斬控式異步電動機調速節能器的制造方法
【專利摘要】一種斬控式異步電動機調速節能器，主要特點是設置DSP數字信號處理器、電壓處理電路、電流處理電路、電壓過零檢測電路、電流過零檢測電路；電壓過零檢測電路檢測交流接觸器輸出的電壓并將信號輸入DSP數字信號處理器，霍爾傳感器組將采集到的電壓、電流信號分別輸入電壓處理電路和電流處理電路，然后由DSP數字信號處理器的ADC端口負責采集，電流過零檢測電路將斬波電路為電動機提供的電流過零點的信號輸入DSP數字信號處理器；DSP數字信號處理器根據電壓、電流的數值以及電壓過零時刻和電流過零時刻決定IGBT的驅動信號，并經驅動電路后對IGBT進行驅動，本實用新型具有電路拓撲簡單、網側功率因數高、輸出諧波頻率高易濾除等優點。
【專利說明】斬控式異步電動機調速節能器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種斬控式異步電動機調速節能系統，適用于任何需要降壓調速的交流感應電機，能提高負載經常變化及時常輕載狀態的電機性能，適用范圍包括沖壓機、碎石機、油田抽油機、空氣壓縮機、液壓機、壓鑄機、扶手電梯、攪拌機、自動生產線、輸送帶、注塑機、磨床、車床、研磨機、成型機、制衣、制鞋廠三相電動縫紉機及裁斷設備、五金廠螺絲機、打磨機等設備，屬于異步電動機調速【技術領域】。
【背景技術】
[0002]經檢索，目前的電機節能控制方式主要三種:1)通斷控制。通斷控制是在交流電壓過零時刻導通或關斷晶閘管，使負載電路與交流電源接通若干個周波，然后再斷開若干個周波，通過改變導通周波數與關斷周波數的比值，實現調節交流電壓大小的目的。2)相位控制。相位控制與可控整流的移相觸發控制相似，在交流電正半周時觸發導通正向晶閘管，負半周時觸發導通反向晶閘管，且保持兩個晶閘管的移向角相同，以保證向負載輸出正負半周對稱的交流電壓。3)斬波控制。斬波控制是指在電力運用中，出于某種需要，運用開關器件將交流電正弦波的一部分”斬掉”，從而達到改變和調整電壓有效值的方法，它利用脈寬調制技術將交流電壓波形分割成脈沖列，改變脈沖的占空比即可調節輸出電壓大小。
[0003]現有的斬波調壓電路一般都是通過功率開關管，如MOSFET、IGBT等進行控制，通過控制開關管導通和關斷的時間比進行電壓的調節，并在其后通過電阻電容進行濾波或者續流，現有常見的單相斬波調壓電路主要有以下三種:
[0004]一是單器件型，電路中全控型的開關只有一個，輔助四個快速二極管組成，由于使用了較少的可控器件，所以該電路結構簡單，是一種經濟型的調壓電路。但是由于只有一個開關器件，正負方向電流都要流經同一個開關，若是感性負載則不能起到續流的作用，使得開關管承受負向電壓，因此這種電路只適用于系統性能要求不高的調壓器中。
[0005]二是單管反串聯雙向電子幵關電路，它是由兩個反串聯開關器件和二極管組成雙相斬波開關，兩個反串聯開關器件和二極管組成了雙相續流開關，在電壓的輸入端和輸出端都設置相應的濾波器。這種電路拓撲圖的特點是正反向開關的工作狀態都是可以控制的，輸出端加入較小的濾波環節就能很好的將電路中的諧波濾除。該拓撲電路一般采用非互補的控制方式，在控制的過程當中，開關的模式由輸入電壓和輸出電流共同決定，這樣就可以有效的避免開關過程中的共態運行。
[0006]三是一種根據輸入電源確定導通方式的電路，當輸入電壓為正時，串聯在正向回路中的兩個開關器件一直導通，而并接在反向回路中的兩個開關器件則根據一定占空比控制導通，在負半周期時導通模式相反，該電路的優勢在于電路一直是導通的，但這樣會縮短器件壽命。
