际母线过压恢复电压值为母线过压恢复电压设定值与整流桥二极管正向导通压降值之差。

以上的，所述采样周期T＝15ms；所述转速阈值为所述转速阈值为100～500rpm，优选350rpm；所述高电压计数阈值为4。

以上的，所述单相桥式整流电容滤波电路输入的交流电源V_AC电压为200～240V。

以上的，所述整流桥的型号包括GBP206 2A 600V，所述GBP206 2A 600V型号整流桥应用在输入功率100W以下的电路板。

以上的，所述整流桥的型号包括GBU806 8A 600V，所述GBU806 8A 600V型号整流桥应用在输入功率100W～300W的电路板。

以上的，所述整流桥的型号包括GBJ1508 15A 800V，所述GBJ1508 15A 800V型号整流桥应用在输入功率300W～1000W的电路板。

具体的，单相交流200～240VAC输入应用中，GBP206 2A 600V整流桥应用在输入功率100W以下的电路板中，GBU806 8A 600V整流桥应用在输入功率100W～300W的电路板中，GBJ1508 15A 800V整流桥应用在输入功率300W～1000W的电路板中，且满足降额要求。如图8～10所示，在其使用范围内，整流桥内二极管的正向导通压降都保持在0.5～1V这个小区间内。相比起风机正常工作时母线电压，数学上可以设定整流桥内二极管的正向导通压降一直都是1V，误差基本可以忽略不计。

具体的，单相交流市电频率都是50Hz或者60Hz，经过整流后就是100Hz或者120Hz了。因此，母线电压峰值采样周期需要略大于(1/120)S，即略大于15ms，即采样频率略小于120Hz，保证在每一个周期里都能采到最少一个峰值。在单一个周期里，对每一次采到的值进行比较，大的值留下来，小的值舍去，最后就可以得出这个周期里采到的最大值。这个值不随功率的改变而改变，只随交流输入电压的改变而改变。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种变频风机的过欠压检测方法，通过该检测方法能将交流市电频率50HZ或60HZ，经单相桥式整流电容滤波电路整流后为100HZ或120HZ；并且设定采样频率略小于120HZ，从而保证在每一个采样周期里都能采到最少一个峰值。在单一个采样周期里，对每一次采到的值进行比较，大的值留下来，小的值舍去，最后就可以得出这个周期里采到的最大值。该方法电路结构简单，且控制芯片的算法处理过程简单易操作，能有效解决现有技术的算法复杂问题。以保证同一程序、相同硬件配置电路板的相同型号风机上，过欠压保护电压值在各种调速电压下和各种静压下与设计值的误差在±2VAC以内，效果良好。

附图说明

图1为现有技术中调速电压为10V，风机全速，功率240W，纹波电压37.5V时的电压示意图；

图2为现有技术中调速电压为5V，风机半速，功率70W，纹波电压13.2V时的电压示意图；

图3为现有技术中调速电压为0V，风机待机不运转，功率1W，纹波电压3.6V时的电压示意图；

图4为现有技术中铝电解电容静电容量的温度特性示意图；

图5为现有技术中铝电解电容静电容量的频率特性示意图；

图6为本发明的单相桥式整流电容滤波电路结构示意图；

图7为本发明的单相桥式整流电容滤波电路滤波时的电压和纹波电压波形示意图；

图8为本发明的GBP206 2A 600V整流桥二极管正向导通压降与电流特性曲线示意图；

图9为本发明的GBU806 8A 600V整流桥二极管正向导通压降与电流特性曲线示意图；

图10为本发明的GBJ1508 15A 800V整流桥二极管正向导通压降与电流特性曲线示意图；

图11为本发明的控制芯片的算法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图6～11所示，本实施例提供了一种变频风机的过欠压检测方法，包括单相桥式整流电容滤波电路和控制芯片；所述单相桥式整流电容滤波电路与交流电源V_AC，并输出直流母线电压Vbus至控制芯片；所述交流电源V_AC的交流电频率为50HZ或60HZ，经单相桥式整流电容滤波电路整流后的频率为100HZ或120HZ；所述控制芯片包括存储单元、运算单元、计时器、故障计时器、高电压计数器；

所述检测方法包括以下步骤：

步骤S4：控制芯片将实际采样周期t与采样周期T进行比较，在本实施例中，T＝15ms，比较方式如下：

若t＜T，即t＜15ms，则执行步骤S5～S6；

若t＞T，即t＞15ms，则执行步骤S7～S9；

步骤S5：控制芯片的计时器对实际采样周期t进行增加一，并对实际采样周期t+1内所采集到的母线实时电压值Vbus与母线电压波峰值V_peak进行比较，若Vbus＞V_peak，则Vbus＝V_peak；其中，V_peak＝√2V_AC；假设t＝13ms，则对t＝14ms内的母线实时电压值Vbus进行采集后比较；

