專利名稱：具有電壓驟降保護(hù)的永磁電動機(jī)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁電動機(jī)控制器領(lǐng)域，特別是一種具有電壓驟降保護(hù)的永磁電動機(jī)控制器。
背景技術(shù)：
稀土永磁同步電動機(jī)是一類高性能的電動機(jī)，具有高效率、高功率因數(shù)、無勵磁損耗等優(yōu)點，在家用、車用工業(yè)、紡織工業(yè)、油田礦山等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明以油田用稀土永磁同步電動機(jī)為控制對象，設(shè)計具有抗電壓跌落保護(hù)功能的控制系統(tǒng)。油田用抽油電動機(jī)的最大特點在于上沖程時負(fù)載大；下沖程時負(fù)載小、效率低。由于抽油電動機(jī)在抽油過程中油井逐漸變深，其負(fù)載也逐漸減小，抽油過程中電動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載并不是一成不變的，一方面需要通過改變轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)油田泵的排量與油井滲透能力相匹配，另一方面在抽油過程中電機(jī)的負(fù)載在上沖程和下沖程負(fù)載也不一樣。目前市面上通用變頻器較常見，要充分發(fā)揮永磁同步電動機(jī)的優(yōu)越性能，最好的方法就是要采用與之相適應(yīng)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。電壓跌落問題是目前配電系統(tǒng)中最常出現(xiàn)的且無法避免的電壓擾動現(xiàn)象，通常在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障、重合閘、雷擊、同一段大容量設(shè)備起動或故障、開關(guān)操作等原因造成電壓的短時跌落。根據(jù)IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)，電壓跌落指供電電壓突然降低到標(biāo)稱電壓Uc的90%和1%之間的一個值，然后在很短時間內(nèi)恢復(fù)正常。電壓跌落的持續(xù)時間通常在IOms和I分鐘之間。近年來，微處理器、電力電子器件在電氣領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，一方面加快了新型電氣設(shè)備向智能化、小型化發(fā)展，另一方面這些設(shè)備對電壓跌落的敏感性也帶來一系列問題，電壓跌落往往導(dǎo)致基于微處理器與電力電子器件的電氣設(shè)備誤動作甚至損壞，因此有必要采取對應(yīng)的電壓跌落保護(hù)措施保證這類新型的電氣產(chǎn)品能夠穩(wěn)定運(yùn)行。電動機(jī)變頻控制裝置就是一款基于微處理器與電力電子器件的控制設(shè)備，微處理器、控制電路、信號采集電路、通 信電路等都要求要有穩(wěn)定的供電才能保證控制裝置穩(wěn)定運(yùn)行。一般而言，當(dāng)供電電壓低于標(biāo)稱值的80%時，往往會造成微處理器控制程序紊亂，同時引起某些電力電子器件的誤動作，進(jìn)而影響電動機(jī)的正常工作，甚至導(dǎo)致電動機(jī)停機(jī)，造成經(jīng)濟(jì)損失。尤其是對于連續(xù)生產(chǎn)的石油、化工企業(yè)，電動機(jī)往往與一系列機(jī)械機(jī)構(gòu)互鎖，電網(wǎng)短時的電壓跌落往往會造成整條生產(chǎn)線工作紊亂甚至癱瘓，給經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)造成巨大損失，甚至給操作人員帶來人身危險，因此電壓跌落保護(hù)對于工業(yè)生產(chǎn)是必要的。