[0007]上述電機節能控制的主要方式存在以下缺點:1)通斷控制實現較為簡單，輸出電壓波形基本為正弦，無低次諧波，但由于輸出電壓時有時無，電壓調節不連續，會分解出分數次諧波，如果用于異步電動機調速，會因電動機經常處于重新啟動狀態而出現大電流沖擊，因此很少采用，一般用于電爐調溫等交流功率調節場合。2、相位控制方法簡單，能連續調節輸出電壓大小，但輸出電壓波形非正弦，還有豐富的低次諧波，在異步電動機調壓調速過程中會引起附加諧波損耗，產生脈動轉矩等。3)斬波控制輸出電壓大小可連續調節，諧波含量小，基本上克服了相位及通斷控制的缺點。由于實現斬波控制的調壓電路半周內需要實現較高頻率的通斷，因此不能采用晶閘管，而采用高頻自關斷器件，如GTR、GTO, MOSFET,IGBT 等。
[0008]目前，國內采用的調壓器一般是傳統的交流變換器加升壓變壓器的調壓方式，而這種傳統的變壓器類調壓方式由于設備體積大，運行費用高正逐漸被電力電子調壓器所取代。在電動機節能方面，電力電子類調壓方式應用較多的為相控式，由于相控式調壓在電路運行的過程當中會產生大量的諧波，需要加入很大的濾波環節，并且相控式調壓的功率因數也不高，這就違背了現代電力電子器件小型化輕量化的發展趨勢。
【發明內容】
[0009]本實用新型的目的是提供一種斬控式異步電動機調速節能器，解決現有電動機調速節能系統的控制過程中電壓、電流的測量和處理，斬波電路的驅動等問題，并需要對控制電路進行優化，達到智能節電的目的。
[0010]本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的，一種斬控式異步電動機調速節能器，包括殼體和殼體上外接電源的插頭，殼體內設置的PIC單片機、串行通信電路、交流接觸器、斬波電路及其驅動電路，為各電路提供工作電源的直流電源電路，其特征是，所述的殼體內還設置DSP數字信號處理器、電壓處理電路、電流處理電路、電壓過零檢測電路、電流過零檢測電路；電壓過零檢測電路檢測交流接觸器輸出的電壓并將信號輸入DSP數字信號處理器，霍爾傳感器組將采集到的電壓、電流信號分別輸入電壓處理電路和電流處理電路，然后由DSP數字信號處理器的ADC端口負責采集；電流過零檢測電路將斬波電路為電動機提供的電流過零點的信號輸入DSP數字信號處理器；DSP數字信號處理器根據電壓、電流的數值以及電壓過零時刻和電流過零時刻決定IGBT的驅動信號，并經驅動電路后對IGBT進行驅動，PIC單片機負責參數的設置、顯示和溫度的測量，其部分數據來自于DSP數字信號處理器，通過串行通信電路進行傳輸。
[0011]所述斬波電路由兩個反串聯開關器件Ql、Q2和兩個二極管D5、D6組成雙相斬波開關，兩個反串聯開關器件Q3、Q4和兩個二極管D7、D8組成雙相續流開關，在電壓的輸入端和輸出端都設置相應的濾波器。
[0012]所述驅動電路中芯片74LS06U13、6N137U14、LXD430U15的VCC腳接+5V電源，芯片IXDD430U16的VDD腳接+15V電源，各芯片的GND腳均接地，74LS06U13的IY腳接6N137U14的Anode腳，電阻R29為上拉電阻，電容C9為濾波電容；6N137U14的EN端接+5V電源，信號輸出腳Out接LXD430U15的B腳，電阻R30為上拉電阻；芯片LXD430U15的A腳經二極管D4后接IGBT的C端，J腳經R32接芯片IXDD430U16的IN腳，電容Cll為濾波電容，芯片IXDD430U16的EN腳接+15V電源，OUT腳經電阻R34接IGBT的G端。
[0013]所述的DSP數字信號處理器采用TMS320F2812。
[0014]所述的PIC單片機采用16F877A。