步骤S6：重复执行步骤S5，直至t+1＞T时，即T＝15ms，执行步骤S7-S9；

若母线电压波峰值V_peak小于实际母线欠压电压值，则控制芯片将母线电压波峰值V_peak标记为低电压，且当母线电压波峰值V_peak大于50V，转速小于等于预先设定的转速阈值时，在本实施例中，转速阈值为350rpm，变频风机停止运行；此时控制芯片将故障类型标记为过欠压，控制芯片的故障计时器清零并开始计时；

若母线电压波峰值V_peak大于实际母线过压电压值，所述控制芯片的高电压计数器开始计数，当高电压计数大于控制芯片预先设定的高电压计数阈值时进入过压保护，过滤浪涌电压；在本实施例中，高电压计数阈值为4；所述控制芯片将母线电压波峰值V_peak标记为高电压，变频风机停止运行；此时控制芯片将故障类型标记为过欠压，控制芯片故障计时器清零并开始计时；

若母线电压波峰值V_peak被标记为低电压或高电压，且当转速小于等于预先设定的转速阈值350rpm时，变频风机停止运行；此时控制芯片将故障类型标记为过欠压，控制芯片的故障计时器清零并开始计时；

本实施例中，在所述步骤S2中，实际母线欠压电压值为母线欠压电压设定值与整流桥二极管正向导通压降值之差；

当整流桥采用的型号为GBP206 2A 600V时，所述GBP206 2A 600V型号整流桥应用在输入功率100W以下的电路板。

当整流桥采用的型号为GBU806 8A 600V时，所述GBU806 8A 600V型号整流桥应用在输入功率100W～300W的电路板。

当整流桥采用的型号为GBJ1508 15A 800V，所述GBJ1508 15A 800V型号整流桥应用在输入功率300W～1000W的电路板。

具体的，单相交流200～240VAC输入应用中，GBP206 2A 600V整流桥应用在输入功率100W以下的电路板中，GBU806 8A 600V整流桥应用在输入功率100W～300W的电路板中，GBJ1508 15A 800V整流桥应用在输入功率300W～1000W的电路板中，且满足降额要求。如图6、图7、图8，在其使用范围内，整流桥内二极管的正向导通压降都保持在0.5～1V这个小区间内。相比起风机正常工作时母线电压，数学上可以设定整流桥内二极管的正向导通压降一直都是1V，误差基本可以忽略不计。

具体的，为了便于更好地理解该检测方法，控制芯片内的算法具体如下：控制芯片内程序实例如下，其中“//”后面为注释内容。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims

1.一种变频风机的过欠压检测方法，其特征在于，包括单相桥式整流电容滤波电路和控制芯片；

所述单相桥式整流电容滤波电路与交流电源V_AC，并输出直流母线电压至控制芯片；所述交流电源V_AC的交流电频率为50HZ或60HZ，经单相桥式整流电容滤波电路整流后的频率为100HZ或120HZ；所述控制芯片包括存储单元、运算单元、计时器、故障计时器、高电压计数器；

所述检测方法包括以下步骤：

若t＜T，则执行步骤S5～S6；

若t＞T，则执行步骤S7～S9；

步骤S6：重复执行步骤S5，直至t+1＞T时，执行步骤S7-S9；

2.根据权利要求1所述的一种变频风机的过欠压检测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，实际母线欠压电压值为母线欠压电压设定值与整流桥二极管正向导通压降值之差；

3.根据权利要求1所述的一种变频风机的过欠压检测方法，其特征在于，所述采样周期T＝15ms；所述转速阈值为100～500rpm；所述高电压计数阈值＝4。

4.根据权利要求1所述的一种变频风机的过欠压检测方法，其特征在于，所述单相桥式整流电容滤波电路输入的交流电源V_AC电压为200～240V。

5.根据权利要求4所述的一种变频风机的过欠压检测方法，其特征在于，所述整流桥的型号为GBP206 2A 600V，且该整流桥应用在输入功率100W以下的电路板。

6.根据权利要求4所述的一种变频风机的过欠压检测方法，其特征在于，所述整流桥的型号为GBU806 8A 600V，且该整流桥应用在输入功率100W～300W的电路板。

7.根据权利要求4所述的一种变频风机的过欠压检测方法，其特征在于，所述整流桥的型号为GBJ1508 15A 800V，且该整流桥应用在输入功率300W～1000W的电路板。

8.根据权利要求1所述的一种变频风机的过欠压检测方法，其特征在于，所述单相桥式整流滤波电路包括由四个二极管D1、D2、D3、D4组成的整流桥，以及电容器CP1；所述二极管D1正极接D4负极，D1负极接D2负极，D2正极接D3负极，D3正极接D4正极；所述二极管D4和D1的连接处引线与单相交流电源V_AC的火线L连接，二极管D3与D2的连接处引线接单相交流电源V_AC的零线N；所述二极管D1与D2的连接处引线接电容器CP1正极，二极管D4与D的连接处引线接电容器CP1负极；所述电容器CP1负极接地，电容器CP1正极输出直流母线电压。