CN2130011Y

CN2130011Y - 电机变频调速装置

Info

Publication number: CN2130011Y
Application number: CN 92217513
Authority: CN
Inventors: 朱立
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-08-01
Filing date: 1992-08-01
Publication date: 1993-04-14
Anticipated expiration: 2002-08-01

Abstract

本实用新型属于电动机的速度和转矩的控制装置，它的控制电路是正弦脉宽调制器接受以压控振荡器构成的频率控制器和电压控制器的频率信号控制。用调节电路控制积分器和函数发生器，再控制频率控制器和电压控制器。具有调速范围宽、调速稳定准确、响应速度快、保护功能全、用故障信号控制正弦脉宽调制器，而关断逆变器。具有工作可靠结构简单，逆变器输出为优质正弦波，电机调速时噪声低，是一种较为可靠实用的变频调速装置。

Description

本实用新型涉及电动机的速度和转矩的控制装置，特别是一种应用交流到直流再到交流变换的电机变频调速装置。

目前工程上调速拖动系统以电力拖动系统为主，电力拖动调速系统分为直流调速系统和交流调速系统。在工程中实际应用的变频调速装置主要有：逆变器采用晶闸管，这种变频调速装置主电路及换流电路复杂，控制电路采用分离元件故障率高，采用大功率晶体管GTR的调速装置。一般由于大功率晶体管放大倍数较小，使得驱动功率较大，且是电流元件，要构成回路，必然使得控制电源增多。采用可关断晶闸管GTO的逆变器变频调速。如中国专利公开的申请号为88101020.0交流变频调速装置及其逆变器电路，就是由六支晶闸管组成三相桥式可控逆变主电路。由一支GTO元件组成逆变换向控制电路，这种调速装置的优点是可用于大功率调速。但由于它所需关断负脉冲电流大，功放电路就必须提供大电流，且由于逆变后电压波形畸变，使得电机调速时，振动大、噪声大，在实际应用时并不是十分理想。

本实用新型的目的是提供一种变频调速范围宽、响应速度快、结构简单、电机调速噪声低，具有保护功能的电机变频调速装置。

本实用新型是用如下方式实现的：电机变频调速装置，它包括接于电机主回路中的整流滤波电路（1）接逆变电路（2），逆变控制电路（3）由正弦脉宽调制器SPWM分别接受频率控制器FCT的输出脉冲信号和电压控制器VCT的输出脉冲信号以及振荡器OS的输出脉冲信号后，输出逆变控制脉冲信号控制逆变电路（2）；斜坡函数发生器I₁将调节电路I₃输出的给定阶跃电压信号转变为斜坡电压信号U_o后，分别输入至频率控制器FCT进行电压与频率的信号变换和输入至函数发生器I₄进行电压与电压信号变换；函数发生器I₄将接受的斜坡电压信号U_o转变为反映电机电压与频率对应关系的电压信号，输入至电压控制器VCT进行电压与频率的信号变换；电机保护电路（4）输出故障脉冲信号，分别作为正弦脉宽调制器SPWM的封锁输入信号和斜坡函数发生器I₁的关断信号以及逆变电路（2）的关断信号。逆变电路（2）是由隔离功放电路I₂接场效应晶体管或者是绝缘栅场效应大功率模块。隔离功放电路I₂中场效应管栅极经二极管D₈接三极管T₃构成的场效应管极间电容存储电荷抽流放电电路。斜坡函数发生器I₁是由比较器N₂串接积分器N₃带有闭环反馈电路构成，积分器N₃的积分时间常数电阻是两路由可调电阻R_w串接二极管D后，按二极管反极性并联构成。函数发生器I₄是两组由比较器串接比例器和二极管D后并联由比例器串接比例器和二极管D构成。频率控制器FCT和电压控制器VCT是由压控振荡器构成，振荡器OS是由压控振荡器或555时基振荡器构成。电机保护电路（4）是由过流、过压、过载和错相保护电路构成；过压、过流保护电路分别由比较器串接R－S触发器和光电隔离管G后，输入至与非门Y₁；过载保护电路由比较器串接积分器和反相器输入至R－S触发器和光电隔离管G后，输入至与非门Y₁，与非门Y₁输出高电平封锁信号给正弦脉宽调制器SPWM和斜坡函数发生器I₁；错相保护电路由与非门串接与门组成逻辑电路，使正弦脉宽调制器8PWM输出的每组两个脉冲信号同时为高电平时，逻辑电路输出低电平，使三极管BG截止，而关断逆变电路（3），过压信号U_OV和比较器参考电压信号Uref取自接于电机主回路整流后的电阻串联分压和稳压电路，过流U_I和过载U_OI电压信号取自于主回路中串联电阻。

