专利名称：电机变频调速装置的制作方法
技术领域：
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Uo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Rw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UI和过载UOI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
以下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Uo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Uo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Uo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Uo变换为频率信号fFCT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fFCT成正比例。如正弦脉宽调制器SPWM采用4752芯片，则fFCT＝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Uo，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fVCT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Uo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Uo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Uo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Uo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Uo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fFCT、fVCT、fRCT、fOCT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。fFCT＝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fVCT。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Uov和UI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Uref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。
权利要求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UI和过载UoI电压信号取自于主回路中串联电阻。
专利摘要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。
文档编号H02H7/08GK2130011SQ9221751
公开日1993年4月14日 申请日期1992年8月1日 优先权日1992年8月1日
发明者朱立 申请人:朱立