在電機(jī)控制變頻器上增加抗電壓跌落保護(hù)功能，必將具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有電壓驟降保護(hù)的永磁電動機(jī)控制器。能夠?qū)崿F(xiàn)對永磁同步電動機(jī)的變頻調(diào)速功能，而且還能在自動實時檢測電網(wǎng)電壓狀況，保證電動機(jī)在電壓跌落發(fā)生時不影響電機(jī)運(yùn)行狀況。本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn):一種具有電壓驟降保護(hù)的永磁電動機(jī)控制器，其特征在于:包括三相整流模塊、電壓信號檢測模塊、高頻開關(guān)電源、電壓提取電路、逆變橋保護(hù)電路、濾波電容器組及其均壓電路、軟啟動電路、指示電路、后備電源、制動電路、比較驅(qū)動電路、電流互感器、信號調(diào)理電路、隔離驅(qū)動電路、故障檢測模塊、信號處理模塊、后備電源充電回路、后備電源放電回路、后備電源電壓檢測電路、隔離型線性采樣電路、恒流充電回路、充電電流檢測電路、恒壓充電回路、隔離型線性采樣電路、第一開關(guān)控制電路、第二開關(guān)控制電路、第一中央控制模塊以及第二中央控制模塊、上位機(jī)監(jiān)控平臺；三相交流電壓經(jīng)三相整流模塊的輸出一路作為所述高頻開關(guān)電源的輸入，該高頻開關(guān)電源為電動機(jī)變頻控制及電壓跌落保護(hù)的實現(xiàn)供電，另一路的一端與所述軟啟動電路的輸入端連接；該軟啟動電路的輸出端與所述所述電壓信號檢測模塊將三相交流電壓按比例縮小后輸入到第二中央控制模塊中；所述第二中央控制模塊的一輸出端所述后備電源充電回路連接，所述后備電源充電回路的輸出端一路經(jīng)第一開關(guān)控制電路與所述恒流充電回路連接，另一路經(jīng)第二開關(guān)控制電路與所述恒壓充電回路連接；所述的后備電源的正極與所述恒壓充電回路的輸出端連接；所述后備電源的正極經(jīng)第一開關(guān)管后與放電回路連接；所述后備電源電壓檢測電路與所述隔離型線性采樣電路連接，并采樣后備電源的電壓值反饋至所述第二中央控制模塊；所述軟啟動電路輸出端正極與三相整流模塊輸出端負(fù)極之間并接有濾波電容器組及其均壓電路、電壓提取電路、指示電路、制動電路、逆變器；所述的電壓提取電路的輸出一路經(jīng)信號比較與驅(qū)動電路與所述軟啟動電路連接，另一路經(jīng)信號比較驅(qū)動電路與所述制動電路的控制端連接；所述的第一中央控制模塊通過電壓互感器、電流互感器以及位置檢測模塊EN采集母線三相電壓、電流、電機(jī)三相電流值和電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速；該第一中央控制模塊還連接有上位機(jī)和隔離驅(qū)動電路，并與所述第二中央控制模塊通訊；所述隔離驅(qū)動電路與所述逆變器連接。在本發(fā)明一實施例中，所述的高頻開關(guān)電源包括一濾波電路、高頻變壓器、開關(guān)電源芯片、MOSFET管、反饋電路、過壓過流檢測電路、限流電阻和瞬態(tài)抑制器；所述濾波電容將脈動的直流電壓轉(zhuǎn)化成較穩(wěn)定的直流電壓后，其正極接至高頻變壓器初級繞組的異名端，所述開關(guān)電源芯片的源極接至高頻變壓器初級繞組的同名端；所述開關(guān)電源芯片的漏極端串聯(lián)MOSFET管；當(dāng)開關(guān)電源芯片內(nèi)置的MOS管導(dǎo)通時，MOSFET管的源極電壓為低電平，使MOSFET管導(dǎo)通；當(dāng)開關(guān)電源芯片內(nèi)置的MOS管截止時，MOSFET管截止；限流電路，起限流作用；瞬態(tài)抑制器，限制MOSFET管上分壓量低于其耐壓值；所述信號檢測電路檢測三相整流模塊輸出的電壓；所述的高頻變壓器的輸入端設(shè)置有箝位電路；所述反饋電路反饋所述高頻變壓器的副邊輸出電壓是否正常從而調(diào)節(jié)開關(guān)電源芯片工作的占空比。