CN203399045U - 斩控式异步电动机调速节能器 - Google Patents

Abstract

一种斩控式异步电动机调速节能器，主要特点是设置DSP数字信号处理器、电压处理电路、电流处理电路、电压过零检测电路、电流过零检测电路；电压过零检测电路检测交流接触器输出的电压并将信号输入DSP数字信号处理器，霍尔传感器组将采集到的电压、电流信号分别输入电压处理电路和电流处理电路，然后由DSP数字信号处理器的ADC端口负责采集，电流过零检测电路将斩波电路为电动机提供的电流过零点的信号输入DSP数字信号处理器；DSP数字信号处理器根据电压、电流的数值以及电压过零时刻和电流过零时刻决定IGBT的驱动信号，并经驱动电路后对IGBT进行驱动，本实用新型具有电路拓扑简单、网侧功率因数高、输出谐波频率高易滤除等优点。

Description

斩控式异步电动机调速节能器

技术领域

本实用新型涉及一种斩控式异步电动机调速节能系统，适用于任何需要降压调速的交流感应电机，能提高负载经常变化及时常轻载状态的电机性能，适用范围包括冲压机、碎石机、油田抽油机、空气压缩机、液压机、压铸机、扶手电梯、搅拌机、自动生产线、输送带、注塑机、磨床、车床、研磨机、成型机、制衣、制鞋厂三相电动缝纫机及裁断设备、五金厂螺丝机、打磨机等设备，属于异步电动机调速技术领域。 

背景技术

经检索，目前的电机节能控制方式主要三种：1）通断控制。通断控制是在交流电压过零时刻导通或关断晶闸管，使负载电路与交流电源接通若干个周波，然后再断开若干个周波，通过改变导通周波数与关断周波数的比值，实现调节交流电压大小的目的。2）相位控制。相位控制与可控整流的移相触发控制相似，在交流电正半周时触发导通正向晶闸管，负半周时触发导通反向晶闸管，且保持两个晶闸管的移向角相同，以保证向负载输出正负半周对称的交流电压。3）斩波控制。斩波控制是指在电力运用中，出于某种需要，运用开关器件将交流电正弦波的一部分”斩掉”，从而达到改变和调整电压有效值的方法，它利用脉宽调制技术将交流电压波形分割成脉冲列，改变脉冲的占空比即可调节输出电压大小。 

现有的斩波调压电路一般都是通过功率开关管，如MOSFET、IGBT等进行控制，通过控制开关管导通和关断的时间比进行电压的调节，并在其后通过电阻电容进行滤波或者续流，现有常见的单相斩波调压电路主要有以下三种： 

一是单器件型,电路中全控型的开关只有一个,辅助四个快速二极管组成,由于使用了较少的可控器件,所以该电路结构简单,是一种经济型的调压电路。但是由于只有一个开关器件,正负方向电流都要流经同一个开关,若是感性负载则不能起到续流的作用,使得开关管承受负向电压,因此这种电路只适用于系统性能要求不高的调压器中。 

二是单管反串联双向电子幵关电路，它是由两个反串联开关器件和二极管组成双相斩波开关,两个反串联开关器件和二极管组成了双相续流开关,在电压的输入端和输出端都设置相应的滤波器。这种电路拓扑图的特点是正反向开关的工作状态都是可以控制的,输出端加入较小的滤波环节就能很好的将电路中的谐波滤除。该拓扑电路一般采用非互补的控制方式,在控制的过程当中,开关的模式由输入电压和输出电流共同决定,这样就可以有效的避免开关过程中的共态运行。 

三是一种根据输入电源确定导通方式的电路,当输入电压为正时,串联在正向回路中的两个开关器件—直导通，而并接在反向回路中的两个开关器件则根据一定占空比控制导通,在负半周期时导通模式相反,该电路的优势在于电路一直是导通的，但这样会缩短器件寿命。 

上述电机节能控制的主要方式存在以下缺点：1）通断控制实现较为简单，输出电压波形基本为正弦，无低次谐波，但由于输出电压时有时无，电压调节不连续，会分解出分数次谐波，如果用于异步电动机调速，会因电动机经常处于重新启动状态而出现大电流冲击，因此很少采用，一般用于电炉调温等交流功率调节场合。2、相位控制方法简单，能连续调节输出电压大小，但输出电压波形非正弦，还有丰富的低次谐波，在异步电动机调压调速过程中会引起附加谐波损耗，产生脉动转矩等。3）斩波控制输出电压大小可连续调节，谐波含量小，基本上克服了相位及通断控制的缺点。由于实现斩波控制的调压电路半周内需要实现较高频率的通断，因此不能采用晶闸管，而采用高频自关断器件，如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。 

