专利名称：一种交流负载控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电气控制技术领域，具体地说，是涉及一种可以对交流负载实现调速 或者功率调节的交流负载控制系统。
背景技术：
目前控制交流电机的方法主要为使用IGBT构成的变频调速技术以及使用可控硅 SCR构成的电机软启动技术。以控制三相交流电机为例，现有技术存在如下问题
1、变频调速技术是通过改变供给电机交流电压的频率来达到改变电机转速的目的的。 但是，当交流电压的频率降低时，必须降低交流电压的幅值，否则电机磁路将进入饱和区域 而产生过电流。因此，采用现有的变频调速技术控制交流电机既要调压又要调频。在高功率 因数、无电流冲击的要求下，调压时需要采用六个开关器件(比如IGBT功率管，每相需要两 个，正，负各一个，三相就需要六个)设计可控整流电路，用于将交流电压整流成直流电压， 为后续逆变模块提供直流母线电压。通过逆变模块进行调频控制时，也需要使用六个开关 器件(比如IGBT功率管)来将直流母线电压逆变成三相交流电压，以驱动三相电机运转。这 样，在三相电机的供电主回路中共计需要使用12个IGBT功率管进行电路设计，不仅结构复 杂，成本高，而且还会造成可靠性的降低。2、变频调速技术很难使交流电机在第四象限工作。第四象限的特点是电机速度是 负值，而电机转矩是正值，例如起重机在下放重物的过程中就需要其内部电机工作在第四 象限。但是，由于变频调速技术是通过改变频率的方法来改变电机速度的，而频率是不能成 为负值的，因此要想速度变为负值，只能改变电机的相序。此时，电机实际上不是工作在第 四象限，而是工作在第二象限，处于发电状态。3、由可控硅SCR构成的软启动器是目前用于控制交流电机软启动的主要形式，它 采用移相降压的方式来达到减小启动电流的目的，即通过降低启动电压来降低电机的启动 电流。这种设计方式存在功率因数低、转矩/电流比低、启动电流大等缺点。而且，由SCR 构成的软启动器也需要较多的开关元件，同样存在结构复杂、成本高的问题。对于电气加热炉或者调功器等多相电阻性交流负载来说，一般都是采用可控硅进 行功率调节，同样存在控制线路复杂、功率因数低的问题。
发明内容
本发明为了解决现有交流负载控制系统所存在的控制线路复杂、可靠性低的问 题，提供了一种交流负载控制系统，通过采用二极管构成矩阵开关来调节流经交流负载内 部阻抗的电流导通比，进而实现对交流负载的控制，从而简化了控制线路的结构，提高了系 统运行的可靠性。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现
一种交流负载控制系统，包括2N个二极管、一个开关器件和用于控制所述开关器件通 断的控制模块，所述N为交流负载的相数；在交流负载的每一相绕组或者电阻的一端分别连接有两个二极管，在所述的两个二极管中，其中一个二极管的阳极连接该相绕组或者电 阻，阴极连接所述开关器件的开关通路的一端，所述开关通路的另一端连接另一个二极管 的阳极，所述另一个二极管的阴极连接该相绕组或者电阻；所述交流负载的N相绕组或者 电阻的另一端连接N相交流电压，所述开关器件的控制端连接所述的控制模块。作为所述控制模块的其中一种设计方式，在所述控制模块中包含有脉冲发生器， 所述脉冲发生器接收设定信号，生成占空比可调的均勻脉冲信号输出至所述开关器件的控 制端。当所述交流负载为至少三相的交流电机时，所述设定信号为速度设定信号；在所 述控制模块中还包含有用于检测交流电机转速的测速传感器，所述测速传感器将检测到的 电机转速信号传输至所述的脉冲发生器，所述脉冲发生器根据速度设定信号和电机转速信 号之差，调节其输出的均勻脉冲信号的占空比。