專利名稱：感應電機四象限變頻調速裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種感應電機四象限變頻調速裝置，屬于感應電機變頻調速技術領域。
背景技術：
感應電機變頻調速技術經過多年發展，已經成功應用于各個工業領域和日常生活 當中，在實現顯著的節能效果的同時，也解決了對速度控制精度有嚴格要求的相關領域的 電機控制問題。但是傳統的變頻器輸入端采用基于二極管與大的濾波電容相結合的不控 整流的電路結構，由于二極管的電流只能單向流動的物理特性，造成系統存在以下問題 一、輸入電流畸變嚴重，對電網引入很大的低次諧波污染，造成電網質量惡化；二、能量只能 單向流動，在帶動位能性負載的場合，會產生電壓泵升。目前的解決辦法一個是在直流濾 波環節并聯泄放電路，將再生能量消耗掉，這種方法造成資源的極大浪費，另外，泄放電阻 產生的熱量為設備帶來安全隱患；另一種辦法是外加能量回饋單元，雖然能夠將再生能量 回饋到電網，但是電動狀態的輸入電流波形畸變問題仍然沒有得到解決，另外，這種組合式 的結構造成系統復雜，維修和安裝困難。而采用全控型功率器件代替輸入端的不控整流二 極管的雙P麗拓撲結構，結合P麗整流技術，對輸入電流進行實時控制，具有輸入電流為正 弦波形，系統以單位功率因數運行，能量自動雙向流動等優點，已成為當前變頻驅動控制領 域的研究熱點。申請號為ZL200420031453. 2的中國專利公開了一種四象限中壓變頻調速 裝置，實現了中壓領域的電機系統四象限運行；申請號為200580024917.4的中國專利公 開了一種具有電源側四象限變流器的牽引變流器，其輸入端為單相形式，無法用于三相交 流電源情況，同時需要額外增加可關斷的電力二極管，系統復雜程度顯著增加；申請號為 200810120160. 4的中國專利公開了一種直流電壓可控型四象限變頻器及其方法，實現了電 機在電動和發電運行時均獲得優良的控制特性，但是由于控制單元采用單一CPU結構，不 易于采用高性能控制方法，另外，接口單一，沒有總線控制接口 ，不具備現場組網控制功能， 現場適應能力較差。
發明內容
本發明的目的是提供一種感應電機四象限變頻調速裝置，它解決了現有感應電機 四象限控制技術中采用單一的CPU進行控制使控制方法及控制手段受限的問題。
本發明包括濾波器、P麗整流模塊、濾波電容、P麗逆變模塊、交流電流檢測電路、 直流電壓檢測電路、電機電流檢測電路和隔離驅動電路，濾波器的交流電源輸出端連接P麗 整流模塊的交流電源輸入端和交流電流檢測電路的交流電源輸入端，P麗整流模塊的直流 電源輸出端連接濾波電容的直流電源輸入端，濾波電容的直流電源輸出端連接P麗逆變模 塊的直流電源輸入端和直流電壓檢測電路的直流電源輸入端，P麗逆變模塊的交流電源輸 出端連接電機電流檢測電路的交流電源輸入端；隔離驅動電路的整流驅動信號輸出端連接 P麗整流模塊的整流控制信號輸入端，隔離驅動電路的逆變驅動信號輸出端連接P麗逆變
3模塊的逆變控制信號輸入端，它還包括控制單元和速度傳感器，控制單元由整流控制CPU、 逆變控制CPU、接口控制CPU和鍵盤與顯示模塊組成，鍵盤與顯示模塊的數據輸入輸出端 連接接口控制CPU的數據輸出輸入端，接口控制CPU的整流控制輸入輸出端連接整流控制 CPU的控制信號輸出輸入端，接口控制CPU的逆變控制輸入輸出端連接逆變控制CPU的控制 信號輸出輸入端，整流控制CPU的驅動信號輸出端連接隔離驅動電路的整流驅動信號輸入 端，整流控制CPU的交流電流信號輸入端連接交流電流檢測電路的交流電流信號輸出端，
