CN113757152B - 一种辅助变流器风机调速控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助变流器风机调速控制电路及控制方法，此控制电路包括脉冲产生单元和滤波单元，所述脉冲产生单元的输出端与所述滤波单元的输入端相连，所述脉冲产生单元用于产生占空比可调的脉冲信号，所述滤波单元用于滤除脉冲信号的交流分量，而得到直流电压以作为辅助变流器风机的调速信号。此控制方法包括步骤：1)脉冲产生单元产生占空比可调的脉冲信号；2)所述滤波单元滤除脉冲信号的交流分量而得到直流电压，作为辅助变流器风机的调速信号，对辅助变流器风机进行调速。本发明具有电路结构简单、易于实现、成本低、通过脉冲信号形成直流电压调速信号、能耗低等优点。

Description

一种辅助变流器风机调速控制电路及控制方法

技术领域

本发明涉及辅助变流器技术领域，具体涉及一种辅助变流器风机调速控制电路及控制方法。

背景技术

轨道交通车辆的辅助变流器中的变频风机通常由变频器和风机电机两大部分组成，风机的供电电源通常有交流3AC380V和DC24V/110V三种制式。风机的调速信号一般为直流模拟量，通过调节该信号的电平，改变变频器输出电压的频率，从而调节风机的转速，最终控制风道的风量和风速，如图1所示。

其中某一型号风机的调速信号V_ctrl与转速n的关系如图2所示。调速信号电平小于1V时，风机不启动；调速信号从1V～10V变化时，转速线性增加；调速信号超过10V，维持最大转速。由于调节风机转速需要改变风机调速电平(模拟量0～10V)，风机控制器(如DSP)模拟量输出电压范围有限，无法直接调节。因此城轨牵引系统辅助变流器冷却风机采取多级调速的方案，如图2所示：该方案通过电阻串联分压，调节变频器输入端的调速信号V_ctrl；其中V_cc为控制电源电压，在城轨辅变中为DC24V或DC110V，R₁为调速信号电阻，R₂～R_n为分压电阻。根据用户设定的调速需求，控制器调节继电器K₂～K_n闭合或断开，从而改变R₁上的电压，即调速信号电压：

式中i为K₂～K_n中断开的继电器序号。

该方案原理简单，但风机的转速只能分级调节，无法实现无级调速；另一方面，级数越多，需要的电阻和继电器越多，成本和系统复杂度增加，也会占用控制器较多的I/O资源。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、易于实现、能够通过脉冲信号产生直流电压信号以对风机进行无级调速的辅助变流器风机调速控制电路及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种辅助变流器风机调速控制电路，包括脉冲产生单元和滤波单元，所述脉冲产生单元的输出端与所述滤波单元的输入端相连，所述脉冲产生单元用于产生占空比可调的脉冲信号，所述滤波单元用于滤除脉冲信号的交流分量，而得到直流电压以作为辅助变流器风机的调速信号。

作为上述技术方案的进一步改进：

还包括分压单元，所述分压单元的输入端与所述滤波单元的输出端相连；所述分压单元用于对滤波单元输出后的直流电压大小进行调节。

所述分压单元包括电阻R_a和电阻R_b，所述电阻R_a串联于滤波单元的输出母线上，所述电阻R_b并联于滤波单元的输出端。

所述电阻R_b并联有电容C_b，所述电容C_b与电阻R_a和电阻R_b共同构成RC滤波器，以对分压单元调节后的电压进行再滤波。

所述滤波单元包括滤波电感L_fan和滤波电容C_fan，其中滤波电感L_fan串联于所述脉冲产生单元的输出母线上，所述滤波电容C_fan并联于所述脉冲产生单元的输出端。

所述脉冲产生单元采用辅助变流器控制板中的脉冲分配板。

还包括温度采集单元，所述温度采集单元与所述脉冲产生单元相连，用于采集辅助变流器散热器的温度信号T以调节所述脉冲产生单元输出脉冲信号的占空比。

所述温度采集单元为温度传感器。

本发明还公开了一种基于如上所述的辅助变流器风机调速控制电路的控制方法，包括步骤：

1)所述脉冲产生单元产生占空比可调的脉冲信号；

2)所述滤波单元滤除脉冲信号的交流分量而得到直流电压，作为辅助变流器风机的调速信号，对辅助变流器风机进行调速。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤1)中，通过采集辅助变流器散热器的温度信号T来调节所述脉冲产生单元输出相对应的脉冲信号的占空比d。

