CN86107483A - 用于驱动交流电动机的装置 - Google Patents

Abstract

一用于驱动交流电动机的装置，包括产生任一频率的交流电流或功率的功率变流器，一与其无关的交流电源，一由该变流器或该电源驱动的交流电动机，置于该电动机与该变流器及与该电源内的各一转换开关。该电动机是从该电源转接到该变流器或反之。它包括检测该电源电压相位，检测同该电动机功率因数成正比的值及将其保持预定时间、由电压相位和正比于功率因数的值检测该电动机电流相位及使转换开关与相位检测信号同步操作等装置。

Description

本发明涉及一种用于驱动交流电动机的装置，该装置通过将一独立的交流电源驱动的交流电动机传接到一电流控制型功率变流器端部而运行。功率变流器产生一具有任意频率的交流电流或交流功率作为其输出。

本发明应用于电流控制型功率变流器，对于一般广泛用作电流控制型功率变流器的装置而言，电流型倒相器或可控硅电动机等是众所周知的。通过给出一个电流型倒相器作为电流控制型功率变流器的例子来着手进行下面的讨论。此外，感应电动机和同步电动机等可应用于交流电动机。在下面的讨论中，通过给出一个感应电动机作为交流电动机的例子来作说明。

感应电动机根据它们不同的应用由使用不同电源的不同运行系统驱动。例如当应用于风扇或鼓风机等得，有许多例子，在这些例子中感应电动机使用工业用电源以恒定速度运行。为了在这种系统里实现流速控制，一般做法是使用阻尼器等进行控制。反之，用电流型倒相器实现可调速的控制近来应用得越来越多，由此实现流速控制。根据该方法，当要求使流速达到最大值时，通过直接使用工业用电源实现运行而不将电流型倒相器连接到系统，从而达到了极高的可靠性和高效率。另一方面，当要求降低流速时，因为感应电动机是通过使用一运行频率的电流型倒相器驱动。由于倒相器连接到系统上，导致流速降低，与上述阻尼器控制相比，这种控制有可能方便地提供具有高效率的并节约能量的运行。

图5显示了上述的控制系统。一工业用电源11通过一开关12和一变压器13连接到一电流控制的倒相器上。电流型倒相器由一将交流电流或功率变换成直流电流或功率的整流电路14，一个使来自电路14的直流电流变平滑的电抗器15和一个将直流电流或功率变换成具有一任意频率的交流电流或功率的倒相电路16组成。电流型倒相器的输出通过一个开关17连接到一感应电动机18上。工业用电源11经由不同的线路通过并关19也直接地连接到感应电动机18上。电流型倒相器按下面将描述的方式工作。即，由一设定器21给出一个速度基准通过一个输入限制器用作电压基准e_V和频率基准e_F。电压基准e_V和通过一变压器23及一整流器24获得的电压反馈信号在一电压控制电路25上进行比较放大以产生一电流基准。该电流基准和通过交流器26及整流器27获得的电流反馈信号在电流控制电路28上进行比较放大以产生一相位基准。该相位基准通过相位控制电路29给出构成整流电路14的可控硅的点火脉冲。另一方面，频率基准e_F通过振荡器30和环形计数器31给出了构成倒相器电路16的可控硅的点火时间。在环形计数器31和倒相电路16之间的脉冲放大电路32具有放大点火脉冲的功能及根据外面传输的运行信号来决定脉冲是否传输到构成倒相电路16的可控硅的功能，从工业用电源驱动到由电流型倒相器驱动的转换是按如下方式实现的。直至这种转换完成，开关19才闭合，由工业用电源所供给的电流相位通过一变流器33和电流检测电路34检测。为什么要进行电流相位检测的理由是，被转接的功率变流器是电流型的，因而能够直接控制的因数是电流相位。来自电流检测电路34的电流相位输出和来自环形计数器31的点火定时输出在相位比较器35里进行相位的比较放大。这样，相位比较器35对于振荡器30产生一个频率校正信号△e_F，用来允许频率和相位两者都能彼此相等。在上述方法中，在运行信号输入之前，使电流型倒相器与工业用电源的端部同相，其后再开始电流型倒相器的运行。此外，来自电源检测电路34和环形计数器31的输出传输到同步检测器46。而同步检测器46的输出被用于控制开关17的工作。