[0015]所述電壓處理電路由電壓互感器U2，運算放大器U4B、U5B，穩壓管Dl以及電阻、電容組成；電壓經電壓互感器U2轉換后，先通過一個由電阻R2、電容Cl組成的低通濾波器，然后經過一個運算放大器U4B起到電氣隔離的作用，最后經過運算放大器U5B放大和處理之后輸入DSP數字信號處理器的ADO端口。
[0016]所述電流處理電路由電流互感器U15，運算放大器U12、U13、U14，二極管D9、D10,穩壓管D15、D16以及電阻、電容組成；當電流由電流互感器U15的I腳流向6腳時，運算放大器U12反相端電壓為正，該電壓通過由運算放大器U12和運算放大器U13組成的電路兩次反向后仍為正電壓，經電阻R39和電容C29濾波后輸出至DSP數字信號處理器的A/D采樣口 ADl完成對正電流的檢測，運算放大器U12反相端的正電壓經反向后變為負電壓，二極管D2截止，從而使輸出電壓基本為零；當電流由電流互感器U15的I腳流向6腳時，運算放大器U12反相端電壓為負電壓，經過運算放大器U12和運算放大器U14處理后變為正電壓，并經過電阻R40和電容C30濾波后輸出至DSP數字信號處理器的A/D采樣口 AD2，從而完成了對負電流的檢測。
[0017]所述電壓過零檢測電路由電壓互感器U3，運算放大器U6B，以及電阻、電容組成；交流電經電阻Rll限流后輸入電壓互感器U3的初級線圈，輸出電壓經電阻R16后輸入運算放大器U6B的同相端，和反向端的接地電壓進行比較，在交流電每次過零時，運算放大器U6B的輸出會相應變化；當交流電由小于零變為大于零時，運算放大器U6B的輸出由低電平變為高電平；當交流電由大于零變為小于零時，運算放大器U6B的輸出由高電平變為低電平，這樣，運算放大器U6B輸出的電壓信號到DSP數字信號處理器的CAP端口，DSP數字信號處理器檢測該信號就可以判斷交流電的過零時刻。
[0018]所述電流過零檢測電路由電流互感器U17，運算放大器U6A、運算放大器U7A以及電阻、電容組成；電流互感器U17輸出的電流信號經電阻R12轉換成電壓信號，經電阻R13輸入運算放大器U6A的反向端，放大后經電阻R18和電容C4組成的濾波電路后輸入運算放大器U7A的同相端，和反向端的接地信號進行比較，同相端電壓大于反相端，則輸出高電平，否則則輸出低電平，達到判斷電流過零點的目的。
[0019]所述直流電源電路采用三端穩壓芯片和電源芯片為電路提供± 15V、5V和3.3V電壓。
[0020]本實用新型采用斬控式調壓技術，具有電路拓撲簡單、網側功率因數高、輸出諧波頻率高易濾除、動態性能好等優點，可智能匹配各種電機，適用面廣，方便安全，現有的通斷控制和相位控制缺點較多，而本發明采用的斬波控制方式輸出電壓大小可連續調節，諧波含量小，基本上克服了相位及通斷控制的缺點；電路中實時測量電壓和電流值以及電壓過零時刻和電流過零時刻，根據負載情況及時調整電壓，達到智能節電的目的；采用DSP和單片機配合進行控制，控制速度快，精度高，并可以通過按鍵和液晶配合設置相關參數，人機交互效果較好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型電路框圖；
[0022]圖2為本實用新型中斬波電路原理圖；
[0023]圖3為本實用新型中驅動電路原理圖；
[0024]圖4為本實用新型中電壓測量電路原理圖；[0025]圖5為本實用新型中電流測量電路原理圖；
[0026]圖6為本實用新型中電壓過零檢測電路原理圖；
[0027]圖7為本實用新型中電流過零檢測電路原理圖；
[0028]圖8為本實用新型中串行通訊電路原理圖；
[0029]圖9為本實用新型中直流電源電路原理圖。
【具體實施方式】