在步骤1)中，脉冲信号占空比的调节过程为：

当T>t₂时，所述脉冲产生单元输出最大占空比d₂的脉冲信号，使辅助变流器风机以最大转速n₂运行；

当t₁≤T≤t₂时，所述脉冲产生单元输出脉冲信号的占空比与温度信号T呈线性关系，使辅助变流器风机的转速n与脉冲信号T的占空比呈线性关系；

当t₀<T≤t₁时，所述脉冲产生单元输出最小占空比d₁的脉冲信号，使辅助变流器风机以最小转速n₁运行；

当T≤t₀时，所述脉冲产生单元输出占空比为零的脉冲信号，使辅助变流器风机停止工作；

在温度信号T由t₀以下往上增加时，当T>t₁时，所述脉冲产生单元才输出占空比不为零的脉冲信号，以启动辅助变流器风机。

当t₁≤T≤t₂时，所述脉冲产生单元输出脉冲信号的占空比d与温度信号T呈线性关系，使辅助变流器风机的转速n与脉冲信号T的占空比呈线性关系，具体为线性关系式为：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的辅助变流器风机调速控制电路，通过脉冲产生单元输出脉冲信号，再经滤波单元将滤波单元转化为直流电压，以作为辅助变流器风机的调速信号；同时，由于脉冲信号的占空比可调，使得滤波单元输出的直流电压可调，使得调速信号也可以无级输出，从而能够实现辅助变流器风机的无级调速；另外调速信号是一个从0开始连续调节的模拟量，可实现风机在全风速范围内调节，可调节风机达到合适的转速，从而降低辅助变流器系统的噪音和能量损耗；上述控制电路整体结构简单且易于实现，适用于有可调的脉冲信号而无较宽范围的模拟量信号的场合，如辅助变流器风机等。

本发明的辅助变流器风机调速控制电路，脉冲产生单元采用辅助变流器控制板中现有的脉冲分配板，降低成本，同时只需要占用脉冲分配板的一个脉冲输出通道，即可实现无级调速，占用控制资源少；同时配合两级滤波及分压电路，实现可调的模拟电压输出，适配市场上大多数风机调速信号的要求，电路结构简单，调压灵活。

本发明在脉冲信号的幅值远大于调速信号的最大电平时，通过电阻R_a和电阻R_b的分压作用，达到调节调速信号(直流电压信号)的作用，同时也能够增大占空比的整个调节范围，从而在一定程度上提高控制的精度。

本发明的控制方法，利用辅助变流器自身对散热器温度的采样作为风机调速的依据，实现风机对辅助变流器温度的自适应调节，最终达到稳定的热平衡状态；在外界温度较低或负载较轻的情况下，风机停机或以低速运行，可减小风机能耗，降低噪声；当系统温度上升后，风机自动加快转速，直到满速运行，保证辅助变流器良好的通风散热能力；风机启动与停机设置回差，避免风机的频繁启动停机，增加调速系统稳定性。

附图说明

图1为现有技术中辅助变流器风机的调速原理框图。

图2为现有技术中调速信号与转速的曲线图。

图3为现有技术中电阻分压多级调速电路图。

图4为本发明中的控制电路在实施例的电路原理图。

图5为本发明中散热器温度-风机转速-占空比曲线图。

图6为本发明的控制方法在实施例的流程图。

图例说明：1、脉冲产生单元；2、滤波单元；3、RC滤波分压单元；4、温度采集单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图4所示，本实施例的辅助变流器风机调速控制电路，包括脉冲产生单元1和滤波单元2，脉冲产生单元1的输出端与滤波单元2的输入端相连；脉冲产生单元1用于产生占空比可调的脉冲信号，滤波单元2用于滤除脉冲信号的交流分量而得到直流电压，以作为辅助变流器风机的调速信号。本发明的辅助变流器风机调速控制电路，通过脉冲产生单元1输出脉冲信号，再经滤波单元2将滤波单元2转化为直流电压，以作为辅助变流器风机的调速信号；同时，由于脉冲信号的占空比可调，使得滤波单元2输出的直流电压可调，使得直流电压信号也可以无级输出，从而能够实现辅助变流器风机的无级调速；上述控制电路整体结构简单且易于实现，适用于有可调的脉冲信号而无较宽范围的模拟量信号的场合，如辅助变流器风机等。

本实施例中，脉冲产生单元1采用辅助变流器控制板中的脉冲分配板，降低成本，同时只需要占用脉冲分配板的一个脉冲输出通道，即可实现无级调速，占用控制资源(如I/O口)少。其中脉冲信号的幅值V_pulse受制于脉冲分配板的输出电压，脉冲信号的频率f受制于死区时间T_dead与最小导通时间T_min，其中频率越大，滤波单元2体积越小，但脉冲信号频率应满足：