整流控制CPU的直流電壓信號輸入端連接直流電壓檢測電路的第一直流電壓信號輸出端；
逆變控制CPU的直流電壓信號輸入端連接直流電壓檢測電路的第二直流電壓信號輸出端， 逆變控制CPU的驅動信號輸出端連接隔離驅動電路的逆變驅動信號輸入端，逆變控制CPU 的電流信號輸入端連接電機電流檢測電路的電流信號輸出端，逆變控制CPU的轉速信號輸
入端連接速度傳感器的轉速信號輸出端。 本發明的優點是本發明的控制單元采用三個CPU對整個系統進行協調控制，在
實現對電機控制的同時，能夠對輸入電流進行實時控制，使輸入電流為正弦波形，對電網的
諧波污染小；在獲得電機四象限運行特性的同時，擴展了現有電機四象限變頻調速裝置的 功能，可以更加方便地引入更高性能的電機控制算法，進而對電機的整體控制性能大幅提升。
圖l是本發明的整體結構示意圖；圖2是實施方式一中雙P麗結構的電路原理圖； 圖3是實施方式二中總線協議轉換器的流程圖；圖4是實施方式五中P麗整流模塊的控制 原理框圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一 下面結合圖1-圖2說明本實施方式，本實施方式包括濾波器1、 P麗整流模塊2、濾波電容3、P麗逆變模塊4、交流電流檢測電路5、直流電壓檢測電路6、電 機電流檢測電路7和隔離驅動電路8，濾波器1的交流電源輸出端連接P麗整流模塊2的交 流電源輸入端和交流電流檢測電路5的交流電源輸入端，P麗整流模塊2的直流電源輸出端 連接濾波電容3的直流電源輸入端，濾波電容3的直流電源輸出端連接P麗逆變模塊4的 直流電源輸入端和直流電壓檢測電路6的直流電源輸入端，P麗逆變模塊4的交流電源輸出 端連接電機電流檢測電路7的交流電源輸入端；隔離驅動電路8的整流驅動信號輸出端連 接P麗整流模塊2的整流控制信號輸入端，隔離驅動電路8的逆變驅動信號輸出端連接P麗 逆變模塊4的逆變控制信號輸入端，它還包括控制單元9和速度傳感器10，控制單元9由整 流控制CPU9-1、逆變控制CPU9-2、接口控制CPU9-3和鍵盤與顯示模塊9_4組成，鍵盤與顯 示模塊9-4的數據輸入輸出端連接接口控制CPU9-3的數據輸出輸入端，接口控制CPU9-3 的整流控制輸入輸出端連接整流控制CPU9-1的控制信號輸出輸入端，接口控制CPU9-3的 逆變控制輸入輸出端連接逆變控制CPU9-2的控制信號輸出輸入端，整流控制CPU9-1的驅 動信號輸出端連接隔離驅動電路8的整流驅動信號輸入端，整流控制CPU9-1的交流電流信 號輸入端連接交流電流檢測電路5的交流電流信號輸出端，整流控制CPU9-1的直流電壓信 號輸入端連接直流電壓檢測電路6的第一直流電壓信號輸出端；逆變控制CPU9-2的直流電壓信號輸入端連接直流電壓檢測電路6的第二直流電壓信號輸出端，逆變控制CPU9-2的驅 動信號輸出端連接隔離驅動電路8的逆變驅動信號輸入端，逆變控制CPU9-2的電流信號輸 入端連接電機電流檢測電路7的電流信號輸出端，逆變控制CPU9-2的轉速信號輸入端連接 速度傳感器10的轉速信號輸出端。 