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      數(shù)字式正弦電壓變頻調(diào)速節(jié)電器的制作方法

      文檔序號(hào):7484510閱讀:167來(lái)源:國(guó)知局
      專利名稱:數(shù)字式正弦電壓變頻調(diào)速節(jié)電器的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)中的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速和功率因數(shù)
      補(bǔ)償,特別是兼有功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償電路的正弦電壓變頻調(diào)速器。
      一 祖雖1X A、 一、胃京玟不S
      當(dāng)前,我國(guó)工、商、交通和民用電動(dòng)機(jī)的耗電量已占全國(guó)用電總 量的一半以上,尤其是夏季猛增的空調(diào)用電,更令全國(guó)各大電網(wǎng)不堪 重負(fù)。為此,國(guó)務(wù)院去年特別將電動(dòng)機(jī)節(jié)電列為全國(guó)十大節(jié)能工程之 一。要從根本上解決電動(dòng)機(jī)節(jié)電課題,只有采用變頻技術(shù)兼施功率因 數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償。但迄今的變頻調(diào)速器都只能輸出調(diào)寬脈沖電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電 動(dòng)機(jī),這本是由于此前不能取得正弦變頻電壓退而求其次的辦法,且 都未設(shè)置功率因數(shù)補(bǔ)償電路,適用范圍和功效都有限。本發(fā)明采用全 新的技術(shù),不但使變頻器能輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓,因而適用于各類交流 電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速,還能進(jìn)行功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償實(shí)時(shí)節(jié)電,使變頻技術(shù)
      錄兀香o
      三、發(fā)明的內(nèi)容
      本發(fā)明摒棄了輸出電壓須以極高頻率全壓升降的脈寬調(diào)制模式, 采用功率因數(shù)變換或溫度變換所得電壓,控制單極性壓控方波發(fā)生器 產(chǎn)生60 6000Hz連續(xù)變頻方波,通過(guò)數(shù)字分頻生成30位時(shí)序脈沖,輪流觸發(fā)正負(fù)高壓所接絕緣柵晶閘管或晶體管次第導(dǎo)通,并在導(dǎo)通期間
      比照12度等相位間隔正弦階梯基準(zhǔn)電壓,逐級(jí)進(jìn)行開關(guān)穩(wěn)壓,第15
      和30時(shí)序則輸出為零;如不加濾波,輸出電壓半波波形如

      圖1示; 其頻率和幅度都隨控制電壓線性變化;與之相似,再增設(shè)另外兩路同 樣的正弦階梯基準(zhǔn)電壓,但相互錯(cuò)開10位時(shí)序,以保證它們彼此相 位差為120° ;以前一相電路為基礎(chǔ),再令另外兩相功率開關(guān)管也比 照兩個(gè)新增的正弦階梯基準(zhǔn)電壓由低到高又由高到低逐級(jí)進(jìn)行開關(guān) 穩(wěn)壓而輸出三相正弦階梯波電壓;將它們各經(jīng)一個(gè)電容器濾波平滑,
      即得三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波變頻電壓,供各種交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和功