本实用新型电机变频调速装置，由于在控制电路中采用正弦脉宽调制器SPWM大规模集成电路，使得逆变器输出波形为优质脉宽调制之正弦坡，电机调速时，噪声低，其频率变化范围为2～100Hz连续可调，在额定频率范围内为近似恒转矩调速，在额定频率以上近似为恒功率调速。本实用新型调速装置具有工作可靠，调整方便、结构简单、逆变器驱动功率小，调速精确稳定，响应快，保护功能全，适用于风机泵类电机调速节能，对于中小型电机调速是一种较为可靠实用的装置。

图1是本实用新型电路方框图

图2是本实用新型电路原理图

图3是调节电路I₃和斜坡函数发生器I₁的原理图

图4是函数发生器I₄的原理图

图5是隔离功放电路I₂的原理图

图6是过流、过压、过载保护电路原理图

图7是错相保护电路原理图

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明：

本实用新型电机变频调速装置是由整流滤波电路（1）接逆变电路（2），在电机保护电路（4）和逆变控制电路（3）的作用下，实现电机的变频调速，如图1所示。在图2中，本实用新型整流滤波电路（1）由单相桥式整流器Z和电阻R电容C滤波构成，整流滤波电路（1）也可以是三相桥式整流滤波电路，只是二者整流后电压高低不同而已。经整流滤波后，输入至三相逆变电路（2），逆变电路（2）由逆变器和隔离功放电路构成，三相逆变器由六个功率场效应晶体管MOS－EFT及续流二极管和RC吸收电路组成，在隔离功放电路I₂的驱动下工作。三相逆变电路（2）也可以是用绝缘栅场效应大功率模块。逆变控制电路（3）由调节电路I₃，斜坡函数发生器I₁频率控制器FCT、函数发生器I₄、电压控制器VCT、正弦脉宽调制器SPWM构成，电机保护器（4）由过流、过压、过载保护电路I₅和错相保护电路I₆构成。逆变控制电路（3）的直流由变压器B经整流电源E提供。调节电路I₃和斜坡函数发生器I₁电路如图3所示，调节电路I₃由电阻R₅、R₆、R₇串联分压后输入至跟随器N₁输出给定调速信号构成。电阻R₆、R₇为可调电阻，调节电路I₃输出的给定调速信号为脉冲调速信号，该脉冲信号输入至斜坡函数发生器I₁，斜坡函数发生器由比较器N₂接积分器N₃构成，积分器N₃的输出信号U_o经电阻R₈反馈给比较器正向输入端，构成闭环反馈网络，积分器N₃的积分时间常数电阻是由两路电阻Rw串接二极管D后并联构成，电阻RW₁串接二极管D₃和定值电阻组成一路积分时间电阻，电阻RW₂串接二极管D₄和定值电阻组成另一路积分时间电阻，按照二极管D₃和D₄的方向，反向并联该两路电阻。积分时间常数电阻可调，其作用是调节斜坡函数发生器I₁的输出斜坡电压信号的斜率，工作原理是：跟随器N₁为电压跟随，跟随给定电压，比较器N₂将跟随电压与积分器N₃输出电压进行比较。当跟随给定电压大于积分器输出电压U_o时，比较器N₂输出低电位，经积分器N₃积分，使输出信号上升，直至相等，反之亦然，构成上升和下降的斜坡电压信号输出，调节积分时间常数电阻，而使斜坡信号斜率改变。其调整值要根据电机实际工作情况和逆变器允许过流和过压参数决定，斜坡函数发生器I₁的作用是，将给定的阶跃信号变成从初始值缓慢上升（或下降）到给定值，使电机缓慢起动和调速，防止产生机械快速起动或调速过程中受到剧烈冲击及逆变器过流和过压。斜坡电压信号U_o分别输入至频率控制器FCT和函数发生器I₄。频率控制器FCT，是由压控振荡器构成，其作用是将斜坡电压信号U_o变换为频率信号f_FCT该频率信号输入至正弦脉宽调制器SPWM后控制逆变电路（2），使逆变电路（2）输出的三相变频电源的频率fout与频率控制器FCT输出的频率信号f_FCT成正比例。如正弦脉宽调制器SPWM采用4752芯片，则f_FCT＝3360fout。也即逆变电路（2）输出的频率受控于调节电路I₃输出的给定调速信号。函数发生器I₄接收斜坡电压信号U_o，函数发生器I₄是由比较器N₄串接比例器N₅和二极管D₅构成I₄输出的第一段定值电压信号。比较器N₆串接比例器N₇和二极管D₆构成I₄输出的第二段定值电压信号，比例器N₈串接比例器N₉和二极管D₇构成I₄输出的第三段斜坡电压信号输出。该三路电路并联接斜坡函数发生器I₁的输出信号Uo，函数发生器I₄电路如图4所示，发生器I₄的输出与输入信号的关系构成三段函数关系。函数发生器I₄输出至电压控制器VCT进行电压与频率信号转换后，输出至正弦脉宽调制器SPWM控制逆变器输出电压。函数发生器I₄的作用是，由于工程上负载一般可近似为恒转矩和恒功率负载。本实用新型采用逆变器输出频率fout＜fe额定频率时，采用恒转矩调速，当fout＞fe时采用恒功率调速。也即当逆变器输出频率在额定值以下时，保持电机恒转矩运行，就要求逆变器输出电压Uout与频率fout之比为常数。即要求电压控制器VCT的输入和输出为常数，故有函数发生器I₄的第一、二段输出定值电压信号。当逆变器的输出频率fout大于额定值后，就只能保持输出电压Uout近似为额定电压Ue。电压Uout为定值，则要求电压控制器VCT输出的频率信号f_VCT与逆变器输出的频率信号fout成正比例。也即要求电压控制器VCT的输入信号与fout成正比例。故有函数发生器的第三段斜坡电压信号。函数发生器I₄的工作过程是：斜坡电压信号U_o输入后，也即fout＜fe时，比例器N₈、N₉输出小于比例器N₇输出，二极管D₇截止。比较器N₄翻转。比例器N₅经二极管D₅输出第一段定值电压信号，当U_o继续上升，则比较器N₆翻转，比例器N₇经二极管D₆输出第二段定值电压信号，且此时二极管D₇反向截止。当U_o继续上升，也即fout≥fe时，比例器N₈、N₉输出大于等于比例器N₇输出。此时，函数发生器I₄输出与斜坡函数发生器I₁输出U_o成正比例上升。电压控制器VCT将接收的函数发生器I₄的输出U_o信号进行电压与频率信号变换，输入至正弦脉冲调制器SPWM。SPWM的脉冲触发RCT和OCT采用振荡器OS，振荡器OS采用压控振荡器，也可采用555时基振荡器。正弦脉宽调制器SPWM接受f_FCT、f_VCT、f_RCT、f_OCT后，输出6路相位差为60°的正弦脉调制脉冲，以控制逆变电路。SPWM的输入端还接有启动控制和电机方向控制信号。逆变电路（2）采用6组隔离功放驱动场效应晶体管MT进行高速开关。在场效应管栅极接二极管D₈，经三极管T₃进行场效应管MT的极间存储电荷抽流放电。逆变控制电路（3）的整个工作过程是：当给定某一速度（或调速）信号后，积分器N₃跟随输入给定值而输出斜坡电压信号，使频率控制器FCT输出一个频率与给定电压成正比的脉冲。f_FCT＝3360fout，此时逆变器输出为给定频率（或给定速度）同时积分器N₃输出给函数发生器I₄，经运算后输出一个对应电压，控制电压控制器VCT，输出一个对应于逆变器输出fout时的Uout所须要的f_VCT。此时逆变器则输出一个满足Uout－fout关系的三相交流电。隔离功放电路I₂如图5所示，它是由三极管T₂放大信号后，接隔离放大管G₁，经加速电容C₁后，用三极管T₃T₄进行功率放大驱动场效应管MT。

