一种基于模数控制的电机用变频电源的制作方法
【专利摘要】一种基于模数控制的电机用变频电源，包括主电路单元和控制单元，其技术要点是：所述主电路单元包括APFC控制器、中间滤波电路和逆变电路，所述控制单元包括DSP控制器、三角波发生电路和隔离反馈电路，有源功率因数校正器连接中间滤波电路，中间滤波电路通过逆变电路连接输出滤波电路，APFC控制器连接有源功率因数校正器，DSP控制器和三角波发生电路均连接比较器，比较器通过驱动电路连接逆变电路，隔离反馈电路的输入端连接输出滤波电路的输出端，隔离反馈电路的输出端连接DSP控制器。本实用新型有效抑制输入输出端产生谐波和输入输出回路产生的电流高次谐波，减小输入端的谐波通过输入电源线对公用电网产生的影响。
【专利说明】
一种基于模数控制的电机用变频电源
技术领域
[0001]本实用新型涉及变压变频电源，具体涉及一种基于模数控制的电机用变频电源，属于电机工程技术领域。
【背景技术】
[0002]理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波(无失真)。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性會K。
[0003]当今国际上先进的变频电源是采用IGBT逆变输出技术，用先进微处理器控制设计而成的高性能精密电源，它具有过流、短路、过压、欠压、过载等保护及报警故障显示功能，确保用电设备及变频电源安全。具有负载适应性强，输出波形品质好，良好的人机界面，操作简单，体积小，重量轻等特点。正弦波输出，可调输出电压及频率的变频电源为用电设备提供了所需要的交流电。
[0004]变频电源是运动控制系统中的功率变换器，当今的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是:驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频电源而得到迅猛发展。随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。
[0005]现有技术对变频器输入输出产生谐波问题，输入输出回路产生的电流高次谐波，对负载及其邻近设备能产生干扰，输入端的谐波还会通过输入电源线对公用电网产生影响。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，谐波次数通常为6η± I次高次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统，在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形。对于逆变元件，其PWM的载波频率为2-3kHz，而逆变元件的PffM最高载频可达I OkHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含基波和其他各次谐波。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的是为了解决现有技术对变频电源输入输出回路产生的电流高次谐波，对负载及其邻近设备能产生干扰，输入端的谐波还会通过输入电源线对公用电网产生影响的问题。
[0007]本实用新型的技术方案是:一种基于模数控制的电机用变频电源，包括主电路单元、控制单元和辅助供电电路，所述主电路单元包括有源功率因数校正器、APFC控制器、中间滤波电路、逆变电路和输出滤波电路，所述控制单元包括DSP控制器、三角波发生电路、比较器、驱动电路和隔离反馈电路，电网通过有源功率因数校正器连接中间滤波电路，中间滤波电路的输出端分别连接逆变电路和APFC控制器，中间滤波电路反馈给APFC控制器，逆变电路的输出端连接输出滤波电路，APFC控制器的输出端连接有源功率因数校正器，DSP控制器的输出端和三角波发生电路的输出端均连接比较器，比较器的输出端通过驱动电路连接逆变电路，隔离反馈电路的输入端连接输出滤波电路的输出端，隔离反馈电路的输出端连接DSP控制器，辅助供电电路的输出端分别连接APFC控制器、DSP控制器和隔离反馈电路。
[0008]所述中间滤波电路包括依次连接的整流桥、滤波电路、均压电路和检测电路，所述滤波电路并接在整流桥两端，均压电路并接在滤波电路的两端，检测电路并接在滤波电路的两端。
[0009]所述整流桥为六个二极管构成的三相不可控整流桥，将电网输入的工频电能转换为脉动的直流电，输入到下一个中间滤波环节。
[0010]所述滤波电路包括串联的第一滤波电容和第二滤波电容，将整流电路输出的脉动直流中所含的交流成分滤去，保留其中的直流分量。由于电网冲击以及输出对输入电流的影响，输入侧电压电流有浪涌出现，所以采用第一滤波电容和第二滤波电容串联，适当扩大整流桥容量，使电路避免由于这种原因造成故障。