[0030]結合附圖和實施例進一步說明本實用新型，除具有插孔的殼體，殼體上外接電源的插頭，如圖1所示，本發明殼體內設置斬波電路，驅動電路，電壓處理電路，電流處理電路，電壓過零檢測電路，電流過零檢測電路，單片機電路，串行通信電路和為各電路提供工作電源的直流電源電路。三相交流電經交流接觸器和斬波電路后為電動機供電，電壓過零檢測電路檢測交流接觸器輸出的電壓并將信號輸入DSP，霍爾傳感器組將采集到的電壓、電流信號分別輸入電壓處理電路和電流處理電路，然后由DSP的ADC負責采集；電流過零檢測電路將斬波電路為電動機提供的電流過零點的信號輸入DSP ；DSP根據電壓、電流的數值以及電壓過零時刻和電流過零時刻決定IGBT的驅動信號，并經驅動電路后對IGBT進行驅動。PIC單片機負責參數的設置、顯示和溫度的測量，其部分數據來自于DSP，通過串行通訊電路進行傳輸，保護電路控制交流接觸器，在有益嘗試，切斷交流接觸器停止供電。
[0031]如圖2所示，本實用新型中的斬波電路由Ql，Q2，D5，D6組成的雙相斬波開關，而Q3，Q4，D7，D8則組成了雙相的續流開關，在電壓的輸入端和輸出端都設置了相應的濾波器。這種電路拓撲圖的特點是正反向開關的工作狀態都是可以控制的，輸出端采用較小的濾波環節就能很好的將電路中的諧波濾除。在控制的過程當中，開關的模式由輸入電壓和輸出電流共同決定，這樣就可以有效的避免開關過程中的共態運行。
[0032]如圖3所示的驅動電路中，以開關器件Ql的驅動電路為例，當輸入端PWM信號為高電平的時候，B點為低電平，隨即D點也變為低電平，由于穩壓管D3的存在，IGBT的柵極和源極間被加載上一個-5V左右電壓值，使IGBT可靠的關斷；當輸入端PWM信號為低電平的時候，B點為高電平，隨即D點也變為高電平，這樣，IGBT的柵極和發射極間被加載上一個+IOV左右的電壓值，確保IGBT可靠的導通；柵極電阻R34的作用為抑制浪涌電流，以避免誤觸發。該電路還具備過流保護的能力。當電流過大的時候，極電壓(C點電壓)迅速的升高，隨即二極管D4因受到反向電壓而變為截止狀態，同時，+5V電壓經過R31向電容C14進行充電，A點的電壓快速上升，導致U15隨即輸出一個低電平，此低電平會使D點也變為低電平，從而將-5V的反相電壓加載到IGBT上，這樣可以有效的截止過高的電流。電阻R35也是用來保護IGBT的，當IGBT的柵極沒有信號，或者柵極電路還沒有任何動作的時候，如直接在主電路上加載一個幅值很高的電壓，很可能燒壞IGBT，R35可以非常好的避免這種現象的發生，在驅動電路正常工作的時候，驅動電路第一個加電，隨即對主電路進行加電，可以很好的保護IGB。
[0033]如圖4所示，電壓處理電路主要由電壓互感器似，運算放大器況8、邪8，穩壓管01以及電阻、電容組成。電壓經電壓互感器轉換后，先通過一個由R2、C1組成的低通濾波器，然后經過一個運算放大器起到電氣隔離的作用，最后經過U5B放大和處理之后輸入DSP的AD0。[0034]如圖5所示，電流處理電路由電流互感器U15，運算放大器U12、U13、U14，二極管D9、D10，穩壓管D15、D16以及電阻、電容等組成。在電流處理電路中，當電流由Iin流向1ut時，運放U12反相端電壓為正，該電壓通過由運放U12和U13組成的電路兩次反向后仍為正電壓，經電阻R39和電容C29濾波后輸出至DSP的A/D采樣口 ADI，從而完成了對正電流的檢測。運放U12反相端的正電壓經反向后變為負電壓，二極管D2截止，從而使輸出電壓基本為零。當電流由1ut流向Iin時，運放U12反相端電壓為負電壓，經過U12和U14處理后變為正電壓，并經過電阻R40和電容C30濾波后輸出至DSP的A/D采樣口 AD2，從而完成了對負電流的檢測。綜上可知，由于本節能器中的正、負電流交替出現，該采集電路可以實現對雙相電流的有效檢測和判斷:當傳感器輸出電流為正向時，電阻R35上的電壓為正值，通道ADl將采集到有效電壓值，而通道AD2的采樣值接近為零；當傳感器輸出電流為負向時，R35上的電壓為負值，通道AD2將采集到有效電壓值，而通道ADl的采樣值接近為零。