在本發(fā)明一實施例中,所述的第一中央控制模塊包括一中央處理芯片以及與該中央處理芯片連接的IXD、按鍵電路。在本發(fā)明一實施例中，所述軟啟動電路由IGBT管、限流模塊和第一保護(hù)電路組成，所述限流模塊的一端與所述IGBTl管的集電極和三相整流模塊的一輸出端連接，另一端與所述IGBTl管的發(fā)射極和第一保護(hù)電路的輸入端連接；所述保護(hù)電路的輸出端作為所述軟啟動電路的輸出端；所述信號比較與隔離驅(qū)動電路的輸出端與所述IGBTl管的基極連接。在本發(fā)明一實施例中，所述后 備電源由多個超級電容串聯(lián)后再并聯(lián)構(gòu)成，且該后備電源還設(shè)置有均壓均流電路。
在本發(fā)明一實施例中，所述后備電源充電回路包括隔離驅(qū)動與保護(hù)電路IGBT管、續(xù)流電路、儲能電路；所述第二中央控制模塊輸出的驅(qū)動信號經(jīng)隔離驅(qū)動與保護(hù)電路觸發(fā)IGBT管工作，以降低后備電源的充電電壓。本發(fā)明設(shè)計了一種用于電壓跌落保護(hù)的永磁同步電動機(jī)變頻控制裝置，該裝置不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對永磁同步電動機(jī)的變頻調(diào)速功能，而且還能在自動實時檢測電網(wǎng)電壓狀況，通過編寫微處理器軟件程序，實現(xiàn)對電壓跌落發(fā)生起止時刻的判斷，保證電動機(jī)在電壓跌落發(fā)生時不影響電機(jī)運(yùn)行狀況。同時，可根據(jù)硬件按鍵及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定可調(diào)的電壓跌落保護(hù)時間。


圖1是本發(fā)明電路原理框圖。圖2是本發(fā)明一具體實施例電路原理連接框圖。其中圖中的標(biāo)記為:三相整流模塊A;濾波電路D;三相電壓檢測模塊U;高頻變壓器Y;開關(guān)電源芯片S;M0SFET管Q;反饋電路T;過壓過流檢測電路R3;限流電路Rl;瞬態(tài)抑制器R2;箝位電路P;濾波電容組Fl;均壓電路F2;電壓提取電路G ;信號比較與調(diào)理電路C3;隔離驅(qū)動電路C2;保護(hù)電路Cl; IGBT管BI;限流模塊B3;保護(hù)電路B2;制動電阻II；比較電路E3;驅(qū)動電路E2; IGBT管12;電流互感器Kl;信號調(diào)理電路K2;隔離驅(qū)動電路O;按鍵KB;故障檢測模塊LI;信號處理模塊L2;光耦隔離電路L3; ZlO為儲能電路I ;Zll續(xù)流電路I ;Z16為儲能電路2;第二開關(guān)管Z17;Z20為續(xù)流電路2;Z15為隔離保護(hù)模塊；Z2為后備電源電壓檢測回路；Z3為隔離型線性采樣電路；信號調(diào)理與隔離模塊Z4 ;光耦隔離驅(qū)動電路Z19;電源檢測電路Z2;恒流充電回路CC;保護(hù)電路Z12;隔離驅(qū)動電路Z13，開關(guān)管Z9 ;半導(dǎo)體開關(guān)Z5;恒流控制電路Z7 ;半導(dǎo)體開關(guān)Z6;電流采樣電路Zl;隔離模塊Z4;COM為上位機(jī)監(jiān)控平臺；恒壓充電回路CV;恒壓控制電路Z8;第一開關(guān)管Z14;電壓互感器Jl ;電壓采樣調(diào)理電路J2 ；E1制動電路開關(guān)管保護(hù)模塊；H1分壓限流電路；H2帶電指示電路；Z18放電電路保護(hù)模塊;M1逆變橋保護(hù)電路;W為高頻開關(guān)電源；F為電容器組及其均壓電路；軟啟動電路B ;H為指示電路；X為后備電源；1為制動電路出為信號比較與驅(qū)動電路；N為后備電源放電電路；T1為第一開關(guān)控制電路；T2為第二開關(guān)控制電路；Z為后備電源充電回路。高頻變壓器Y各路輸出作用:
8作為軟啟動驅(qū)動電路C2電源；
9作為三相逆變橋(M)驅(qū)動電源；
10作為位置檢測模塊(EN)供電電源；
11作為后備電源電路開關(guān)管驅(qū)動電路供電電源；
12作為CPU 1\CPU 2的供電電源。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。請參見圖 1，本實施例提供一種具有電壓驟降保護(hù)的永磁電動機(jī)控制器，其特征在于:包括三相整流模塊A、濾波電路D、三相電壓檢測模塊U、高頻變壓器Y、電壓提取電路G、電流互感器K1、信號調(diào)理電路K2、隔離驅(qū)動電路O、故障檢測模塊L1、信號處理隔離模塊L、后備電源充電回路Z、后備電源電壓檢測電路Z2、隔離型線性采樣電路Z3、光耦隔離驅(qū)動電路Z19、恒流充電回路CC、充電電流檢測電路A1、上位機(jī)監(jiān)控平臺COM、恒壓充電回路CV、逆變橋保護(hù)電路(Ml)、位置檢測模塊(EN)、高頻開關(guān)電源W、電容器組及其均壓電路F、軟啟動電路B、指示電路H、后備電源X、制動電路1、比較驅(qū)動電路E、后備電源放電回路N、第一開關(guān)控制電路Tl、第二開關(guān)控制電路T2、第一中央控制模塊Ul以及第二中央控制模塊U2 ;三相交流電壓經(jīng)三相整流模塊A的輸出一路作為所述高頻開關(guān)電源W的輸入，該高頻開關(guān)電源W為電動機(jī)變頻控制及電壓跌落保護(hù)的實現(xiàn)供電，另一路的一端與所述軟啟動電路B的輸入端連接；該軟啟動電路的輸出端與所述所述電壓信號檢測模塊U將三相交流電壓按比例縮小后輸入到第二中央控制模塊U2中；所述第二中央控制模塊U2的一輸出端所述后備電源充電回路Z連接，所述后備電源充電回路Z的輸出端一路經(jīng)第一開關(guān)控制電路Tl與所述恒流充電回路CC連接，另一路經(jīng)第二開關(guān)控制電路T2與所述恒壓充電回路CV連接；所述恒流充電回路CC和恒壓充電回路CV的輸出端與后備電源X正極連接；所述的后備電源X的正極經(jīng)第一開關(guān)管Z14與放電回路N連接；所述后備電源電壓檢測電路Z2與所述隔離型線性采樣電路Z3連接，并采樣后備電源X的電壓值反饋至所述第二中央控制模塊U2 ;所述的三相整流模塊的兩路輸出之間并接有電容器組及其均壓電路F、電壓提取電路G、指示電路H、制動電路1、逆變器M ;所述的電壓提取電路G的輸出一路經(jīng)放大驅(qū)動電路C與所述軟啟動電路B連接，另一路經(jīng)信號比較與驅(qū)動電路E與所述制動電路I的控制端連接；所述的第一中央控制模塊Ul通過電壓互感器、電流互感器Jl、Kl以及位置檢測模塊EN采集母線電壓與電流、電機(jī)三相電流值和電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速；該第一中央控制模塊Ul還連接有上位機(jī)COM和隔離驅(qū)動電路0，并與所述第二中央控制模塊U2通訊；所述隔離驅(qū)動電路O與所述逆變器M連接。以下對電動機(jī)變頻控制功能、電壓跌落保護(hù)功能做詳細(xì)介紹。原理圖見圖2。電動機(jī)變頻控制功能
三相交流電壓從1，2，3端接入，一路輸入三相整流模塊A，另一路直接供給具有隔離電壓采樣功能的電壓信號檢測 模塊U。三相整流模塊A的輸出一路經(jīng)濾波電路D進(jìn)行濾波，當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時，此路作為變頻控制模塊的輸入。三相電壓檢測模塊U將三相交流電壓按比例縮小后輸入到芯片CPU2中，CPU2具有電壓跌落判別和后備電源的管理功能，對電網(wǎng)電壓作進(jìn)一步的識別判斷，這種采樣方式大大減少了附加電路對電網(wǎng)電壓采樣信號的干擾與影響，提高判斷了的準(zhǔn)確性以及可靠性。下面分別介紹。三相整流模塊A整流后的輸出分成兩路:
(I)一路經(jīng)濾波電路D交流電轉(zhuǎn)為平滑的直流電壓后，其正極接至高頻變壓器Y初級繞組的異名端，開關(guān)電源芯片S的源極接至高頻變壓器Y初級繞組的同名端。由于電網(wǎng)輸入電壓范圍較寬，而目前市面上普通的開關(guān)電源芯片內(nèi)置的MOSFET耐壓基本在900V左右無法滿足本電路的設(shè)計要求，因此在開關(guān)電源芯片S的漏極端串聯(lián)MOSFET管Q，以提高整體的耐壓水平。當(dāng)開關(guān)電源芯片S內(nèi)置的MOS管導(dǎo)通時，MOSFET管Q的源極電壓為低電平，使Q導(dǎo)通；當(dāng)開關(guān)電源芯片S內(nèi)置的MOS管截止時，MOSFET管Q截止，這樣主電路上的電壓就分配到開關(guān)電源芯片S與MOSFET管Q上；R1為限流電路，起限流作用；R2為瞬態(tài)抑制器，限制MOSFET管Q上分壓量低于其耐壓值，避免超過耐壓值而損壞；R3為信號檢測電路，檢測外部的電壓電流信號是否超過要求。開關(guān)電源芯片S起動后，如果反饋端負(fù)載保持不變，則開關(guān)電源芯片S能夠保持在設(shè)計時設(shè)定的占空比下工作，高頻變壓器Y副邊輸出電壓正常。當(dāng)反饋輸出端12發(fā)生變化時，此時反饋電路T能夠改變反饋至S的電流量，從而調(diào)節(jié)S工作的占空比，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。外部過壓過流檢測電路R3是開關(guān)電源芯片S的外圍拓展電路，通過設(shè)置合理的功率限制電阻及線電壓檢測電阻來監(jiān)測芯片外部流限，實現(xiàn)電路的過壓、欠壓、過流保護(hù)的功能。開關(guān)電源芯片S與MOS管Q工作在高頻狀態(tài)，當(dāng)Q截止時，由于高頻變壓器Y存在漏感容易產(chǎn)生尖峰電壓，不僅容易損壞開關(guān)管Q和芯片S，嚴(yán)重時還會影響外圍電路的電流采樣以及輸出電壓的穩(wěn)定性，所以，設(shè)計了箝位電路P，P的功能就是消耗這部分能量，限制在開關(guān)管上出現(xiàn)的瞬時過電壓。圖中Rl、R2、R3、P、Q、S、T、Y共同構(gòu)成了高頻開關(guān)電源，其為電動機(jī)變頻控制功能及電壓跌落保護(hù)的實現(xiàn)提供了所需要的直流電源。(2)另一路輸出輸入到變頻控制器的主電路中。整流濾波后的直流電壓需要經(jīng)過濾波電容器組及其均壓電路F，該均壓電路F包括濾波電容組Fl和均壓電路F2，直流電壓先經(jīng)過濾波電容組Fl得到穩(wěn)定的直流電壓。為了滿足主電路對電容耐壓以及容量的要求，濾波電容器組Fl是由若干個規(guī)格相 同的電容串、并聯(lián)而成的，但是由于單體電容在實際容量、工藝、絕緣電阻等方面的差異，容易造成并聯(lián)的電容承受的電壓不相同，進(jìn)而造成過壓擊穿，因此本發(fā)明由均壓電路F2實現(xiàn)并聯(lián)電阻的均壓問題。由于濾波電容的容量很大且母線直流電壓較高，系統(tǒng)上電瞬間大容量的儲能電容相當(dāng)于“短路”，造成很大的瞬時充電電流；過大的沖擊電流，容易導(dǎo)致三相整流模塊因嚴(yán)重過載而損壞，甚至燒壞濾波電容，因此設(shè)計了可靠的軟啟動電路B，由圖中的B1、B2、B3構(gòu)成。起動時，軟啟動限流電路B3連接在主電路上，用以限制啟動電流，當(dāng)系統(tǒng)正常啟動后，通過電壓提取電路G檢測母線電壓，一旦電容已經(jīng)充電到合適的狀態(tài)，通過信號比較與調(diào)理電路C3、隔離驅(qū)動電路C2、保護(hù)電路Cl觸發(fā)IGBT管BI導(dǎo)通，從而將限流電路B3短接。