过流、过压、过载保护电路I₅如图6所示，过压保护电路由比较器N₁₀输出经光电隔离管G₂后，输入至R－S触发器和与非门Y₁，过流保护电路与过压保护电路一样也输出至与非门Y₁，只是比较器N₁₁的整定值与比较器N₁₀不一样，它们的工作过程是U_ov和U_I为过压、过流检测信号，当大于比较器N₁₀（N₁₁）的整定值时，比较器翻转输出高电位，经光电隔离和R－S触发器输出过压、过流信号给与非门Y₁，并经三极管驱动发光二极管进行故障显示，过载保护电路，由比较器N₁₂对输入信号与整定值进行比较后，经过积分计时N₁₃再经比较器N₁₄比较，经光电隔离管G₄，R－S触发器后，输入至与非门Y₁输出封锁信号FP，同时也显示故障。故障信号检测电路采用在主回路中电阻R₁、R₂、R₃串联分压检测过压信号。如图2所示，参考电压U_ref采用经电阻R₄稳压管D₁稳压后输出，过流、过载检测，采用在主回路中串接小电阻R₀降压检测。当有任何一个故障时，经与非门Y₁输出高电位“1”产生一个故障保护信号FP，信号FP经稳压管和电阻、三极管T₁输入至积分器关断积分器输出，以防止电机重新起动时的冲击。同时信号FP经与非门Y₂输出至SPWM进行故障封锁，关断其输出信号，复位信号经与非门Y₃输出。错相保护电路I₆如图7所示由与非门Y₁₁、Y₁₂、Y₁₃与门Y₁₄和Y₁₅和三极管T₅组成逻辑控制电路。当逆变器同臂上、下两管同时出现导通脉冲时叫错相，也称为逆变失败，直流短接为最严重的故障。与非门Y₁₁或Y₁₂、Y₁₃接逆变电路同一臂的控制信号，如Y₁₁接SPWM输出的1′和4′，Y₁₂接SPWM输出的3′和6′，Y₁₃接SPWM输出的5′和2′，当一组中的两个信号同时出现高电位时，Y₁₁或者Y₁₂、Y₁₃即有一个低电位出现，Y₁₁和Y₁₂输出接与门Y₁₄、Y₁₄和Y₁₃输出接Y₁₅故Y₁₅输出为低电位，关断三极管T₅的输出接隔离功放电路I₂，如图5所示，隔离功放电路I₂的六个电路，每个经隔离管G接三极管T₂的射极相联接后，接三极管T₅的集电极，故三极管T₅截止，就使三极管T₂截止，隔离管G截止，无输出信号也即关断隔离功放电路，使逆变器截止无输出，进行保护。