[0035]如圖6所示，電壓過零電路由電壓互感器U3，運算放大器U6B，以及電阻、電容組成。交流電經電阻Rll限流后輸入電壓互感器U3的初級線圈，輸出電壓經電阻R16后輸入運算放大器U6B的同相端，和反向端的接地電壓進行比較，在交流電每次過零時，U6B的輸出會相應變化。當交流電由小于零變為大于零時，U6B的輸出由低電平變為高電平；當交流電由大于零變為小于零時，U6B的輸出由高電平變為低電平。這樣，U6B輸出的電壓信號到DSP的CAP端口，DSP檢測該信號就可以判斷交流電的過零時刻。
[0036]如圖7所示，電流過零電路由電流互感器U17，運算放大器U6A、U7A以及電阻、電容組成。電流互感器U17輸出的電流信號經電阻R12轉換成電壓信號，經R13輸入運算放大器U6A的反向端，放大后經電阻R18和電容C4組成的濾波電路后輸入U7A的同相端，和反向端的接地信號進行比較，同相端電壓大于反相端，則輸出高電平，否則則輸出低電平，達到判斷電流過零點的目的。
[0037]如圖8所示，串行通訊電路由2個電平轉換芯片組成。由于單片機U12和U9的工作電壓不同，不能直接進行通訊，因此該電路就是在U12和U9的串行通訊口之間加入兩個電平轉換芯片，從而達到正常通訊的目的。
[0038]如圖9所示，直流電源電路采用三端穩壓芯片和專用電源芯片產生±15V、+5V和+3.3V電壓供各電路試用，保證電路正常運行。
【權利要求】
1.一種斬控式異步電動機調速節能器，包括殼體和殼體上外接電源的插頭，殼體內設置的PIC單片機、串行通信電路、交流接觸器、斬波電路及其驅動電路，為各電路提供工作電源的直流電源電路，其特征是，所述的殼體內還設置DSP數字信號處理器、電壓處理電路、電流處理電路、電壓過零檢測電路、電流過零檢測電路；電壓過零檢測電路檢測交流接觸器輸出的電壓并將信號輸入DSP數字信號處理器，霍爾傳感器組將采集到的電壓、電流信號分別輸入電壓處理電路和電流處理電路，然后由DSP數字信號處理器的ADC端口負責采集；電流過零檢測電路將斬波電路為電動機提供的電流過零點的信號輸入DSP數字信號處理器；DSP數字信號處理器根據電壓、電流的數值以及電壓過零時刻和電流過零時刻決定IGBT的驅動信號，并經驅動電路后對IGBT進行驅動，PIC單片機負責參數的設置、顯示和溫度的測量，其部分數據來自于DSP數字信號處理器，通過串行通信電路進行傳輸。
2.根據權利要求1所述的斬控式異步電動機調速節能器，其特征是，所述斬波電路由兩個反串聯開關器件Ql、Q2和 兩個二極管D5、D6組成雙相斬波開關，兩個反串聯開關器件Q3、Q4和兩個二極管D7、D8組成雙相續流開關，在電壓的輸入端和輸出端都設置相應的濾波器。
3.根據權利要求1所述的斬控式異步電動機調速節能器，其特征是，所述驅動電路中芯片 74LS06U13、6N137U14、LXD430U15 的 VCC 腳接 +5V 電源，芯片 IXDD430U16 的 VDD 腳接+15V電源，各芯片的GND腳均接地，芯片74LS06U13的IY腳接芯片6N137U14的Anode腳，電阻R29為上拉電阻，電容C9為濾波電容；芯片6N137U14的EN端接+5V電源，信號輸出腳Out接芯片LXD430U15的B腳，電阻R30為上拉電阻；芯片LXD430U15的A腳經二極管D4后接IGBT的C端，J腳經R32接芯片IXDD430U16的IN腳，電容Cll為濾波電容，芯片IXDD430U16的EN腳接+15V電源，OUT腳經電阻R34接IGBT的G端。