本實施方式中將濾波器1的交流電源輸入端連接入交流電網，P麗逆變模塊4的交 流電源輸出端與感應電機的電源輸入端連接，濾波器1、 P麗整流模塊2、濾波電容3和P麗 逆變模塊4共同組成了雙P麗型主電路的拓撲結構；濾波器l既可以是電感，也可以是電 感_電容，也可以是電感-電容-電感結構，本實施方式中采用電感-電容-電感結構，如 圖2所示。P麗整流模塊2和P麗逆變模塊4放置在相同的散熱器上，兩個P麗模塊均采用 全控型功率器件，每個模塊可以是集成在一起的IPM模塊，也可以是六個分離的功率器件， 圖2中所示為采用了 IPM模塊。交流電流檢測電路5檢測到的輸入電流，轉化為小電量信 號以后傳遞給整流控制CPU9-1 ;直流電壓檢測電路6和電機電流檢測電路7分別檢測直流 電壓和電機電流后傳遞給整流控制CPU9-1和逆變控制CPU9-2 ;隔離驅動電路8接收整流 控制CPU9-1和逆變控制CPU9-2發出的控制指令后，來驅動P麗整流模塊2和P麗逆變模 塊4，并在整體上由控制單元9進行協調控制。 控制單元9采用三CPU結構，整流控制CPU9-1、接口控制CPU9-3、交流電流檢測電 路5和直流電壓檢測電路6共同配合對P麗整流模塊2進行控制，包括輸入端瞬時有功、無 功功率控制以及輸入端電網電流的正弦化控制和直流電壓的穩定控制；逆變控制CPU9-2、 接口控制CPU9-3、直流電壓檢測電路6、速度傳感器10和電機電流檢測電路7共同配合實 現了對輸出端感應電機的轉速、電流的雙閉環控制。整流控制CPU9-1和逆變控制CPU9-2 共同與隔離驅動電路8相連，隔離驅動電路8可將接收到的P麗信號轉化為可驅動功率器 件的隔離的P麗信號。接口控制CPU9-3除用于系統狀態的顯示與輸出，還負責接收外部接 口的控制信號，接口控制CPU9-3與整流控制CPU9-1采用串行或并行通訊進行數據傳送，接 口控制CPU9-3與外部接口采用串行通訊協議進行數據傳送；鍵盤與顯示模塊9-4包括顯示 和鍵盤兩部分，其中顯示部分可以是數碼管顯示，也可以是液晶顯示，用于進行各種參數設 置與查看、狀態顯示以及輸入系統控制指令。
具體實施方式
二 下面結合圖3說明本實施方式，本實施方式與實施方式一的不 同之處在于它還包括總線協議轉換器ll，所述總線協議轉換器ll由協議轉換CPU11-1、數 據選擇單元11-2、 PR0FIBUS硬件接口電路11-3、 M0DBUS硬件接口電路11-4和CAN0PEN硬 件接口電路11-5組成，協議轉換CPU11-1的通訊協議輸入輸出端連接所述接口控制CPU9-3 的通訊協議輸出輸入端，協議轉換CPU11-1的通訊協議輸出輸入端連接數據選擇單元11-2 的總線數據輸入輸出端，數據選擇單元11-2的PROFIBUS數據輸入輸出端連接PROFIBUS硬 件接口電路11-3的數據輸出輸入端，數據選擇單元11-2的MODBUS數據輸入輸出端連接 M0DBUS硬件接口電路11-4的數據輸出輸入端，數據選擇單元11-2的CAN0PEN數據輸入輸 出端連接CAN0PEN硬件接口電路11-5的數據輸出輸入端。其它組成及連接關系與實施方 式一相同。 本實施方式中協議轉換CPU11-1與所述的接口控制CPU9-3采用串行通訊協議進 行數據傳送，協議轉換CPU11-1負責將接收到的各種總線協議轉換為內部的一種通訊協 議，并根據整流控制CPU9-1下傳的總線類型參數控制數據選擇單元11-2選通PR0FIBUS、
5M0DBUS和CANOPEN中的一種總線。它采用統一多總線兼容的通訊結構，能夠通過遠程控制 室對感應電機的運行進行實時監測與控制。總線協議轉換器11的工作流程如圖3所示，