当所述交流负载为至少三相的电气加热炉或者调功器等电阻性交流负载时，所述 脉冲发生器接收的设定信号为功率设定信号。作为所述控制模块的另外一种设计方式，当所述交流负载为至少三相的感应式交 流电机时；所述控制模块还可以采用被调制信号发生器、调制信号发生器和信号调制器组 建而成；其中，所述信号调制器接收被调制信号发生器输出的载波信号以及调制信号发生 器输出的调制信号，进而生成调制脉冲信号输出至所述开关器件的控制端。进一步的，所述被调制信号发生器生成固定频率的载波信号输出至所述的信号调 制器；所述调制信号发生器接收速度设定信号，并根据速度设定信号确定其输出的调制信 号的频率。又进一步的，所述信号调制器将接收到的调制信号调制到所接收到的载波信号 上，并同时接收调制深度控制信号，根据所述调制深度控制信号调节其输出的调制脉冲信 号的脉冲宽度。优选的，当所述交流负载为交流电机时，在所述控制系统中还可以进一步设置能 量吸收回馈电路，连接所述开关器件的开关通路，在交流电机工作在第四象限时吸收线路 回馈的能量，以达到节约能源的设计目的。作为所述控制系统的另外一种应用方式，本发明的交流负载控制系统还可以应用 于对交流电机的软启动控制中。当所述交流负载控制系统用于对三相交流电机进行软启动时，对于运行时要求星 形接法的交流电机，在其各相绕组用于连接所述控制系统的一侧，每两相绕组之间连接交 流接触器的一个常开触点，所述交流接触器在交流电机启动完成后控制其常开触点闭合， 将三相绕组接成星形。而当所述交流负载控制系统用于对三相交流电机进行软启动时，对于运行时要求 三角形接法的交流电机，其三相绕组各自通过第一交流接触器的一个常开触点连接所述的 控制系统，所述第一交流接触器仅在交流电机启动过程中控制其常开触点闭合；在所述三 相绕组之间还连接有第二交流接触器的三个常开触点，所述第二交流接触器在交流电机启 动完成后控制其常开触点闭合，将三相绕组接成三角形。与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是本发明的交流负载控制系统线路 结构简单、成本低、可靠性好。将其用于交流电机的调速控制中，不仅可以取代现有的变频调速技术实现对电机转速的准确控制，而且可以使电机稳定的工作在第四象限，且功率因 数等于1，从而改变了由于电抗的原因使功率因素变差而形成的交流电机的s型转矩特性， 把原来s型特性的不稳定工作段变成稳定的工作段。此外，本发明的交流负载控制系统还 可以应用于对交流电机的软启动控制以及对电气加热炉或者调功器等电阻性多相交流负 载的功率控制中，相比传统SCR控制技术具有功率因数高、控制性能好等显著优势。结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更 加清楚。
图1是本发明所提出的交流负载控制系统应用于感应式三相交流电机调速控制 的一种实施例的系统结构图2是本发明所提出的交流负载控制系统应用于绕线式三相交流电机调速控制的一 种实施例的系统结构图3是本发明所提出的交流负载控制系统应用于感应式三相交流电机调速控制的另 外一种实施例的系统结构图4是图3所示信号调制器生成的调制脉冲信号的一种实施例的波形图； 图5是本发明所提出的交流负载控制系统应用于交流电机软启动控制的一种实施例 的系统结构图6是本发明所提出的交流负载控制系统应用于交流电机软启动控制的另外一种实 施例的系统结构图7是本发明所提出的交流负载控制系统应用于电阻性交流负载功率控制的一种实 施例的系统结构图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细地描述。