本实施例中，还包括分压单元，分压单元的输入端与滤波单元2的输出端相连；分压单元用于对滤波单元2输出后的直流电压大小进行调节，从而使得其输出的直流电压可以适应不同风机的调速信号。具体地，分压单元包括电阻R_a和电阻R_b，电阻R_a串联于滤波单元2的输出母线上，电阻R_b并联于滤波单元2的输出端。在当脉冲信号的幅值远大于调速信号的最大电平时，通过电阻R_a和电阻R_b的分压作用，达到调节调速信号(直流电压信号)的作用，同时也能够增大占空比的整个调节范围，从而在一定程度上提高控制的精度。分压比可按下式进行计算：

其中V_ctrl__max为调速信号的最大电平；V_pulse为滤波单元2输出的直流电压信号；由于电流为mA级，电阻R_a和电阻R_b选择kΩ级电阻即可。

进一步地，电阻R_b并联有电容C_b，其中电容C_b与电阻R_a和电阻R_b共同构成RC滤波器，以对滤波单元2输出的电压进行再次滤波以及分压，上述RC滤波器集成上述的分压功能后，则为RC滤波分压单元3。其中RC滤波器的截止频率按开关频率的1/10进行计算，可计算电容C_b的容值为：

其中f为脉冲信号频率。在其它实施例中，如果风机自带RC滤波器，风机调速信号范围正好与脉冲信号的幅值接近，则可省去RC滤波器。

本实施例中，滤波单元2包括滤波电感L_fan和滤波电容C_fan，其中滤波电感L_fan串联于脉冲产生单元1的输出母线上，滤波电容C_fan并联于脉冲产生单元1的输出端。滤波单元2整体结构简单，其截止频率设计在开关频率的1/10附近。滤波电容C_fan可选择微法级的标称电容，如4.7uF，滤波电感L_fan采用非晶环形磁芯进行绕制，使其感量达到mH级，具体数值按下式调整：

其中脉冲分配板与滤波单元2之间的连接方法为：如图4所示，脉冲分配板的x点与L_fan的1点相连，y点与C_fan的2点相连；L_fan的2点与C_fan的1点相连，同时与R_a的1点相连；R_a的2点与R_b的1点相连，同时与C_b的1点相连；R_b的2点与C_b的2点相连；C_b两端的电压即为调速电压V_ctrl。

本实施例中，还包括温度采集单元4(如温度传感器)，温度采集单元4与脉冲产生单元1相连，用于采集辅助变流器散热器的温度信号T以调节脉冲产生单元1输出脉冲信号的占空比d。具体地，整体控制电路的工作原理则为：脉冲产生单元1根据散热器温度信号T输出频率为f、占空比为d的脉冲信号，其幅值为V_pulse，经过LC滤波单元2滤除高频谐波分量，得到中间直流电压V_link，再通过RC滤波器滤波以及分压单元分压后，得到调速信号：

如图5和图6所示，本发明还公开了一种基于如上所述的辅助变流器风机调速控制电路的控制方法，包括步骤：

1)所述脉冲产生单元1产生占空比可调的PWM脉冲信号；

2)所述滤波单元2滤除脉冲信号的交流分量而得到直流电压，作为辅助变流器风机的调速信号，对辅助变流器风机进行调速。

本实施例中，在步骤1)中，通过温度传感器或者或者辅助变流器的功率模块自身的NTC温度测量装置采集辅助变流器散热器的温度信号T，并依据调速曲线(如图5所示)来计算得到脉冲产生单元1输出相对应的脉冲信号的占空比d，再通过对应的滤波单元2、RC滤波分压单元3，转换得到风机调速信号V_ctrl，实时调节变频风机转速n；在温度较低时风机停机，在温度较高时风机满速运行，中间温度时风机随温度线性变化，改善变流器冷却性能，且风机启动与停机温度之间设置回差，避免风机的频繁启动停机，增加调速系统稳定性。具体调节过程为：

当T>t₂时，所述脉冲产生单元1输出最大占空比d₂的脉冲信号，使辅助变流器风机以最大转速n₂运行；

当t₁≤T≤t₂时，所述脉冲产生单元1输出脉冲信号的占空比d与温度信号T呈线性关系，使辅助变流器风机的转速n与脉冲信号的占空比d呈线性关系；

当t₀<T≤t₁时，所述脉冲产生单元1输出最小占空比d₁的脉冲信号，使辅助变流器风机以最小转速n₁运行；

当T≤t₀时，所述脉冲产生单元1输出占空比为零的脉冲信号，使辅助变流器风机停止工作；

在温度信号T由t₀以下往上增加时，当T>t₁时，所述脉冲产生单元1才输出占空比不为零的脉冲信号，以启动辅助变流器风机。

本发明的控制方法，利用辅助变流器自身对散热器温度的采样作为风机调速的依据，实现风机对变流器温度的自适应调节，最终达到稳定的热平衡状态；在外界温度较低或负载较轻(如库内维护)的情况下，风机停机或以低速运行，可减小风机能耗，降低噪声；当变流器温度上升后，风机自动加快转速，直到满速运行，保证系统良好的通风散热能力；风机启动与停机设置回差，避免风机的频繁启动停机，增加调速系统稳定性。