      率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償;本發(fā)明也可用快速晶閘管加強(qiáng)迫換流電路來(lái)實(shí)現(xiàn), 唯因它們開關(guān)時(shí)間的梗阻,變頻上限只能保證50 60Hz,但已足敷大 小空調(diào)、水泵、風(fēng)機(jī)等高耗電設(shè)備實(shí)時(shí)減速降壓節(jié)電之用;若正負(fù)高 壓由蓄電池、太陽(yáng)能電池、燃料電池和直流輸電電壓提供,即可做成 無(wú)噪聲、無(wú)污染的自備電源和新型直流/交流變換設(shè)備,尤可使用交 流異步電動(dòng)機(jī)制造廉價(jià)耐用的電動(dòng)汽車及機(jī)車,由而帶動(dòng)諸多傳統(tǒng)的 齒輪變速設(shè)備改造為變頻調(diào)速,既可大量節(jié)省鋼材,又保耗電減半, 還根除了齒輪傳動(dòng)總有游移間隙的弊端,為高精密加工提供了新的技 術(shù)手段。
      四、附圖及說(shuō)明
      圖1為不加濾波平滑電容器時(shí)單相輸出半波電壓波形圖2為單相電路方框圖3為單相電路公共前端原理圖;圖4為單相絕緣柵晶閘管或晶體管功率輸出電路圖5為單相快速晶閘管功率輸出電路圖。
      具體實(shí)施例方式
      本發(fā)明的實(shí)施方案如圖2示。變頻電壓的頻率和幅度統(tǒng)由兩路電 壓控制:一路是由感溫元件1通過(guò)溫度/電壓變換器2產(chǎn)生的電壓Ul, 另一路則由電網(wǎng)取樣電壓變換而得的半周電壓方波3及由變頻器輸 出電流互感器取得的半周電流方波4 一起加到功率因數(shù)/電壓變換電 路5產(chǎn)生的電壓U2; 二電壓經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)6選定后,其輸出也分成兩 路 一路直接送壓控方波發(fā)生器7產(chǎn)生60 6000Hz變頻方波;另一 路經(jīng)二極管Do降壓補(bǔ)償后的電壓E送七階正弦分壓電路8生成El E7七階正弦電壓El=ESinl2° , E2二ESin24。 , E3=ESin36° , E4=ESin48° , E5=ESin60。 , E6=ESin72° , E7=ESin84° ,由電路7 產(chǎn)生的變頻方波再送到30分頻電路9生成30位時(shí)序脈沖,將它們按 該方框右邊標(biāo)注的時(shí)序組合由1 14依次觸發(fā)二輸入或門電路10 16由上到下后又由下到上次第輸出高電平驅(qū)動(dòng)各自所接的集成模擬 開關(guān)24 30循序接入E1 E7又E7 E1而建立起供正高壓功率管39 進(jìn)行正半周階梯穩(wěn)壓的七階正弦基準(zhǔn)電壓;經(jīng)第15時(shí)序輪空后,第 16 29時(shí)序再重復(fù)上述運(yùn)作而建立起供負(fù)高壓功率管40進(jìn)行負(fù)半周 階梯穩(wěn)壓的七階正弦基準(zhǔn)電壓;另一方面,由功率管39和40輸出組 合成的完整正弦電壓經(jīng)取樣降壓后通過(guò)集成運(yùn)放全波整流電路38取 得正負(fù)半周均為正幅的反饋電壓供功率管39和40輪流比照各自的基 準(zhǔn)電壓進(jìn)行階梯穩(wěn)壓而輸出圖1所示的正弦階梯波電壓;第15和30時(shí)序期間,功率管39和40的輸出端均由零壓箝位電路41箝位到零; 控制電壓一變,輸出正弦階梯波的頻率和幅度即隨之變化;將此正弦 階梯波電壓經(jīng)電容器42濾波平滑,即得標(biāo)準(zhǔn)正弦波變頻電壓驅(qū)動(dòng)各 種交流電壓機(jī)43實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和跟蹤調(diào)壓。
      具體電路如圖3示。D3、 D5、 C2、 IC1及外園元件和BG1組成+13V 穩(wěn)壓電路,這里之所以要將它做成可調(diào),是為使其穩(wěn)壓電壓和D4、 D6、 C3、 R4及DW3組成的-13V穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓絕對(duì)值一致;Dl、 D2、 Cl和DW1則組成+24V穩(wěn)壓電路。