目前，国内采用的调压器一般是传统的交流变换器加升压变压器的调压方式，而这种传统的变压器类调压方式由于设备体积大，运行费用高正逐渐被电力电子调压器所取代。在电动机节能方面，电力电子类调压方式应用较多的为相控式，由于相控式调压在电路运行的过程当中会产生大量的谐波，需要加入很大的滤波环节，并且相控式调压的功率因数也不高，这就违背了现代电力电子器件小型化轻量化的发展趋势。 

发明内容

本实用新型的目的是提供一种斩控式异步电动机调速节能器，解决现有电动机调速节能系统的控制过程中电压、电流的测量和处理，斩波电路的驱动等问题，并需要对控制电路进行优化，达到智能节电的目的。 

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的，一种斩控式异步电动机调速节能器，包括壳体和壳体上外接电源的插头，壳体内设置的PIC单片机、串行通信电路、交流接触器、斩波电路及其驱动电路，为各电路提供工作电源的直流电源电路，其特征是，所述的壳体内还设置DSP数字信号处理器、电压处理电路、电流处理电路、电压过零检测电路、电流过零检测电路；电压过零检测电路检测交流接触器输出的电压并将信号输入DSP数字信号处理器，霍尔传感器组将采集到的电压、电流信号分别输入电压处理电路和电流处理电路，然后由DSP数字信号处理器的ADC端口负责采集；电流过零检测电路将斩波电路为电动机提供的电流过零点的信号输入DSP数字信号处理器；DSP数字信号处理器根据电压、电流的数值以及电压过零时刻和电流过零时刻决定IGBT的驱动信号，并经驱动电路后对IGBT进行驱动，PIC单片机负责参数的设置、显示和温度的测量，其部分数据来自于DSP数字信号处理器，通过串行通信电路进行传输。 

所述斩波电路由两个反串联开关器件Q1、Q2和两个二极管D5、D6组成双相斩波开关，两个反串联开关器件Q3、Q4和两个二极管D7、D8组成双相续流开关，在电压的输入端和输出端都设置相应的滤波器。 

所述驱动电路中芯片74LS06U13、6N137U14、LXD430U15的VCC脚接+5V电源，芯片IXDD430U16的VDD脚接+15V电源，各芯片的GND脚均接地，74LS06U13的1Y脚接6N137U14的Anode脚，电阻R29为上拉电阻，电容C9为滤波电容；6N137U14的EN端接+5V电源，信号输出脚Out接LXD430U15的B脚，电阻R30为上拉电阻；芯片LXD430U15的A脚经二极管D4后接IGBT的C端，J脚经R32接芯片IXDD430U16的 IN脚，电容C11为滤波电容，芯片IXDD430U16的EN脚接+15V电源，OUT脚经电阻R34接IGBT的G端。 

所述的DSP数字信号处理器采用TMS320F2812。 

所述的PIC单片机采用16F877A。 

所述电压处理电路由电压互感器U2，运算放大器U4B、U5B，稳压管D1以及电阻、电容组成；电压经电压互感器U2转换后，先通过一个由电阻R2、电容C1组成的低通滤波器,然后经过一个运算放大器U4B起到电气隔离的作用，最后经过运算放大器U5B放大和处理之后输入DSP数字信号处理器的AD0端口。 

所述电流处理电路由电流互感器U15，运算放大器U12、U13、U14，二极管D9、D10，稳压管D15、D16以及电阻、电容组成；当电流由电流互感器U15的1脚流向6脚时，运算放大器U12反相端电压为正，该电压通过由运算放大器U12和运算放大器U13组成的电路两次反向后仍为正电压，经电阻R39和电容C29滤波后输出至DSP数字信号处理器的A/D采样口AD1完成对正电流的检测，运算放大器U12反相端的正电压经反向后变为负电压，二极管D2截止，从而使输出电压基本为零；当电流由电流互感器U15的1脚流向6脚时，运算放大器U12反相端电压为负电压，经过运算放大器U12和运算放大器U14处理后变为正电压，并经过电阻R40和电容C30滤波后输出至DSP数字信号处理器的A/D采样口AD2，从而完成了对负电流的检测。 