本发明基于二极管所具有的正向低阻抗、反向高阻抗的特性，利用2N个二极管构 成矩阵式结构的交流开关，连接到交流负载的各相绕组或者电阻上，每相绕组或者电阻上 连接两个二极管。由于二极管的负载功率比较大，所以驱动二极管通断的开关器件的功率 也比较大。采用二级管组成矩阵开关后，可以使用一个开关器件同时控制几路交流电路。这 样，由于使用的开关器件非常少，因此，控制线路可以变得非常简单，进而使产品的成本得 以降低。下面通过三个具体的实施例来详细阐述所述交流负载控制系统的具体组建结构 及其应用。实施例一，参见图1、图2所示，本实施例的交流负载控制系统主要由2N个二极管 D”一个开关器件Ql和控制模块组成，所述N为交流负载的相数。以三相交流电机M为例进 行说明，此时N=3，即需要6个二级管D1-D6组成二行三列的矩阵开关。将交流电机M的中 心点拆开，使三相绕组的其中一端连接三相交流电源，另一端分别与所述矩阵开关的三列 二极管一一对应连接，即在每一相绕组上连接两路二极管。在实际应用过程中，一般三相交 流电机M的接线盒上都设置有六个接线柱，可以在其中的U、V、W三个接线柱上连接三相交流电源，在X、Y、Z三个接线柱上连接所述的矩阵开关。对于感应式交流电机来说，所述X、 Y、Z三个接线柱与电机定子绕组连接，如图1所示；而对于绕线式交流电机来说，所述Χ、Υ、 Z三个接线柱与电机转子绕组连接，如图2所示。对于交流电机M与矩阵开关的具体连接关 系，本实施例以交流电机M中的U相绕组为例进行说明，所述U相绕组连接第一列的两个二 极管Dl、D2，分别与二极管Dl的阳极和二极管D2的阴极相连接，开关器件Ql的开关通路 连接在所述二极管Dl的阴极与二极管D2的阳极之间。其余两列二极管D3-D6的连接方式 与第一列二极管D1、D2相仿，分别连接在交流电机M的V相绕组和W相绕组上，并通过开关 器件Ql对其进行通断控制。所述开关器件Ql的控制端连接控制模块，通过控制模块输出 的脉冲信号控制其开关通路导通或者关断。在本实施例中，所述开关器件Ql可以采用CMOS、IGBT等大功率场效应管实现。当 然，本实施例并不仅限于以上举例。作为所述控制模块的其中一种设计方式，可以采用脉冲发生器对开关器件Ql进 行开关控制，如图1、图2所示。用户可以通过电位器、键盘、触摸屏等人机交互设备输入设 定信号，传输至脉冲发生器以生成一定占空比的均勻脉冲信号(即固定频率的脉冲信号)， 进而输出至开关器件Ql的控制端，以控制开关器件Ql的通断时序，达到对交流负载的控 制。以控制交流电机M的转速为例进行说明，脉冲发生器接收用户输入的速度设定信号Vs， 并根据设定速度的大小生成相应占空比的均勻脉冲信号，控制开关器件Ql通断。在开关器 件Ql导通的期间，三相交流电机M的X、Y、Z接线柱连通，相当于将三相交流电机M连接成 星形接法，通过三相交流电源为电机M供电，使电机M运转。在开关器件Ql关断的期间，三 相交流电机M的X、Y、Z接线柱断开，相当于切断了交流电机M的供电回路，此时交流电机M 中无电流流过，电机M停转。由此一来，通过调节脉冲发生器输出的脉冲信号的占空比，即 可调节流过电机M的电流导通比，进而改变电机转矩，实现对电机M转速的调节。所述均勻脉冲信号的频率可以与交流电源的频率同步，也可以异步，本实施例对 此不进行具体限制。上述控制模块采用的是一种开环的控制方式，它用于绕线式交流电机时，可获得 直线下垂的机械特性，电机M可以连续工作在第一、第四象限。为了实现对电机M转速的精确控制，还可以在所述控制系统中增加负反馈环节， 如图1、图2所示，采用测速传感器检测交流电机M的当前转速，进而反馈电机转速信号Vo 至脉冲发生器。