變壓器Bl的次級(jí)電壓Va和輸出電 流互感器產(chǎn)生的交變電壓Vc分別送入電壓比較器IC7和IC8變換成 同相的電壓方波和電流方波加到異或門CD4070的2、 3腳,其1腳輸 出加到作比較器用的IC9的反相輸入端2;這樣一來(lái),當(dāng)負(fù)載電流不 滯后電壓時(shí),CD4070的1腳輸出電壓為零,IC9的1腳則輸出全壓 +24V;當(dāng)電流方波隨電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化滯后于電壓方波時(shí),CD4070 的l腳即有一定瞬間輸出高電平,IC9的1腳輸出電壓隨之降低;電 動(dòng)機(jī)負(fù)荷越輕,電流方波滯后電壓方波越甚,CD4070的1腳輸出高 電平的瞬間越長(zhǎng),IC9的輸出電壓也就越低,從而完成了功率因數(shù)/ 電壓的變換;ICIO、 ICll及外圍電路是專為空調(diào)節(jié)電設(shè)計(jì)的溫度/電 壓變換器,硅二極管D8為感溫元件,利用硅材料在溫度每升高華氏 l度、其PN結(jié)電壓即降低1.166mv的特性,將其端電壓送IC10放大 160. 8倍,再與R33和R34、 R35的分壓值一起送IC11進(jìn)行加法運(yùn)算 而輸出7. 35 20. 85V (相當(dāng)于攝氏20 40)的溫控電壓,該電壓和 前面得出的功率因數(shù)變換電壓一起送到轉(zhuǎn)換開關(guān)K2,通過(guò)選擇加到雙鏈電位器W4-l和W4-2的對(duì)接點(diǎn),經(jīng)兩電位器調(diào)到需要的幅度后由 電壓隨器IC2和IC3分兩路輸出 一路送IC4、 IC5、 IC6及外圍元件 組成的單極性壓控方波發(fā)生器生成變頻方波,另一路通過(guò)D7、 Rvl、 Rv2經(jīng)Kl-3選擇后加到R38-R45組成的分壓電路形成幅度隨控制電 壓線性變化的七階正弦基準(zhǔn)電壓;二極管D7的功用是補(bǔ)償壓控方波 發(fā)生器的頻率計(jì)算公式中對(duì)控制電壓有一個(gè)PN結(jié)的壓降,以保證形 成的七階正弦基準(zhǔn)電壓的幅度和壓控方波頻率均能隨控制電壓同步 線性變化??刂齐妷哼€由開關(guān)Kl-l送往IC12通過(guò)R24加到一個(gè)24V 直流電壓表用以指示頻率變化。本圖為精簡(jiǎn)版面,壓控方波發(fā)生器僅 畫出了C5、 C6兩個(gè)槽路電容器,通過(guò)三鏈開關(guān)K1轉(zhuǎn)換,構(gòu)成300 4500Hz方波發(fā)生器。若要更低或更高頻率的壓控方波,按需增設(shè)槽 路電容器即成。雙鏈電位器W4-1和W4-2之所以要對(duì)接,是為保證在 槽路電容器換檔時(shí),輸出電壓頻率和幅度不致產(chǎn)生跳變。將前面得出 的變頻方波送CD4015 (1) CD4015 (4)作時(shí)鐘脈沖,它們的輸出 經(jīng)四塊CD4071和接成或門電路的CD4078 (3)的組合,共得29位次 第輸出的脈沖加到接成或非門的CD4078 (1)的七個(gè)輸入端,第八個(gè) 輸入端則接地。這樣一來(lái),當(dāng)四個(gè)CD4015連續(xù)輸出29個(gè)脈沖轉(zhuǎn)而輸 出輪空的第30位脈沖時(shí),CD4078 (1)的13腳輸出跌為低電平,藉 以控制四塊CD4015實(shí)現(xiàn)30分頻而輸出30位時(shí)序脈沖;將它們等分 成左右兩組,輪流觸發(fā)R38 R45電阻鏈左右兩邊的集成模擬開關(guān) CD4066(1) (4)由低到高又由高到低逐級(jí)開通,這樣一來(lái),在比較器IC17和IC18的同相輸入端便輪流建立起了幅度隨控制電壓線性變化 的七階正弦基準(zhǔn)電壓;IC13及外圍電路則將變頻器輸出電壓Vout經(jīng)取 樣和全波整流后送IC14放大到需要的幅度后加到IC17和IC18反相輸 入端,令其和正弦階梯基準(zhǔn)電壓輪流進(jìn)行動(dòng)態(tài)比較便得出輸出功率放 大級(jí)所需的開關(guān)脈沖,由(1)和(3)端子輸出。圖中,接成或門電路的 CD4078(3)和(2),只在有時(shí)序脈沖輸入時(shí),二者的l腳輸出才為高電 平,從而可用以實(shí)現(xiàn)正負(fù)半周的互鎖。IC15、 IC16和CD4066(5)與外 圍元件構(gòu)成延時(shí)過(guò)流保護(hù)電路。利用R55、 IC9的充電延時(shí),開機(jī)之初 IC15輸出高電平,CD4066(5)8、 9腳接通,Vb為髙電平,觸發(fā)CD4066(2) 和(3)的10、 ll接通而保證設(shè)備正常起動(dòng);開機(jī)沖擊電流一過(guò),由輸 出電流互感器產(chǎn)生的整流電壓Vd降到低于R60和R61的分壓值,IC16 輸出高電平,CD4066(5)1、 2腳接通,-而3、 4腳在8、 9腳接通時(shí)已實(shí) 現(xiàn)自鎖,故此后即使延時(shí)時(shí)間已過(guò),Vb仍保持為髙電平,維持設(shè)備正 常工作;一旦輸出電流因故超過(guò)保護(hù)閾值,IC16輸出即跌為低電平, CD4066(5)1、 2腳斷開,4、 3腳也隨之?dāng)嚅_,Vb便跌為低電平,同時(shí) 發(fā)光二極管LED1發(fā)出紅光告警,并一直維持到故障排除。