4.根據權利要求1所述的斬控式異步電動機調速節能器，其特征是，所述的DSP數字信號處理器采用TMS320F2812。
5.根據權利要求1所述的斬控式異步電動機調速節能器，其特征是，所述的PIC單片機采用 16F877A.。
6.根據權利要求1所述的斬控式異步電動機調速節能器，其特征是，所述電壓處理電路由電壓互感器U2，運算放大器U4B、U5B,穩壓管Dl以及電阻、電容組成；電壓經電壓互感器U2轉換后，先通過一個由電阻R2、電容Cl組成的低通濾波器，然后經過一個運算放大器U4B起到電氣隔離的作用，最后經過運算放大器U5B放大和處理之后輸入DSP數字信號處理器的ADO端口。
7.根據權利要求1所述的斬控式異步電動機調速節能器，其特征是，所述電流處理電路由電流互感器U15，運算放大器U12、U13、U14，二極管D9、D10，穩壓管D15、D16以及電阻、電容組成；當電流由電流互感器U15的I腳流向6腳時，運算放大器U12反相端電壓為正，該電壓通過由運算放大器U12和運算放大器U13組成的電路兩次反向后仍為正電壓，經電阻R39和電容C29濾波后輸出至DSP數字信號處理器的A/D采樣口 ADl完成對正電流的檢測，運算放大器U12反相端的正電壓經反向后變為負電壓，二極管D2截止，從而使輸出電壓基本為零；當電流由電流互感器U15的I腳流向6腳時，運算放大器U12反相端電壓為負電壓，經過運算放大器U12和運算放大器U14處理后變為正電壓，并經過電阻R40和電容C30濾波后輸出至DSP數字信號處理器的A/D采樣口 AD2，從而完成了對負電流的檢測。
8.根據權利要求1所述的斬控式異步電動機調速節能器，其特征是，所述電壓過零檢測電路由電壓互感器U3，運算放大器U6B，以及電阻、電容組成；交流電經電阻Rll限流后輸入電壓互感器U3的初級線圈，輸出電壓經電阻R16后輸入運算放大器U6B的同相端，和反向端的接地電壓進行比較，在交流電每次過零時，運算放大器U6B的輸出會相應變化；當交流電由小于零變為大于零時，運算放大器U6B的輸出由低電平變為高電平；當交流電由大于零變為小于零時，運算放大器U6B的輸出由高電平變為低電平，這樣，運算放大器U6B輸出的電壓信號到DSP數字信號處理器的CAP端口，DSP數字信號處理器檢測該信號就可以判斷交流電的過零時刻。
9.根據權利要求1所述的斬控式異步電動機調速節能器，其特征是，所述電流過零電路由電流互感器U17，運算放大器U6A、運算放大器U7A以及電阻、電容組成；電流互感器U17輸出的電流信號經電阻R12轉換成電壓信號，經電阻R13輸入運算放大器U6A的反向端，放大后經電阻R18和電容C4組成的濾波電路后輸入運算放大器U7A的同相端，和反向端的接地信號進行比較，同相端電壓大于反相端，則輸出高電平，否則則輸出低電平，達到判斷電流過零點的目的。
10.根據權利要求1所述的斬控式異步電動機調速節能器，其特征是，所述直流電源電路采用三端穩壓芯片和電源芯片為電路提供±15V、5V和3.3V電壓。
【文檔編號】H02M5/293GK203399045SQ201320296065
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年5月28日 優先權日:2013年5月28日
【發明者】朱金榮, 王斌, 易峰, 尹志威 申請人:揚州大學