由于半導(dǎo)體開關(guān)器件通常都只具有單向?qū)ㄐ?，為了避免關(guān)機(jī)瞬間電容放電時產(chǎn)生的反向電流沖擊IGBT管BI，設(shè)計了母線保護(hù)電路B2，阻斷反向電流通路。H1、H2構(gòu)成了指示電路H，一方面可用來指示電路正常上電情況，另一方面在電路斷電時可用來指示大電容的放電狀態(tài)，避免直接觸摸造成人身危險。制動電路I在整個系統(tǒng)中是不可或缺的一部分，該制動電路I的作用是消耗電動機(jī)在降頻減速過程所產(chǎn)生的能量。如果將此能量直接回饋到主電路，容易使直流母線電壓升高，導(dǎo)致儲能電容和逆變模塊因瞬間過電壓而損壞甚至燒壞設(shè)備，因此本發(fā)明設(shè)計了合理的制動電路。圖中由制動電阻IUIGBT管12構(gòu)成了制動電路?？刂蒲b置在工作過程中，通過電壓提取電路G實時監(jiān)測主電路電壓，經(jīng)由比較驅(qū)動電路E觸發(fā)IGBT管12，該比較驅(qū)動電路E包括比較電路E3、驅(qū)動電路E2以及制動電路開關(guān)管保護(hù)模塊El，圖中，該電壓提取電路G實時監(jiān)測主電路電壓，經(jīng)由比較電路E3，判斷是否超過制動電壓限值，一旦電壓大于設(shè)定值，比較電路E3輸出制動信號給驅(qū)動電路E2，觸發(fā)IGBT管12導(dǎo)通，將剩余能量消耗在制動電阻Il上。系統(tǒng)實現(xiàn)軟起動后由芯片CPUl內(nèi)部電機(jī)定位程序控制逆變器，從而實現(xiàn)對永磁電動機(jī)施加電壓,完成永磁同步電動機(jī)的初始定位工作。互感器Jl實時采樣母線上的電壓、電流以提供CPUl程序所需要的參量，同時經(jīng)由SCI串口通信將此信號發(fā)送至上位機(jī)，進(jìn)行實時顯示。對電動機(jī)變頻控制的實現(xiàn)是通過CPUl軟件程序的執(zhí)行實現(xiàn)對逆變器的控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成不同頻率的交流電壓輸送到REPMSM三相繞組，控制電機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)。CPUl執(zhí)行的是基于SVPWM雙閉環(huán)控制程序:首先電動機(jī)三相電流由電流互感器(Kl)進(jìn)行隔離采樣后，經(jīng)由交流采樣信號調(diào)理電路(K2)處理后輸入芯片CPU1，保證采樣到的電流信號相位與實際保持一致、最大幅值在CPUl允許的采樣電壓范圍內(nèi)，作為雙閉環(huán)軟件控制程序的電流環(huán)實時數(shù)據(jù)；再通過軟件程序?qū)﹄娏餍盘栠M(jìn)行坐標(biāo)變換，將處于三相靜止坐標(biāo)系上的三相電流轉(zhuǎn)換為在處于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q上的電流id、iq，提供雙閉環(huán)控制程序中內(nèi)環(huán)所需的反饋參量。其次，通過位置檢測模塊EN測量對電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，編碼器輸出的信號為一系列脈沖，因此將此信號輸入到芯片CPUl內(nèi)置的正交編碼模塊對應(yīng)的引腳，從而通過內(nèi)部程序判斷電機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子位置，作為轉(zhuǎn)速環(huán)反饋的參量。