      圖4為絕緣柵晶閘管或晶體管構(gòu)成的單相功率輸出電路。由圖3 公共前端(1)和(3)送來(lái)的開關(guān)脈沖各經(jīng)CD4050a、 b增大輸出電流后, 分別觸發(fā)光電耦合器0C1和0C2導(dǎo)通,并通過(guò)緊接的電壓比較器LM311 提高觸發(fā)靈敏度后,通過(guò)BG2、 BG3和BG4、 BG5依次觸發(fā)IGBT1 (IGCT1) 與IGBT2(IGCT2)輪流導(dǎo)通并進(jìn)行階梯開關(guān)穩(wěn)壓而輸出正、負(fù)半波變頻電壓;兩個(gè)功率開關(guān)管共用三個(gè)氧化鋅壓敏電阻構(gòu)成保護(hù)電路;肪O 為零壓H位電阻,C12為輸出電壓平滑濾波電容器^
      圖5為快速晶閘管構(gòu)成的單相功率輸出電路。由快速晶閘管產(chǎn)品 說(shuō)明書給出的技術(shù)數(shù)據(jù)知,該類管子的關(guān)斷時(shí)間不大于30微秒,開通 時(shí)間3 5微秒,開關(guān)時(shí)簡(jiǎn)總和最大值為35'微秒。用于本發(fā)明時(shí),設(shè)最 離變頻頻率為5(fflz,時(shí)鐘脈沖頻率即應(yīng)為1500Hz,則時(shí)序脈沖寬度為 1/1500=666.67微秒,故每階導(dǎo)通期間可進(jìn)行19次開關(guān)穩(wěn)壓 (666.67/35=19),基本堪當(dāng)此任。電路錄用管最少的強(qiáng)迫換流方式構(gòu) 成。由公共前端電路輸出端子(2) (4)引入的寬脈沖電壓經(jīng)CD4050c 與4050d增大輸出電流后,分別充任相關(guān)電路正、負(fù)^^周的工作電壓; 在圖右下邊,當(dāng)(l)端開關(guān)脈沖到來(lái)時(shí),光電耦合器0C3和0C4同時(shí) 導(dǎo)通;0C4的導(dǎo)通經(jīng)比較器LM311提高靈敏度后拉動(dòng)BG7觸發(fā)SCR4導(dǎo)_ 通,同時(shí)由LED5作出指示;0C3的導(dǎo)通則拉動(dòng)BG6觸發(fā)SCm導(dǎo)通,LED2 作出指示,于是正高壓便通過(guò)SC11饋入電動(dòng)機(jī),同時(shí)還通過(guò)導(dǎo)通的 SCR4對(duì)換流電容器C17充電;當(dāng)開關(guān)脈沖中止,(l)端輸出轉(zhuǎn)為低電平 時(shí),SCR4立即截止,這是因?yàn)樵摴苤还〤17充電用,此過(guò)程瞬即完成, 當(dāng)C17充滿電后,SCR4電流即為零,故觸發(fā)脈沖一跌落便立即截止; 電路圖左上角的0C5因(1)端電平轉(zhuǎn)低兩立即導(dǎo)通,通過(guò)LMM1和BG8 觸發(fā)SCR3導(dǎo)通,LED4作出指示,于是C17左端電位被瞬時(shí)拉高,并通 過(guò)D20構(gòu)成回路產(chǎn)生自由振蕩而強(qiáng)迫SCR1截止;(l)端下一個(gè)開關(guān)脈沖 到來(lái)和中止時(shí),再重復(fù)上述過(guò)程,于是電動(dòng)機(jī)便得以饋入正半波正弦電壓;在第15個(gè)時(shí)序輸出過(guò)零后便轉(zhuǎn)入負(fù)半波,(3)端即開始送來(lái)開
      關(guān)脈沖令0C6和0C7導(dǎo)通;0C6的導(dǎo)通拉動(dòng)BG8觸發(fā)SCR3導(dǎo)通,LED4作出 指示;0C7的導(dǎo)通拉動(dòng)BG9觸發(fā)SCR2導(dǎo)通,LED3作出指示,于是電動(dòng)機(jī) 便通過(guò)SCR2得以饋入負(fù)高壓,同時(shí)C17通過(guò)SCR3和SCR2進(jìn)行反向充電, 此過(guò)程也是瞬時(shí)完成,當(dāng)(3)端電平轉(zhuǎn)低時(shí),SCR3立即截止,電路圖 右下角0C8立即導(dǎo)通,通過(guò)比較器Umi拉動(dòng)BG7觸發(fā)SCR4導(dǎo)通,LED5 作出指示,C17左端電壓瞬即拉低,并通過(guò)D21構(gòu)成回路產(chǎn)生自由振蕩 而強(qiáng)迫SCR2截止;(3)端下一個(gè)開關(guān)脈沖到來(lái)與中止時(shí),再重復(fù)上述 過(guò)程,于是電動(dòng)機(jī)得以饋入負(fù)半波正弦電壓。