工作過程及原理 步驟一 控制單元9中的接口控制CPU9-3根據接收到的控制指令判斷指令的來 源，若為鍵盤與顯示模塊9-4發出的控制指令，則執行步驟三；若為總線協議轉換器11發出 的控制指令，執行步驟二； 步驟二 由接口控制CPU9-3對協議轉換CPU11-1進行參數預設置，接口控制 CPU9-3再將整流控制CPU9-1發出的總線類型參數傳遞給協議轉換CPU11-1，協議轉換 CPU11-1控制數據選擇單元11-2選通一種總線類型并將總線協議轉換為通用協議，然后與 接口控制CPU9-3進行通訊； 步驟三接口控制CPU9-3根據接收到的電機轉速預設值、電機旋轉方向以及電機 啟停信號對逆變控制CPU9-2進行控制，電機啟動后，由逆變控制CPU9-2將速度傳感器10 反饋回的轉速值與電機轉速預設值比較后作為電機轉矩的給定，再由整流控制CPU9-1通 過交流電流檢測電路5采集的電機三相電流值計算電機的實際轉矩作為反饋量與所述電 機轉矩的給定值比較，比較結果作為P麗逆變模塊4輸出電壓的給定值，所述輸出電壓的給 定值再經過脈寬調制算法計算后獲得P麗逆變模塊4中各個開關管的開關信號，再通過P麗 逆變模塊4驅動電機進行旋轉；當接口控制CPU9-3接收到停止指令后，給隔離驅動電路8 發送控制指令，使P麗逆變模塊4輸出的電壓為零，即P麗逆變模塊4不輸出電壓，感應電 機停止運行。 在執行步驟一至步驟三的過程中，整流控制CPU9-1通過直流電壓檢測電路6采集 的直流電壓作為反饋量，與直流電壓給定值進行比較，比較結果作為輸入有功功率的給定， 為使裝置以近似單位功率因數運行，將無功功率給定為零。整流控制CPU9-1經過交流電 流檢測電路5采集交流電流，再由采集到的交流電流與P麗整流模塊2輸出的電壓間接計 算實際輸入的有功和無功功率，再分別與有功功率和無功功率的給定進行比較，比較結果 作為P麗整流模塊2的新的輸出電壓給定值，再經過脈寬調制算法產生P麗整流模塊2中 各個開關管的開關信號對P麗整流模塊2的輸出電壓進行控制。整流控制CPU9-1對直流 電壓和輸入側瞬時功率進行實時控制，電機處于電動狀態，輸入電流與電網電壓同相位，保 證系統以單位功率因數運行；發電狀態時，瞬時有功功率為負值，電流與電網電壓相差180 度，以實現能量的回饋控制。在整個運行過程中，直流電壓保持恒定，也為電機的平穩運行 提供了保證。 本實施方式采用了與多總線協議相兼容的控制方式，使應用場合的適應性強；感 應電機以發電狀態運行時，輸入電網的電流諧波含量低，大大減小了對電網的諧波污染；系 統以近似單位功率因數運行，不從電網索取無功，運行效率高；電網與感應電機之間能量自 由雙向流動，能夠獲得顯著的節能效果；本發明采用一體化設計方案，集成度高，體積小，控 制方便靈活，易于實現網絡化控制。可應用于油田，起重機，電梯等帶動位能性負載的領域， 對現場適應能力強，具有廣泛的應用前景和較大的推廣價值。
具體實施方式
三本實施方式與實施方式一或二的不同之處在于所述整流控制 CPU9-1采用TI公司的TMS320F28XX系列芯片。其它組成及連接關系與實施方式一或二相 同。
本實施方式中為引入高性能控制算法，整流控制CPU9-1采用TI公司的 TMS320F28XX系列芯片。
具體實施方式
四本實施方式與實施方式三的不同之處在于所述逆變控制 CPU9-2采用TI公司的TMS320F28XX系列芯片。其它組成及連接關系與實施方式三相同。