所述电压过零检测电路由电压互感器U3,运算放大器U6B，以及电阻、电容组成；交流电经电阻R11限流后输入电压互感器U3的初级线圈，输出电压经电阻R16后输入运算放大器U6B的同相端，和反向端的接地电压进行比较，在交流电每次过零时，运算放大器U6B的输出会相应变化；当交流电由小于零变为大于零时，运算放大器U6B的输出由低电平变为高电平；当交流电由大于零变为小于零时，运算放大器U6B的输出由高电平变为低电平，这样，运算放大器U6B输出的电压信号到DSP数字信号处理器的CAP端口，DSP数字信号处 理器检测该信号就可以判断交流电的过零时刻。 

所述电流过零检测电路由电流互感器U17，运算放大器U6A、运算放大器U7A以及电阻、电容组成；电流互感器U17输出的电流信号经电阻R12转换成电压信号，经电阻R13输入运算放大器U6A的反向端，放大后经电阻R18和电容C4组成的滤波电路后输入运算放大器U7A的同相端，和反向端的接地信号进行比较，同相端电压大于反相端，则输出高电平，否则则输出低电平，达到判断电流过零点的目的。 

所述直流电源电路采用三端稳压芯片和电源芯片为电路提供±15V、5V和3.3V电压。 

本实用新型采用斩控式调压技术，具有电路拓扑简单、网侧功率因数高、输出谐波频率高易滤除、动态性能好等优点，可智能匹配各种电机，适用面广，方便安全，现有的通断控制和相位控制缺点较多，而本发明采用的斩波控制方式输出电压大小可连续调节，谐波含量小，基本上克服了相位及通断控制的缺点；电路中实时测量电压和电流值以及电压过零时刻和电流过零时刻，根据负载情况及时调整电压，达到智能节电的目的；采用DSP和单片机配合进行控制，控制速度快，精度高，并可以通过按键和液晶配合设置相关参数，人机交互效果较好。 

附图说明

图1为本实用新型电路框图； 

图2为本实用新型中斩波电路原理图； 

图3为本实用新型中驱动电路原理图； 

图4为本实用新型中电压测量电路原理图； 

图5为本实用新型中电流测量电路原理图； 

图6为本实用新型中电压过零检测电路原理图； 

图7为本实用新型中电流过零检测电路原理图； 

图8为本实用新型中串行通讯电路原理图； 

图9为本实用新型中直流电源电路原理图。 

具体实施方式

结合附图和实施例进一步说明本实用新型，除具有插孔的壳体，壳体上外接电源的插头，如图1所示，本发明壳体内设置斩波电路，驱动电路，电压处理电路，电流处理电路，电压过零检测电路，电流过零检测电路，单片机电路，串行通信电路和为各电路提供工作电源的直流电源电路。三相交流电经交流接触器和斩波电路后为电动机供电，电压过零检测电路检测交流接触器输出的电压并将信号输入DSP，霍尔传感器组将采集到的电压、电流信号分别输入电压处理电路和电流处理电路，然后由DSP的ADC负责采集；电流过零检测电路将斩波电路为电动机提供的电流过零点的信号输入DSP；DSP根据电压、电流的数值以及电压过零时刻和电流过零时刻决定IGBT的驱动信号，并经驱动电路后对IGBT进行驱动。PIC单片机负责参数的设置、显示和温度的测量，其部分数据来自于DSP，通过串行通讯电路进行传输，保护电路控制交流接触器，在有益尝试，切断交流接触器停止供电。 

如图2所示，本实用新型中的斩波电路由Q1，Q2，D5，D6组成的双相斩波开关,而Q3，Q4，D7，D8则组成了双相的续流开关，在电压的输入端和输出端都设置了相应的滤波器。这种电路拓扑图的特点是正反向开关的工作状态都是可以控制的，输出端采用较小的滤波环节就能很好的将电路中的谐波滤除。在控制的过程当中，开关的模式由输入电压和输出电流共同决定，这样就可以有效的避免开关过程中的共态运行。 

如图3所示的驱动电路中，以开关器件Q1的驱动电路为例，当输入端PWM信号为高电平的时候，B点为低电平,随即D点也变为低电平，由于稳压管D3的存在，IGBT的栅极和源极间被加载上一个-5V左右电压值，使IGBT可靠的关断；当输入端PWM信号为低电平的时候，B点为高电平，随即D点也变为高电平，这样，IGBT的栅极和发射极间被加载上一个+10V左右的电压值，确保IGBT可靠的导通；栅极电阻R34的作用为抑制浪涌电流，以避免误触发。该电路还具备过流保护的能力。当电流过大的时候,极电压（C点电压） 迅速的升高,随即二极管D4因受到反向电压而变为截止状态，同时，+5V电压经过R31向电容C14进行充电，A点的电压快速上升，导致U15随即输出一个低电平，此低电平会使D点也变为低电平，从而将-5V的反相电压加载到IGBT上,这样可以有效的截止过高的电流。电阻R35也是用来保护IGBT的，当IGBT的栅极没有信号,或者栅极电路还没有任何动作的时候,如直接在主电路上加载一个幅值很高的电压，很可能烧坏IGBT，R35可以非常好的避免这种现象的发生，在驱动电路正常工作的时候，驱动电路第一个加电，随即对主电路进行加电，可以很好的保护IGB。 