本实施例中，当t₁≤T≤t₂时，脉冲产生单元1输出脉冲信号的占空比d与温度信号T呈线性关系，使辅助变流器风机的转速n与脉冲信号T的占空比呈线性关系，具体为：

进一步可得，在线性调节区，风机调速信号V_ctrl与散热器温度T的关系为：

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种辅助变流器风机调速控制电路，其中风机包括变频器和风机电机，其特征在于，包括脉冲产生单元(1)和滤波单元(2)，所述脉冲产生单元(1)的输出端与所述滤波单元(2)的输入端相连，所述脉冲产生单元(1)用于产生占空比可调的脉冲信号，所述滤波单元(2)用于滤除脉冲信号的交流分量，而得到直流电压以作为辅助变流器风机的调速信号；其中调速信号输入至变频器，以改变变频器输出电压的频率以调节风机的转速；

还包括分压单元，所述分压单元的输入端与所述滤波单元(2)的输出端相连；所述分压单元用于对滤波单元(2)输出后的直流电压大小进行调节；

所述分压单元包括电阻R_a和电阻R_b，所述电阻R_a串联于滤波单元(2)的输出母线上，所述电阻R_b并联于滤波单元(2)的输出端；

所述电阻R_b并联有电容C_b，所述电容C_b与电阻R_a和电阻R_b共同构成RC滤波器，以对分压单元调节后的电压进行再滤波；

其中电阻R_a和电阻R_b的分压比按下式进行计算：

其中V_{ctrl_max}为调速信号的最大电平；V_pulse为滤波单元(2)输出的直流电压信号；

RC滤波器的截止频率按开关频率的1/10进行计算，计算电容C_b的容值为：

其中f为脉冲信号频率。

2.根据权利要求1所述的辅助变流器风机调速控制电路，其特征在于，所述滤波单元(2)包括滤波电感L_fan和滤波电容C_fan，其中滤波电感L_fan串联于所述脉冲产生单元(1)的输出母线上，所述滤波电容C_fan并联于所述脉冲产生单元(1)的输出端。

3.根据权利要求1所述的辅助变流器风机调速控制电路，其特征在于，所述脉冲产生单元(1)采用辅助变流器控制板中的脉冲分配板。

4.根据权利要求1所述的辅助变流器风机调速控制电路，其特征在于，还包括温度采集单元(4)，所述温度采集单元(4)与所述脉冲产生单元(1)相连，用于采集辅助变流器散热器的温度信号T以调节所述脉冲产生单元(1)输出脉冲信号的占空比。

5.根据权利要求4所述的辅助变流器风机调速控制电路，其特征在于，所述温度采集单元(4)为温度传感器。

6.一种基于权利要求1～5中任意一项所述的辅助变流器风机调速控制电路的控制方法，其特征在于，包括步骤：

1)所述脉冲产生单元(1)产生占空比可调的脉冲信号；

2)所述滤波单元(2)滤除脉冲信号的交流分量而得到直流电压，作为辅助变流器风机的调速信号，对辅助变流器风机进行调速。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在步骤1)中，通过采集辅助变流器散热器的温度信号T来调节所述脉冲产生单元(1)输出相对应的脉冲信号的占空比d。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在步骤1)中，脉冲信号占空比的调节过程为：

当T>t₂时，所述脉冲产生单元(1)输出最大占空比d₂的脉冲信号，使辅助变流器风机以最大转速n₂运行；

当t₁≤T≤t₂时，所述脉冲产生单元(1)输出脉冲信号的占空比与温度信号T呈线性关系，使辅助变流器风机的转速n与脉冲信号的占空比呈线性关系；

当t₀<T≤t₁时，所述脉冲产生单元(1)输出最小占空比d₁的脉冲信号，使辅助变流器风机以最小转速n₁运行；

当T≤t₀时，所述脉冲产生单元(1)输出占空比为零的脉冲信号，使辅助变流器风机停止工作；

在温度信号T由t₀以下往上增加时，当T>t₁时，所述脉冲产生单元(1)才输出占空比不为零的脉冲信号，以启动辅助变流器风机。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，当t₁≤T≤t₂时，所述脉冲产生单元(1)输出脉冲信号的占空比d与温度信号T呈线性关系，使辅助变流器风机的转速n与脉冲信号T的占空比呈线性关系，具体为线性关系式为：

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