本實施方式中逆變控制CPU9-2采用的芯片同樣為引入高性能控制算法。
具體實施方式
五下面結合圖4說明本實施方式，本實施方式與實施方式一、二或 四的不同之處在于所述接口控制CPU9-3采用Microchip公司的DSPIC系列單片機。其它 組成及連接關系與實施方式一、二或四相同。 協議轉換CPU11-1將三種總線協議轉換為內部的一種通訊協議，傳送給接口控制 CPU9-3，這樣無論哪種總線對于接口控制CPU9-3來說都是相同的通訊協議，大大降低了接 口控制CPU9-3的信息處理量。在總線異常時，接口控制CPU9-3能夠發出總線故障報警信 號。 采用直流電壓外環、瞬時功率內環的雙閉環控制算法結構對P麗整流模塊2進行 控制，原理結構圖如圖4所示。功率內環采用基于帶有積分飽和限幅反饋環節的虛擬磁鏈 的定頻式直接功率控制策略。其基本原理是，利用交流電流檢測電路5采集的網側電流以 及直流電壓檢測電路6檢測到的P麗逆變模塊4輸出的電壓信號，計算兩相靜止坐標系下 電網電壓的積分(定義為虛擬磁鏈)，并用于計算瞬時有功功率P和無功功率q，這樣實現 無需檢測電網電壓即可獲得瞬時功率，它可以解決積分初始值選取的問題；直流電壓外環 采用比例積分(PI)調節方式，其輸出與采集到的直流電壓相乘后作為有功功率的給定，為 實現單位功率因數運行，無功功率給定為零。有功功率、無功功率給定與功率計算模塊的輸 出進行閉環調節，其輸出經過坐標變換后作為兩相靜止坐標系下的逆變電壓給定，再經過 電壓空間矢量調制模塊獲得各個功率開關管的開關信號。無需檢測交流側電網電壓，通過 對系統的有功、無功功率進行直接控制，即可實現系統的單位功率運行，同時具有算法相對 簡單，動態響應快等優點。 在控制單元9中設置相應的感應電機控制算法實現電機的速度調節控制和電機 的轉矩控制，電機控制算法可以是速度開環控制(如變壓變頻控制)，也可以是速度閉環控 制。若為速度閉環控制算法，采用雙閉環控制結構，外環為轉速環，內環為電機轉矩閉環控 制算法，可以是磁場定向矢量控制，直接轉矩等算法。
權利要求
一種感應電機四象限變頻調速裝置，它包括濾波器(1)、PWM整流模塊(2)、濾波電容(3)、PWM逆變模塊(4)、交流電流檢測電路(5)、直流電壓檢測電路(6)、電機電流檢測電路(7)和隔離驅動電路(8)，濾波器(1)的交流電源輸出端連接PWM整流模塊(2)的交流電源輸入端和交流電流檢測電路(5)的交流電源輸入端，PWM整流模塊(2)的直流電源輸出端連接濾波電容(3)的直流電源輸入端，濾波電容(3)的直流電源輸出端連接PWM逆變模塊(4)的直流電源輸入端和直流電壓檢測電路(6)的直流電源輸入端，PWM逆變模塊(4)的交流電源輸出端連接電機電流檢測電路(7)的交流電源輸入端；隔離驅動電路(8)的整流驅動信號輸出端連接PWM整流模塊(2)的整流控制信號輸入端，隔離驅動電路(8)的逆變驅動信號輸出端連接PWM逆變模塊(4)的逆變控制信號輸入端，其特征在于它還包括控制單元(9)和速度傳感器(10)，控制單元(9)由整流控制CPU(9-1)、逆變控制CPU(9-2)、接口控制CPU(9-3)和鍵盤與顯示模塊(9-4)組成，鍵盤與顯示模塊(9-4)的數據輸入輸出端連接接口控制CPU(9-3)的數據輸出輸入端，接口控制CPU(9-3)的整流控制輸入輸出端連接整流控制CPU(9-1)