如图4所示，电压处理电路主要由电压互感器U2，运算放大器U4B、U5B，稳压管D1以及电阻、电容组成。电压经电压互感器转换后，先通过一个由R2、C1组成的低通滤波器,然后经过一个运算放大器起到电气隔离的作用，最后经过U5B放大和处理之后输入DSP的AD0。 

如图5所示，电流处理电路由电流互感器U15，运算放大器U12、U13、U14，二极管D9、D10，稳压管D15、D16以及电阻、电容等组成。在电流处理电路中，当电流由Iin流向Iout时，运放U12反相端电压为正，该电压通过由运放U12和U13组成的电路两次反向后仍为正电压，经电阻R39和电容C29滤波后输出至DSP的A/D采样口AD1，从而完成了对正电流的检测。运放U12反相端的正电压经反向后变为负电压，二极管D2截止，从而使输出电压基本为零。当电流由Iout流向Iin时，运放U12反相端电压为负电压，经过U12和U14处理后变为正电压，并经过电阻R40和电容C30滤波后输出至DSP的A/D采样口AD2，从而完成了对负电流的检测。综上可知，由于本节能器中的正、负电流交替出现，该采集电路可以实现对双相电流的有效检测和判断：当传感器输出电流为正向时，电阻R35上的电压为正值，通道AD1将采集到有效电压值，而通道AD2的采样值接近为零；当传感器输出电流为负向时，R35上的电压为负值，通道AD2将采集到有效电压值，而通道AD1的采样值接近为零。 

如图6所示，电压过零电路由电压互感器U3,运算放大器U6B，以及电阻、电容组成。交流电经电阻R11限流后输入电压互感器U3的初级线圈，输出电压经电阻R16后输入运算放大器U6B的同相端，和反向端的接地电压进行比较，在交流电每次过零时，U6B的输出会相应变化。当交流电由小于零变为大于零时，U6B的输出由低电平变为高电平；当交流电由大于零变为小于零时，U6B的输出由高电平变为低电平。这样，U6B输出的电压信号到DSP的CAP端口，DSP检测该信号就可以判断交流电的过零时刻。 

如图7所示，电流过零电路由电流互感器U17，运算放大器U6A、U7A以及电阻、电容组成。电流互感器U17输出的电流信号经电阻R12转换成电压信号，经R13输入运算放大器U6A的反向端，放大后经电阻R18和电容C4组成的滤波电路后输入U7A的同相端，和反向端的接地信号进行比较，同相端电压大于反相端，则输出高电平，否则则输出低电平，达到判断电流过零点的目的。 

如图8所示，串行通讯电路由2个电平转换芯片组成。由于单片机U12和U9的工作电压不同，不能直接进行通讯，因此该电路就是在U12和U9的串行通讯口之间加入两个电平转换芯片，从而达到正常通讯的目的。 

如图9所示，直流电源电路采用三端稳压芯片和专用电源芯片产生±15V、+5V和+3.3V电压供各电路试用，保证电路正常运行。 

Claims (10)

1.一种斩控式异步电动机调速节能器，包括壳体和壳体上外接电源的插头，壳体内设置的PIC单片机、串行通信电路、交流接触器、斩波电路及其驱动电路，为各电路提供工作电源的直流电源电路，其特征是，所述的壳体内还设置DSP数字信号处理器、电压处理电路、电流处理电路、电压过零检测电路、电流过零检测电路；电压过零检测电路检测交流接触器输出的电压并将信号输入DSP数字信号处理器，霍尔传感器组将采集到的电压、电流信号分别输入电压处理电路和电流处理电路，然后由DSP数字信号处理器的ADC端口负责采集；电流过零检测电路将斩波电路为电动机提供的电流过零点的信号输入DSP数字信号处理器；DSP数字信号处理器根据电压、电流的数值以及电压过零时刻和电流过零时刻决定IGBT的驱动信号，并经驱动电路后对IGBT进行驱动，PIC单片机负责参数的设置、显示和温度的测量，其部分数据来自于DSP数字信号处理器，通过串行通信电路进行传输。 