[0011]所述均压电路包括串联的第一均压电阻和第二均压电阻，防止电容承受电压不均衡。
[0012 ]所述检测电路包括串联的检测电阻和检测灯
[0013]所述中间滤波电路包括节能电路，节能电路包括限流电阻和触点开关，限流电阻串联在整流桥的正极输出端，触点开关并接在限流电阻的两端。所述三角波发生电路包括依次连接的方波发生电路和积分电路。
[0014]所述逆变电路为六个MOSFET管构成的三相逆变桥电路，每个MOSFET管的两端均并接有RCD缓冲电路，将滤波电路输出的直流电转变为所需要的频率和电压的交流电。由于其开关管的开关频率很高，因此在开关过渡过程中，会出现管过压、过流的情况，所以必须加缓冲保护电路以保证MOSFET管安全工作
[0015]所述输出滤波电路为LC滤波电路，在用于保证变频电源的输出波形失真度小，更接近正弦波。
[0016]所述控制单元包括人机交互单元，人机交互单元与DSP控制器双向通信连接，所述辅助供电电路的输出端连接人机交互单元。
[0017]本实用新型与现有技术相比具有以下效果:本实用新型有效抑制输入输出端产生谐波和输入输出回路产生的电流高次谐波，降低对负载及其邻近设备能产生干扰，减小输入端的谐波还会通过输入电源线对公用电网产生影响。本实用新型对电路结进行了改进，弥补了影响运行稳定性的问题，即PWM波形的调制波由DSP发出，载波由模拟电路发出，两者通过比较器输出PWM波形，从而达到减少响应时间的目的。对于桥式逆变电路死区时间的补偿从硬件方面补偿；电压补偿法原理:首先要检测逆变器的实际输出电压，与用户指令电压比较作差，用这个误差电压作为补偿量，与调制波叠加后生成新的SPmi信号，将叠加后的SPffM加入死区时间得到最终的驱动信号。因为偏差电压是经过硬件电路检测后与指令电压的差值，理论上可以真实的反映输出电压的偏差，但是因为设置的死区时间一般为微妙级，采用MOSFET作为逆变桥式电路设置为IUS左右，解决了死区问题。数字变压变频电源控制策略采用模数综合控制，综合控制结合模拟电路和数字电路各自的特点，发挥模拟电路和数字电路各自优越性，使得发出标准的正弦波信号。
【附图说明】
[0018]图1，本实用新型的整体结构框图；
[0019]图2，本实用新型的主电路单元的电路示意图；
[0020]图3，本实用新型的三角波发生电路；
[0021]图4，为本实用新型的输入和输出波形，其中，图4a为模拟的三角波和数字的正弦波；图4b为经过比较输出后生成的SPffM波形。
【具体实施方式】
[0022]结合【附图说明】本实用新型的【具体实施方式】，本实施方式的一种基于模数控制的电机用变频电源，如图1所示，包括主电路单元、控制单元和辅助供电电路，所述主电路单元包括有源功率因数校正器、APFC控制器、中间滤波电路、逆变电路9和输出滤波电路10，所述控制单元包括DSP控制器、三角波发生电路、比较器、驱动电路和隔离反馈电路，电网通过有源功率因数校正器连接中间滤波电路，中间滤波电路的输出端分别连接逆变电路9和APFC控制器，逆变电路9的输出端连接输出滤波电路1，APFC控制器的输出端连接有源功率因数校正器，DSP控制器的输出端和三角波发生电路的输出端均连接比较器，比较器的输出端通过驱动电路连接逆变电路9，隔离反馈电路的输入端连接输出滤波电路10的输出端，隔离反馈电路的输出端连接D SP控制器，辅助供电电路的输出端分别连接APFC控制器、D SP控制器和隔离反馈电路。
[0023]所述中间滤波电路2包括依次连接的整流桥1、滤波电路2、均压电路3和检测电路4，所述滤波电路2并接在整流桥I两端，均压电路3并接在滤波电路2的两端，检测电路4并接在滤波电路2的两端。
[0024]所述整流桥I为六个二极管VD1-VD6构成的三相不可控整流桥。
[0025]所述滤波电路2包括串联的第一滤波电容C21和第二滤波电容C22。
[0026]所述均压电路3包括串联的第一均压电阻R31和第二均压电阻R32。
[0027]所述检测电路4包括串联的检测电阻Rs和检测灯HL。
[0028]所述中间滤波电路2包括节能电路8，节能电路8包括限流电阻Rx和触点开关RT，限流电阻Rx串联在整流桥I的正极输出端，触点开关RT并接在限流电阻Rx的两端，在启动电路，初始状态充电电容Cx需要充电，由于电容容量大，充电电流会在瞬间迅速增大，如果不采取措施，就会烧毁整流桥及输入侧保险丝，甚至输入侧跳闸，因此在主电路上电时，采用串联限流电阻限制充电电流，电容充电完毕后，用触点短接，限流电阻被短路，以减少工作时不必要的损耗。如图3所示，所述三角波发生电路包括依次连接的方波发生电路5和积分电路6。方波经过积分器，变为三角波。在t时刻，运放的正输入高于负输入，运放输出高电平(正峰值Uz)。运放的正输入端电压为UdR2ARdR2)。高电平经过电阻R3向Cl充电，电容电压逐渐升高，当电容电压也就是运放负输入端的电压高于正输入端电压时，运放输出翻转，输出低电平(负峰值-Uz)，运放的正输入端电压为-UdR2ARdR2),运放负输入端电压依然高于正输入端电压。电容Cl经过R3向运放输出端放电，电容Cl电压下降，当电容电压低于运放正输入端电压时，运放输出再次翻转，如此周而复始，产生振荡，输出方波。方波的频率取决于电阻R3和电容Cl的乘积。