如此循環(huán)往復(fù),便可驅(qū) 動(dòng)電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。零壓箝位由電阻R112實(shí)現(xiàn),SCR3和SCR4 又一管二用,因而所用晶閘管最少,且SCR3和SCR4只供換流電容器C17 充電用,其額定電流可為主導(dǎo)晶閘管SCR1和SCR2的1/5,極利于降低 產(chǎn)品成本。三個(gè)氧化鋅壓敏電阻Ru4、 Ru5、 Ru6組成主導(dǎo)晶閘管SCRl 和SCR2的保護(hù)電路,確保變頻器工作安全可靠。
      上面以單相變頻器為例說(shuō)明了電路的工作原理。以之為基礎(chǔ),在 圖3中再增設(shè)兩路和R38 R45—樣的正弦階梯分壓電路,用同一30位 時(shí)序脈沖驅(qū)動(dòng)三個(gè)電阻鏈兩邊的集成模擬開關(guān),彼此錯(cuò)開10位時(shí)序, 由低到高又由高到低逐級(jí)順次開通而形成標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦階梯基準(zhǔn) 電壓,以之分別和各相輸出取樣全波電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)比較,即得驅(qū)動(dòng) 各相功率輸出電路進(jìn)行正弦階梯穩(wěn)壓的開關(guān)脈沖,從而方便地構(gòu)成三 相正弦電壓變頻調(diào)速節(jié)電器。余不贅述。
      權(quán)利要求
      1、采用晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵晶體管、絕緣柵晶閘管、可關(guān)斷晶閘管及快速晶閘管,按本發(fā)明技術(shù)構(gòu)成的單相或三相正弦電壓變頻調(diào)速器;
      2、 采用功率因數(shù)變換產(chǎn)生的控制電壓和方式1組合構(gòu)成的 單相或三相正弦電壓變頻節(jié)電器;
      3、 采用溫度變換取得的控制電壓和方式1組合構(gòu)成的單相 或三相大小空調(diào)節(jié)電器;
      4、 采用本發(fā)明揭示的數(shù)字式正弦電壓變頻技術(shù)或逆變技術(shù) 構(gòu)成的其他產(chǎn)品。
      全文摘要
      本發(fā)明一改變頻器長(zhǎng)期沿用的脈寬調(diào)制模式,采用壓控變頻30位時(shí)序脈沖,按10位時(shí)序相位差分成三組,分別驅(qū)動(dòng)三相絕緣柵晶體管或快速晶閘管比照七階正弦基準(zhǔn)電壓逐位進(jìn)行遞升遞降的七階開關(guān)穩(wěn)壓而輸出大功率三相數(shù)字式正弦變頻電壓,將它們各經(jīng)一個(gè)電容器稍事平滑,即得保證電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)三相正弦變頻電壓,據(jù)而構(gòu)成品質(zhì)優(yōu)異的數(shù)字式正弦電壓變頻調(diào)速器,供各種交流電動(dòng)機(jī)用作理想的變頻調(diào)速,還可加設(shè)功率因數(shù)、溫度及壓力跟蹤電路,一遇負(fù)荷減輕、溫度降低或升高、壓力增大或減小,即自動(dòng)降頻降壓,實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)電,尤為電動(dòng)汽車及機(jī)車提供了技術(shù)全新的高節(jié)能驅(qū)動(dòng)電源。
      文檔編號(hào)H02M1/42GK101295959SQ200710092598
      公開日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2007年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月21日
      發(fā)明者王先倫 申請(qǐng)人:王先倫
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