图5所示的同步检测器的操作现在参照图7加以描述。当电流检测电路34的输出信号e_a输入到同步检测器46时，单稳态多谐振荡器46a响应该信号e_a而产生一预定的脉冲信号，输入到与门（ANDgate）46c。同样地，当环形计数器31的一个输出信号e_b输入到同步检测器46时，另一个单稳态多谐振荡器46b响应该信号e_b而产生一预定的脉冲信号，输入到与门46c。当两个脉冲信号上的与条件保持在与电路46c上时，该电路46c便产生一个输入信号到46c计数器电路46d，当这些信号按照预定的数目连续地输入到计数器电路46d时，计数器电路46d输出一同步检测信号。反之，当这些信号不是连续地输入时，计数器46e响应来自单稳态多谐振荡器46a的脉冲信号输出的数目，产生一个输入到与电路46f的信号。通过使用一个非（NOT）电路46g将来自计数器电路46d的一输出信号倒相而获得的一个信号也输入到与电路46f。此时，若计数器电路46d不实现同步检测，则计数器电路46d和计数器46e都复位。

图6表明电流型倒相器主电路配置的一个例子。整流电路14由六个可控硅组成。此外，倒相电路16是由六个可控硅、六个二极管和六个整流电容（commutation    capacitors）组成。因为其详细的操作情况对本发明的主题来说并不重要，因而略去说明。注意，详细的操作情况在例如由Naohiko    Yamagami所著的“可控硅控制的交流电动机的运行和维修”（由Denki    Shoin在1977年10月29日出版）一文中已加以描述。

根据图5所示的常规的电源转换系统，当系统须经切换运行时，也就是说，当开关19和17同时闭合时，工业用电源端部的、用作基准的电流相位漂移，以致校正来自电流型倒相器端部的电流相位。这样，这种常规系统的缺点在于基准相位是不固定的，结果造成切换运行不稳定。此外，为了精确地检测工业用电源端部的电流相位，需要两至三个变流器。因此，另一个缺点是，当应用于高电压系统时，由于用于高电压的变换器是昂贵的，就使整个系统的成本提高。

本发明的一个目在在于提供一种用于驱动交流电动机的高度可靠的装置，即使在切换运行期间，它也能保持用作基准的电流相位。

本发明的另一个目的在于提供一种用于驱动交流电动机的成本低廉的装置，它能用一个变压器和至少包含一个变流器的检测电路完成转换操作。

本发明打算通过使用变压器检测不受电源变流器连接到系统上的影响的电压相位而不使用很可能受这一影响的瞬态电流和多个变流器检测该电压相位来获得用作基准的工业用电源端部的电源相位，并根据通过至少一个信号变流器获得的正比于功率因数的值来实现从电压相位到电流相位的转换。于是，通过保持该值正比于功率因数，就可能即使在切换运行期间也使用作基准的电流相位得以固定。

在附图中：

图1是说明本发明的一个实施例的框图。

图2是说明图1所示的电流相位计算电路45的细节的电路图。

图3是用于说明图2所示的电路的工作情况的时间曲线图。

图4是说明本发明另一个实施例的框图。

图5是说明常规装置的电路配置的一个例子的框图。

图6是显示一电流型倒相器主电路的电路配置的一个例子。

图7是显示用于常规装置和按照本发明的装置中的同步检测器46的细节的电路图。

先参照图1，它显示了按照本发明的用于驱动一交流电动机的装置的第一个实施例。第一个实施例里的装置在下列两方面不同于图5所示的先有技术装置。第一点，不是使用图5所示的变流器33和电流检测电路，而是使用变压器41来检测电压相位，以便在一功率因数检测电路43上检测一个正比于功率因数的值，来自变压器41的一输出信号和来自变流器42的一电流检测信号输入到该功率因数检测电路43。第二点，在一保持电路44上保持来自功率因数检测电路43的一个输出信号，以便在一电流相位计算电路45上由与上述电压相位和功率因数保持成正比的值计算电流相位。从而输出一信号到相位比较器35。由于保持电路44是配置得使运行信号也输入到那里，当无运行信号输入时，该保持电路产生一个输出信号，其值等于输入信号，然而当运行信号输入时，它保持输出信号。