[0029]积分器输出三角波的原理。右边电路是积分电路。运放的正输入端电压为零，根据虚地原理，运放的负输入端电压也为零。方波电压施加在电阻R5上，方波为高电平时，R5电流为恒定电流(Uz/R5)，该电流向电容C2充电，由于充电电流是恒定电流，因此，电容C2两端的电压匀速上升。半个方波周期后，输入变为低电平，电容C2通过R5放电，放电电流恒定为(Uz/R5)，由于放电电流是恒定电流，因此，电容C2两端的电压匀速下降。而电容C2两端的电压正好等于第二个运放的输出电压，周而复始，就形成了三角波输出。
[0030]所述逆变电路9为V1-V6六个MOSFET管构成的三相逆变桥电路，每个MOSFET管的两端均并接有RCD缓冲电路7。
[0031]所述输出滤波电路10为LC滤波电路。
[0032]所述控制单元包括人机交互单元，人机交互单元与DSP控制器双向通信连接，所述辅助供电电路的输出端连接人机交互单元。
[0033]如图4所示，调制波由DSP控制器发出，载波由三角波产生电路发出。两者通过比较器产生PffM输出波形给驱动电路，然后进一步驱动逆变电路9，使逆变桥更可靠，稳定运行。
[0034]本实施方式的数字变压变频电源控制策略采用模数综合控制策略，综合控制结合模拟电路和数字电路各自的特点，发挥模拟电路和数字电路各自优越性，使得发出标准的正弦波信号。
[0035]脉宽调制(PWM)基本原理:控制方式就是对逆变电路开关器件的通断时间进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交一直一交变频器中，PffM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。
【主权项】
1.一种基于模数控制的电机用变频电源，包括主电路单元、控制单元和辅助供电电路，其特征在于:所述主电路单元包括有源功率因数校正器、APFC控制器、中间滤波电路、逆变电路和输出滤波电路，所述控制单元包括DSP控制器、三角波发生电路、比较器、驱动电路和隔离反馈电路，电网通过有源功率因数校正器连接中间滤波电路，中间滤波电路的输出端分别连接逆变电路和APFC控制器，中间滤波电路反馈给APFC控制器，逆变电路的输出端连接输出滤波电路，APFC控制器的输出端连接有源功率因数校正器，DSP控制器的输出端和三角波发生电路的输出端均连接比较器，比较器的输出端通过驱动电路连接逆变电路，隔离反馈电路的输入端连接输出滤波电路的输出端，隔离反馈电路的输出端连接DSP控制器，辅助供电电路的输出端分别连接APFC控制器、DSP控制器和隔离反馈电路。2.根据权利要求1所述一种基于模数控制的电机用变频电源，其特征在于:所述中间滤波电路包括依次连接的整流桥、滤波电路、均压电路和检测电路，所述滤波电路并接在整流桥两端，均压电路并接在滤波电路的两端，检测电路并接在滤波电路的两端。3.根据权利要求2所述一种基于模数控制的电机用变频电源，其特征在于:所述整流桥为六个二极管构成的三相不可控整流桥。4.根据权利要求2所述一种基于模数控制的电机用变频电源，其特征在于:所述滤波电路包括串联的第一滤波电容和第二滤波电容，所述均压电路包括串联的第一均压电阻和第二均压电阻。5.根据权利要求2所述一种基于模数控制的电机用变频电源，其特征在于:所述检测电路包括串联的检测电阻和检测灯。6.根据权利要求2所述一种基于模数控制的电机用变频电源，其特征在于:所述中间滤波电路包括节能电路，节能电路包括限流电阻和触点开关，限流电阻串联在整流桥的正极输出端，触点开关并接在限流电阻的两端。7.根据权利要求1所述一种基于模数控制的电机用变频电源，其特征在于:所述三角波发生电路包括依次连接的方波发生电路和积分电路。8.根据权利要求1所述一种基于模数控制的电机用变频电源，其特征在于:所述逆变电路为六个MOSFET管构成的三相逆变桥电路，每个MOSFET管的两端均并接有RCD缓冲电路。9.根据权利要求1所述一种基于模数控制的电机用变频电源，其特征在于:所述输出滤波电路为LC滤波电路。10.根据权利要求1所述一种基于模数控制的电机用变频电源，其特征在于:所述控制单元包括人机交互单元，人机交互单元与DSP控制器双向通信连接，所述辅助供电电路的输出端连接人机交互单元。
【文档编号】H02M5/458GK205666758SQ201620416525
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】吕德刚, 贾雯博, 张明星
【申请人】哈尔滨理工大学