的控制信號輸出輸入端，接口控制CPU(9-3)的逆變控制輸入輸出端連接逆變控制CPU(9-2)的控制信號輸出輸入端，整流控制CPU(9-1)的驅動信號輸出端連接隔離驅動電路(8)的整流驅動信號輸入端，整流控制CPU(9-1)的交流電流信號輸入端連接交流電流檢測電路(5)的交流電流信號輸出端，整流控制CPU(9-1)的直流電壓信號輸入端連接直流電壓檢測電路(6)的第一直流電壓信號輸出端；逆變控制CPU(9-2)的直流電壓信號輸入端連接直流電壓檢測電路(6)的第二直流電壓信號輸出端，逆變控制CPU(9-2)的驅動信號輸出端連接隔離驅動電路(8)的逆變驅動信號輸入端，逆變控制CPU(9-2)的電流信號輸入端連接電機電流檢測電路(7)的電流信號輸出端，逆變控制CPU(9-2)的轉速信號輸入端連接速度傳感器(10)的轉速信號輸出端。
2. 根據權利要求l所述的感應電機四象限變頻調速裝置，其特征在于它還包括總線 協議轉換器(11)，所述總線協議轉換器(11)由協議轉換CPU(11-1)、數據選擇單元(11-2)、 PR0FIBUS硬件接口電路(11-3) 、 M0DBUS硬件接口電路(11-4)和CAN0PEN硬件接口電路 (11-5)組成，協議轉換CPU(11-1)的通訊協議輸入輸出端連接所述接口控制CPU(9-3)的通 訊協議輸出輸入端，協議轉換CPU(11-1)的通訊協議輸出輸入端連接數據選擇單元(11-2) 的總線數據輸入輸出端，數據選擇單元(11-2)的PROFIBUS數據輸入輸出端連接PROFIBUS 硬件接口電路(11-3)的數據輸出輸入端，數據選擇單元(11-2)的MODBUS數據輸入輸出端 連接MODBUS硬件接口電路(11-4)的數據輸出輸入端，數據選擇單元(11-2)的CANOPEN數 據輸入輸出端連接CANOPEN硬件接口電路(11-5)的數據輸出輸入端。
3. 根據權利要求1或2所述的感應電機四象限變頻調速裝置，其特征在于所述整流 控制CPU (9-1)采用TI公司的TMS320F28XX系列芯片。
4. 根據權利要求3所述的感應電機四象限變頻調速裝置，其特征在于所述逆變控制 CPU (9-2)采用TI公司的TMS320F28XX系列芯片。
5. 根據權利要求1、2或4所述的感應電機四象限變頻調速裝置，其特征在于所述接 口控制CPU(9-3)采用Microchip公司的DSPIC系列單片機。
全文摘要
感應電機四象限變頻調速裝置，屬于感應電機變頻調速技術領域。它解決了現有感應電機控制技術中采用單一的CPU進行控制使控制方法及控制手段受限的問題。它包括濾波器、PWM整流模塊、濾波電容、PWM逆變模塊、交流電流檢測電路、直流電壓檢測電路、電機電流檢測電路、隔離驅動電路、控制單元和速度傳感器，控制單元采用三CPU結構，整流控制CPU、接口控制CPU、交流電流檢測電路和直流電壓檢測電路共同配合對PWM整流模塊進行控制，逆變控制CPU、接口控制CPU、速度傳感器和電機電流檢測電路共同配合實現了對輸出端感應電機的轉速、電流的雙閉環控制。本發明用于帶動位能性負載的感應電機的調速控制。
文檔編號H02P27/06GK101702616SQ20091031110
公開日2010年5月5日 申請日期2009年12月9日 優先權日2009年12月9日
發明者吳鳳江, 孫光亞, 孫力, 孫立志, 王有琨, 趙克, 連政忠 申請人:哈爾濱工業大學