电流相位计算电路45的详细配置示于图2。当电流相位计算电路45的输出信号e。是一个R-相位的电流相位基准时，输入到电流相位计算电路45的电压相位信号e_I产生T-相位的基准电压。包含一电阻51和一电容52的滤波器电路使信号相位滞后30°。该信号通过经由一包含电阻53和54及一运算放大器55的电路而倒相。该倒相的信号被输向一包含输入电阻56和57及一个输出受齐纳二极管58限制的运算放大器59的比较电路。也即，经电阻56传输的倒相信号根据比较电路的比较作用与一个保持与功率因数成正比的经电阻57传输的信号e_H作比较。来自运算放大器59的表示比较结果的信号传输到一单脉冲振荡器60中，该脉冲振荡器输出一个响应于其电位降的脉冲。同样地，滤波器电路的输出信号与信号e_H作比较，该输出信号在包含电阻61和62、一齐纳二极管63和一运算放大器64的比较器里并不倒相。表示比较结果的信号传输到一单脉冲振荡器65，来自单脉冲振荡器60和65的这些输出信号输入到一双稳态多谐振荡器66。这样，双稳态多谐振荡器66的输出用作R-相位的电流相位基准的信号e_o。

本实施例的工作原理用图3所示的时间曲线图一起来表示。图3（a）显示交流电压相位的关系曲线，其中e₁是-R-相位电压信号，e₂是-T-相位电压信号，e₃是滞后e₂一个30°相角的电压信号。图3（b）显示信号e₃和e_H之间的比较。图3（d）是比较器输出，图3（e）是信号脉冲振荡器输出。此外，图3（c）显示信号 e₃和e_H之间的比较，图3（f）是一比较输出，图3（g）是一信号脉冲振荡器输出。图3（h）显示一双稳态多谐振荡器电路的输出。当信号e_H选择为等于增益系数，那么当感应电动机18的功率因数为1时，信号e_H等于信号e₃的峰值，而当该功率因数为另时，信号e_H等于零。显然，双稳态多谐振荡器电路的输出信号e_o相对于R-相位电压e₁漂移功率因数角θ。

图1所示的操作现描述如下。

相位比较器35将一电流相位基准信号e。也即电流相位计算电路45的输出信号与环形计数器31的输出信号作比较，从而实现正比于其间相位差的频率校正信号△e_F的比较计算。这样，相位比较器31用频率核正信号△e_F校正环形计数器31的输出信号，以便实现一种控制，以致使上述相位基准信号e_o和环形计数器31的输出信号的相位总是相互间同步。同步检测器46监视电流相位计算电路45的输出信号e_o和环形计数器31的输出信号之间的相位差。当该检测器46检测得两个信号是相互同步的，它就输出一个信号来闭合开关17。当开关17闭合时，运行信号输入，而保持电路44保持功率因数检测电路43的一输出信号。此外，脉冲放大电路32响应来自环形计数器31的一输出信号而输出一与上述电流相位基准信号e_o同步的可控硅选通脉冲到倒相电路16。因此，倒相电路16开始允许电流流动。该电流具有与从工业用电源11传输到感应电动机的电流相同的相位。此时，通过打开开关19，电源开关便接通。配合开关19的开启操作。打开常闭开关49，至使经过一段时间以后频率校正信号△e_F变成零，这段时间基于由电容71和电阻72所决定的放电时间常数。这样，使用一个由设定器21给出的频率，倒相电路16便实现加速和减速运行。

图4是表示本发明的另一个实施例的框图。该实施例在下列两方面不同于所述的第一个实施例。变压器42是置于倒相电路16的输出端，变压器23的输出信号用作功率因数检测电路43的输入信号（电压信号）。至于保持电路44，传输鉴频器47的输出信号。通过使用一来自同步检测器46的输出信号允许开关19闭合及通过使用一个表明开关17已打开的信号允许脉冲放大电路32的操作停止，倒相器便停止运行。此外，上述鉴频器47检测置于设定器21上的倒相器输出频率基准是大于置于一调节器48上的一个预定值。其他操作与图1所示的实施例相同。

如上所述，本发明是这样地实现，用作基准的、在工业用电路端部的电流相位是基于不受功率变流器连接到系统上的影响的电压相位和同切换前一瞬间的功率因数成正比的值而获得的。此外，本发明的实现其结果是保持该值正比于用作基准的电流相位。这样，由于这一信器许可保持用作基准的电流相位，本发明便能提供一具有下列特点的驱动一交流电动机的装置。