脉冲发生器根据速度设定信号Vs和电机转速信号Vo之差，调节其输出的 脉冲信号的占空比，进而将电机转速稳定在用户所要求的速度设定值上。对于起重机中的交流电机，当起重机工作在下放重物的过程中，由于施加到交流 电机M的交流电源的相序不变，控制模块仍然输出均勻脉冲信号控制流过电机的电流导通 比，因此电机转矩仍为正值；但此时，电机会由于受重物下降的拉力而反转，因此电机转速 为负值，由此便可以实现电机M在第四象限的稳定工作。由于起重机在下放重物的过程中 会产生能量，为了避免所述能量消耗在电机绕组上，本实施例在控制系统中还设计有能量 吸收回馈电路，如图1、图2所示，与所述开关器件Ql的开关通路相连接，吸收所述能量并回 馈给电网或者储能装置，以达到节约能源的目的。将本实施例的控制系统应用于交流电机的调速控制时，由于施加到电机的电压是 额定的，因此磁场是额定状态，根据电机转矩公式M = K * U I cos Φ ；
其中，M为转矩；K为电机结构参数；U为电机电压；I为电机电流；cosct为功率因数； 因此，电机转矩取决于电机转子电流和功率因数。在采用均勻脉冲信号控制时，其功率因 数等于1，当脉冲占空比不变时，随着转差率(交流电源的频率与电机转子的频率之差)的加 大、转子回路的电压也加大、转子回路的电流也成比例的加大，使得电机的转矩加大，转速 降低，即在转矩为横轴、转速为纵轴的坐标系中，电机的转矩特性成倾斜下降的特性，在绕 线式电机时更接近于倾斜下降的直线。当均勻脉冲信号的占空比加大时，特性变平；占空比 减小时、特性变陡。当然，对于所述开关器件Q1，也可以采用调制脉冲信号对其进行开关控制。此时， 可以采用调制信号发生器、被调制信号发生器和信号调制器来组建所述的控制模块，如图3 所示。以控制三相感应式交流电机的转速为例进行说明。通过调制信号发生器接收用户 输入的速度设定信号Vs，进而生成一定频率的调制信号输出至所述信号调制器。所述信号 调制器同时接收被调制信号发生器输出的固定频率的载波信号，然后将调制信号调制到所 述的载波信号上，并利用其接收到的调制深度控制信号对所述载波信号的脉冲宽度进行调 节，从而生成如图4所示的调制脉冲信号。图4中，t为被调制信号的周期；T为调制信号的 周期；Vmax为开关器件Ql的导通电位；Vmin为开关器件Ql的关断电位。通过改变调制信 号的频率可以达到调节电机转速的目的；通过增大调制深度控制信号的值，可以加大信号 调制器输出的调制脉冲信号的脉冲宽度，延长开关器件Ql的导通时间，进而增大电机转子 电流，使电机转矩提高，电机特性硬度加大。当开关器件Ql采用调制脉冲信号控制时，由于交流电机的定子回路的能量来自 电网，所以能够在电机气隙中形成旋转磁场。但在转子回路中，由于电流是通过感应方式产 生的，因此受到调制脉冲信号的控制。并且，感生电流的频率与调制脉冲信号的频率相同。实验证明在电网频率为50赫兹的情况下，当调制脉冲信号的调制频率小于50赫 兹时，电机转子旋转方向与定子旋转磁场的方向相同；而当调制脉冲信号的调制频率高于 50赫兹时，电机转子旋转方向与定子旋转磁场的方向相反，其作用原理相当于等效的转子 回路馈电的双馈调节。在本实施例中，所述速度设定信号和调制深度控制信号可以通过人机交互设备输 入到所述的控制系统中，用于对电机进行调速控制。当然，所述控制模块也可以采用其他多种设计方式，本实施例并不仅限于以上举 例。当交流电机的相数大于3时，可以采用更多路二极管对所述矩阵开关进行列数扩展，其 电路连接方式仿照图1-图3所示，本实施例在此不作重复说明。实施例二，本实施例将实施例一所述的交流负载控制系统应用于三相交流电机的 软启动过程中。