本实用新型具有输出波形为优质脉宽调制的正弦波、用光电隔离具有抗干扰能力强，变频调速在2～50Hz内为近似恒转短调速，在50～100Hz内为近似恒功率调速。它具有工作可靠、调速稳定、响应快，适用于各类中小型电机调速，其有良好的节能效果。

Claims

1、一种电机变频调速装置，它包括接于电机主回路中的整流滤波电路(1)接逆变电路(2),其特征是：

逆变控制电路(3)由正弦脉宽调制器SPWM分别接受频率控制器FCT的输出脉冲信号和电压控制器VcT的输出脉冲信号以及振荡器OS的输出脉冲信号后，输出逆变控制脉冲信号，控制逆变电路(2)；

斜坡函数发生器I，将调节电路I₃输出的给定阶跃电压信号转变为斜坡电压信号Uo后，分别输入至频率控制器FCT进行电压与频率的信号变换和输入至函数发生器I₄进行电压与电压信号变换；

函数发生器I₄将接受的斜坡电压信号U₀转变为反映电机电压与频率对应关系的电压信号，输入至电压控制器VCT进行电压与频率的信号变换；

电机保护电路(4)输出故障脉冲信号，分别作为正弦脉宽调制器SPWM的封锁输入信号和斜坡函数发生器I₁的关断信号以及逆变电路(2)的关断信号。

2、根据权利要求1所述调速装置，其特征在于逆变电路（2）是由隔离功放电路I₂接场效应晶体管或者是绝缘栅场效应大功率模块构成。

3、根据权利要求2所述调速装置，其特征在于隔离功放电路I₂中有场效应管栅极经二极管D₈接三极管T₃构成的场效应管极间电容存储电荷抽流放电电路。

4、根据权利要求1所述调速装置，其特征在于斜坡函数发生器I₁是由比较器N₂串接积分器N₃带有闭环反馈电路构成，积分器N₃的积分时间常数电阻是两路由可调电阻Rw串接二极管D后，按二极管反极性并联构成。

5、根据权利要求1所述调速装置，其特征在于函数发生器I₄是两组由比较器串接比例器和二极管D后并联由比例器串接比例器和二极管D构成。

6、根据权利要求1所述调速装置，其特征在于频率控制器FCT和电压控制器VCT是由压控振荡器构成，振荡器OS是由压控振荡器或555时基振荡器构成。

7、根据权利要求1所述调速装置，其特征在于电机保护电路（4）是由过流、过压、过载保护电路I₅和错相保护电路I₆构成；过压、过流保护电路分别由比较器串接R－S触发器和光电隔离管G后，输入至与非门Y₁，过载保护电路由比较器串接积分器和反相器，输入至R－S触发器和光电隔离管G后，输入至与非门Y₁，与非门Y₁输出高电平封锁信号给正弦脉宽调制器SPWM和斜坡函数发生器I₁；错相保护电路I₆由与非门串接与门组成逻辑电路，使正弦脉宽调制器SPWM输出的每组两个脉冲信号同时为高电平时，逻辑电路输出低电平，使三极管BG截止，而关断逆变电路（3）；过压信号Uov和比较器参考电压信号Uref取自接于电机主回路整流后的电阻串联分压和稳压电路，过流U_I和过载U_oI电压信号取自于主回路中串联电阻。