2.根据权利要求1所述的斩控式异步电动机调速节能器，其特征是，所述斩波电路由两个反串联开关器件Q1、Q2和两个二极管D5、D6组成双相斩波开关，两个反串联开关器件Q3、Q4和两个二极管D7、D8组成双相续流开关，在电压的输入端和输出端都设置相应的滤波器。 

3.根据权利要求1所述的斩控式异步电动机调速节能器，其特征是，所述驱动电路中芯片74LS06U13、6N137U14、LXD430U15的VCC脚接+5V电源，芯片IXDD430U16的VDD脚接+15V电源，各芯片的GND脚均接地，芯片74LS06U13的1Y脚接芯片6N137U14的Anode脚，电阻R29为上拉电阻，电容C9为滤波电容；芯片6N137U14的EN端接+5V电源，信号输出脚Out接芯片LXD430U15的B脚，电阻R30为上拉电阻；芯片LXD430U15的A脚经二极管D4后接IGBT的C端，J脚经R32接芯片IXDD430U16的IN脚，电容C11为滤波电容，芯片IXDD430U16的EN脚接+15V电源，OUT脚经电阻R34接IGBT的G端。 

4.根据权利要求1所述的斩控式异步电动机调速节能器，其特征是，所述的DSP数字信号处理器采用TMS320F2812。 

5.根据权利要求1所述的斩控式异步电动机调速节能器，其特征是，所述的PIC单片机采用 16F877A.。 

6.根据权利要求1所述的斩控式异步电动机调速节能器，其特征是，所述电压处理电路由电压互感器U2，运算放大器U4B、U5B，稳压管D1以及电阻、电容组成；电压经电压互感器U2转换后，先通过一个由电阻R2、电容C1组成的低通滤波器,然后经过一个运算放大器U4B起到电气隔离的作用，最后经过运算放大器U5B放大和处理之后输入DSP数字信号处理器的AD0端口。 

7.根据权利要求1所述的斩控式异步电动机调速节能器，其特征是，所述电流处理电路由电流互感器U15，运算放大器U12、U13、U14，二极管D9、D10，稳压管D15、D16以及电阻、电容组成；当电流由电流互感器U15的1脚流向6脚时，运算放大器U12反相端电压为正，该电压通过由运算放大器U12和运算放大器U13组成的电路两次反向后仍为正电压，经电阻R39和电容C29滤波后输出至DSP数字信号处理器的A/D采样口AD1完成对正电流的检测，运算放大器U12反相端的正电压经反向后变为负电压，二极管D2截止，从而使输出电压基本为零；当电流由电流互感器U15的1脚流向6脚时，运算放大器U12反相端电压为负电压，经过运算放大器U12和运算放大器U14处理后变为正电压，并经过电阻R40和电容C30滤波后输出至DSP数字信号处理器的A/D采样口AD2，从而完成了对负电流的检测。 

8.根据权利要求1所述的斩控式异步电动机调速节能器，其特征是，所述电压过零检测电路由电压互感器U3,运算放大器U6B，以及电阻、电容组成；交流电经电阻R11限流后输入电压互感器U3的初级线圈，输出电压经电阻R16后输入运算放大器U6B的同相端，和反向端的接地电压进行比较，在交流电每次过零时，运算放大器U6B的输出会相应变化；当交流电由小于零变为大于零时，运算放大器U6B的输出由低电平变为高电平；当交流电由大于零变为小于零时，运算放大器U6B的输出由高电平变为低电平，这样，运算放大器U6B输出的电压信号到DSP数字信号处理器的CAP端口，DSP数字信号处理器检测该信号就可以判断交流电的过零时刻。 

9.根据权利要求1所述的斩控式异步电动机调速节能器，其特征是，所述电流过零电路由电流互感器U17，运算放大器U6A、运算放大器U7A以及电阻、电容组成；电流互感器U17输出的电流信号经电阻R12转换成电压信号，经电阻R13输入运算放大器U6A的反向端，放大后经电阻R18和电容C4组成的滤波电路后输入运算放大器U7A的同相端，和反向端的接地信号进行比较，同相端电压大于反相端，则输出高电平，否则则输出低电平，达到判断电流过零点的目的。 

10.根据权利要求1所述的斩控式异步电动机调速节能器，其特征是，所述直流电源电路采用三端稳压芯片和电源芯片为电路提供±15V、5V和3.3V电压。 

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