对于采用星形接法的三相交流电机来说，可以将电机绕组的中心点拆开，三 相绕组的一端(即UVW接线柱)连接交流电源，另一端(即X^接线柱)连接二行三列的矩阵 开关，如图5所示，并在XYZ接线柱的两两之间分别跨接一个常开触点Zl，三个常开触点Zl 均为一交流接触器的常开触点。所述交流接触器在电机启动过程中，控制其常开触点Zl断 开。此时，控制模块(图5中以脉冲发生器为例进行说明)根据给定信号生成脉冲信号，控制 流过电机的启动电流。在本实施中，可以根据实际需要控制启动电流的大小，其中，脉冲的 宽度决定启动电流的大小和力矩的大小。当电机启动完成后，交流接触器控制其常开触点Zl闭合，即，将电机绕组按照星形接法连接，使电机进入正常运行状态。对于采用三角形接法的三相交流电机来说，可以将电机绕组的中心点拆开，三相 绕组的一端(即UVW接线柱)连接交流电源，另一端(即XYZ接线柱)一方面各自通过一路常 开触点Z2连接二行三列的矩阵开关，所述三路常开触点Z2为第一交流接触器的常开触点， 如图6所示；另一方面通过第二交流接触器的三路常开触点实现X与V、Y与W、Z与U的 间接连接。在电机启动过程中，第一交流接触器控制其常开触点Z2闭合，第二交流接触器 控制其常开触点Z3断开，此时，控制模块(图6中以脉冲发生器为例进行说明)根据给定信 号生成脉冲信号，控制流过电机的启动电流(可以根据实际需要控制启动电流的大小)。当 电机启动完成后，第一交流接触器控制其常开触点Z2断开，第二交流接触器控制其常开触 点闭合，即，将电机绕组按照三角形接法连接，使电机进入正常运行状态。所述第一交流 接触器和第二交流接触器互相闭锁。当然，也可以将Z3改为第一交流接触器的常闭触点， 同样可以实现对交流电机的软启动控制。对于电机是否启动完成，可以采用现有的多种方式进行判断，比如通过检测电机 电流或者控制软启动的时间等方式，本实施例对此不进行具体限制。实施例三，本实施例将实施例一所述的交流负载控制系统应用于除电机以外的其 他交流负载中，比如电气加热炉、调功器等具有三相或者更多相电阻、且传统采用星形接法 的电阻性交流负载中，用于对交流负载的功率进行控制。如图7所示，以三相交流负载为例 进行说明。同样的，将交流负载的三相电阻的中心点拆开，其原本连接交流电源的三相端子 UVW还是连接交流电源，三相电阻的另一端CTZ连接所述的由二极管组成的矩阵开关。控 制模块接收用户输入的功率设定信号，进而生成一定占空比的均勻脉冲信号，传输至开关 器件Ql的控制端，对其进行开关控制，进而通过改变负载电流来达到对负载功率的有效控 制。为了实现交流负载功率的准确控制，还可以进一步设计负反馈环节，即在控制系 统中增加功率传感器，检测交流负载的功率，并将检测到的功率信号反馈给控制模块，以调 节其输出的脉冲信号的占空比，进而使负载功率能够稳定在用户所要求的设定功率值上。当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种交流负载控制系统，其特征在于包括2N个二极管、一个开关器件和用于控制 所述开关器件通断的控制模块，所述N为交流负载的相数；在交流负载的每一相绕组或者 电阻的一端分别连接有两个二极管，在所述的两个二极管中，其中一个二极管的阳极连接 该相绕组或者电阻，阴极连接所述开关器件的开关通路的一端，所述开关通路的另一端连 接另一个二极管的阳极，所述另一个二极管的阴极连接该相绕组或者电阻；所述交流负载 的N相绕组或者电阻的另一端连接N相交流电压，所述开关器件的控制端连接所述的控制 模块。