（1）由于即使在切换运行时也可能保持用作基准的电流相位，该装置便能完成稳定的切换运行，即致具有高度的可靠性。

（2）由于仅仅用一变压器和至少一个变流器的结构便许可作稳定的切换运行，该装置能够是低成本型的。

在上述实施例里已描述了工业用电源被用作与功率变流器无关的交流电源。然而，作为一种例子，即使使用由其它功率变流器构成的电源，显然这样一种仪器也不脱离本发明的主题。

Claims (6)

1、一种用于驱动交流电动机的装置，它包括一个产生具有一任意频率的交流电流或功率作为其输出的电流控制型功率变流器，一个与上述功率变流器无关的交流电源，一个由上述功率变流器或上述交流电源驱动的交流电动机，设置在上述功率变流器和上述交流电动机之间的第一个转换开关以及设置在上述交流电源和上述交流电动机之间的第二个转换开关。

在将上述交流电动机从上述交流电源转接到上述功率变流器的、用于驱动交流电动机的装置里，其改进包括；

用于检测上述交流电源的电压相位的第一个装置，

用于检测同上述交流电源的功率因数成正比的值的第二个装置，

用于将来自上述第二个装置的输出信号保持一个预定时间的第三个装置，

用于根据来自上述第一个和第三个装置的输出信号计算上述交流电动机的电流相位的第四个装置，

用于指令上述功率变流器运行和指令上述第一个和第二个转换开关与来自上述第四个装置的相位检测信号同步操作的第五个装置。

2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，上述第四个装置形成一相位电流基准，用任一其他相位的电压基准来进行输出和形成上述第三个装置的一个输出。

3、按照权利要求2所述的装置，其特征在于，上述第四个装置包括：

将任何其他相位的上述电压基准延迟30°的第一个电路，

置有用来取出来自上述第一个电路的输出信号的一个终端和用来取出通过使来自上述第一个电路的上述输出信号倒相而获得的输出信号的另一个终端以形成一对反相位信号的第二个电路，

将上述一对反相位信号与来自上述第三个装置的输出信号各别地作比较，以输出一组比较结果的第三个电路，

响应于上述一组比较结果的各自的电位降以产生输出脉冲信号的一对信号脉冲振荡器，以及：

响应于上述各个输出脉冲信号以输出上述电流基准的双稳态多谐振荡器。

4、一种用于驱动交流电动机的装置，它包括一个产生具有一任意频率的交流电流或功率作为其输出的电流控制型功率变流器，一个与上述功率变流器无关的交流电源，一个由上述功率变流器或上述交流电源驱动的交流电动机，设置在上述功率变流器和上述交流电动机之间的第一个转换开关以及设置在上述交流电源和上述交流电动机之间的第二个转换开关，

在将上述交流电动机从上述功率变流器转接到上述交流电源的、用于驱动交流电动机的装置里，其改进包括：

用于检测上述交流电源的电压相位的第一个装置，

用于检测同上述交流电动机的功率因数成正比的值的第二个装置，

用于保持来自第二个装置的一输出信号的第三个装置，

用于根据来自上述第一个和第三个装置的输出信号计算上述交流电动机的电流相位的第四个装置，以及

用于输出一个操作指令到与一个来自上述第四个装置的相位检测信号同步的上述第一个和第二个转换开关的第五个装置。

5、按照权利要求4所述的装置，其特征在于，上述第四个装置形成相位的电流基准，用任一其他相位的电压基准来进行输出和形成上述第三个装置的一个输出。

6、按照权利要求5所述的装置，其特征在于，上述第四个装置包括：

将任何其他相位的上述电压基准延迟30°的第一个电路。

置有用来取出来自上述第一个电路的输出信号的一个终端和用来取出通过使来自上述第一个电路的上述输出信号倒相而获得的输出信号的另一个终端以形成一对反相位信号的第二个电路，

将上述一对反相信号与来自上述第三个装置的输出信号各别地作比较，以输出一组比较结果的第三个电路。

响应于上述一组比较结果的各自的电位降以产生输出脉冲信号的一对信号脉冲振荡器，以及

响应于上述各个输出脉冲信号以输出上述电流基准的双稳态多谐振荡器。

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