2.根据权利要求1所述的交流负载控制系统，其特征在于在所述控制模块中包含有 脉冲发生器，所述脉冲发生器接收设定信号，生成占空比可调的均勻脉冲信号输出至所述 开关器件的控制端。
3.根据权利要求2所述的交流负载控制系统，其特征在于所述交流负载为至少三相 的交流电机，所述设定信号为速度设定信号；在所述控制模块中还包含有用于检测交流电 机转速的测速传感器，所述测速传感器将检测到的电机转速信号传输至所述的脉冲发生 器，所述脉冲发生器根据速度设定信号和电机转速信号之差，调节其输出的均勻脉冲信号 的占空比。
4.根据权利要求2所述的交流负载控制系统，其特征在于所述交流负载为至少三相 的电气加热炉或者调功器，所述脉冲发生器接收的设定信号为功率设定信号。
5.根据权利要求1所述的交流负载控制系统，其特征在于所述交流负载为至少三相 的感应式交流电机；在所述控制模块中包含有被调制信号发生器、调制信号发生器和信号 调制器，所述信号调制器接收被调制信号发生器输出的载波信号以及调制信号发生器输出 的调制信号，进而生成调制脉冲信号输出至所述开关器件的控制端。
6.根据权利要求5所述的交流负载控制系统，其特征在于所述被调制信号发生器生 成固定频率的载波信号输出至所述的信号调制器；所述调制信号发生器接收速度设定信 号，并根据速度设定信号确定其输出的调制信号的频率。
7.根据权利要求6所述的交流负载控制系统，其特征在于所述信号调制器将接收到 的调制信号调制到所接收到的载波信号上，并同时接收调制深度控制信号，根据所述调制 深度控制信号调节其输出的调制脉冲信号的脉冲宽度。
8.根据权利要求1至3或者5至7中任一项所述的交流负载控制系统，其特征在于 当所述交流负载为交流电机时，在所述控制系统中还包含有能量吸收回馈电路，连接所述 开关器件的开关通路，在交流电机工作在第四象限时吸收线路回馈的能量。
9.根据权利要求1或2或者5至7中任一项所述的交流负载控制系统，其特征在于 当所述交流负载控制系统用于对三相交流电机进行软启动时，对于运行时要求星形接法的 交流电机，在其各相绕组用于连接所述控制系统的一侧，每两相绕组之间连接交流接触器 的一个常开触点，所述交流接触器在交流电机启动完成后控制其常开触点闭合，将三相绕 组接成星形。
10.根据权利要求1或2或者5至7中任一项所述的交流负载控制系统，其特征在于 当所述交流负载控制系统用于对三相交流电机进行软启动时，对于运行时要求三角形接法 的交流电机，其三相绕组各自通过第一交流接触器的一个常开触点连接所述的控制系统， 所述第一交流接触器仅在交流电机启动过程中控制其常开触点闭合；在所述三相绕组之间还连接有第二交流接触器的三个常开触点，所述第二交流接触器在交流电机启动完成后控 制其常开触点闭合，将三相绕组接成三角形。
全文摘要
本发明公开了一种交流负载控制系统，包括2N个二极管、一个开关器件和用于控制所述开关器件通断的控制模块，所述N为交流负载的相数；在交流负载的每一相绕组或者电阻的一端分别连接有两个二极管，在所述的两个二极管中，其中一个二极管的阳极连接该相绕组或者电阻，阴极连接所述开关器件的开关通路的一端，所述开关通路的另一端连接另一个二极管的阳极，所述另一个二极管的阴极连接该相绕组或者电阻；所述交流负载的N相绕组或者电阻的另一端连接N相交流电压，所述开关器件的控制端连接所述的控制模块。本发明的交流负载控制系统线路结构简单、成本低、可靠性好，可用于对交流电机的调速、软启动控制以及其他交流负载的功率控制。
文档编号H02P25/16GK102136823SQ201110116169
公开日2011年7月27日 申请日期2011年5月6日 优先权日2011年5月6日
发明者张利, 薄毅民, 薄焕林 申请人:薄焕林