將反饋參量與給定值(轉(zhuǎn)速環(huán)給定值為用戶預(yù)定的電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度；電流環(huán)的給定值，直軸電流給定值為0，交軸電流給定值是給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之差再經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到的值)各自進(jìn)行比較后，再經(jīng)由電流調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出執(zhí)行SVPWM控制算法所需要的參量。芯片CPUl通過執(zhí)行SVPWM控制算法得到驅(qū)動三相逆變器所需要的三對驅(qū)動信號Cl。為了避免芯片CPUl受主電路高電壓的干擾，二者信號之間的傳輸必須進(jìn)行必要的隔離。SVPWM驅(qū)動信號Cl通過隔離驅(qū)動電路O進(jìn)行放大與隔離后，分別驅(qū)動逆變器M對應(yīng)的三對橋臂。電機(jī)啟動后，首先運(yùn)行程序默認(rèn)的初始轉(zhuǎn)速(一般為額定轉(zhuǎn)速)，然后，可以通過外部按鍵KB，或者通過上位機(jī)發(fā)送運(yùn)行頻率指令，改變電機(jī)給定的運(yùn)行頻率(或轉(zhuǎn)速)，從而實現(xiàn)改變電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度。PMSM控制器的硬件電路處于高電壓狀態(tài)，且電力電子器件對工作電壓、工作電流有嚴(yán)格的要求，一旦超過所能承受最大電壓與電流時，容易損壞器件。需要設(shè)計保護(hù)電路。故障保護(hù)主要有直流母線過電壓、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、SVPWM信號防直通保護(hù)等。圖中，故障檢測模塊LI由信號采集、比較判斷、故障信號信號輸出等電路構(gòu)成，實時監(jiān)測主電路電壓、電流幅值，一旦電路出現(xiàn)過壓、過流、欠壓等故障立即輸出故障信號e，經(jīng)過信號處理模塊L2將出現(xiàn)的各類故障信號歸并為單一的故障信號d2輸送到隔離驅(qū)動電路O的故障保護(hù)引腳中，觸發(fā)驅(qū)動電路停止 工作；另一方面該隔離驅(qū)動電路O設(shè)計了防止同一橋臂驅(qū)動信號同時導(dǎo)通的故障保護(hù)功能，一旦任意一對信號同時為高電平即將導(dǎo)致同一橋臂同時導(dǎo)通時，輸出直通故障信號dl至故障處理模塊L2 ;故障處理模塊L2將所有的硬件故障匯集成單一的故障信號f輸送到光耦隔離電路L3中，輸出信號b連接至芯片CPUl的功率保護(hù)引腳，一旦出現(xiàn)故障立即觸發(fā)芯片CPUl故障保護(hù)，停止輸出SVPWM驅(qū)動信號，逆變橋停止工作，電機(jī)停機(jī)，等待維修。電壓跌落保護(hù)功能:
電機(jī)正常啟動后，通過獨立的具有隔離電壓采樣功能的三相電壓檢測模塊U與芯片CPU2相連，可以實時監(jiān)測網(wǎng)側(cè)電壓，以判斷是否發(fā)生電壓跌落故障。電壓信號檢測模塊U將交流電壓縮小至芯片CPU2最大采樣電壓范圍內(nèi)并進(jìn)行線性隔離，確保經(jīng)軟件程序同比例放大后能夠得到準(zhǔn)確的實際值。在芯片CPU2中內(nèi)部燒寫了自行編寫的智能算法以對采樣電壓信號h進(jìn)行處理，辨識電壓跌落發(fā)生的起止時刻。判斷的方法有兩種:①計算實時采樣的交流電壓信號的有效值或可直接測量整流后直流母線電壓，若有效值或母線電壓低于80%Un，電壓跌落的判斷程序在CPU2中實現(xiàn) ’②編寫基于小波包與智能控制算法相結(jié)合的電壓跌落特征量檢測算法的軟件程序，從采樣的交流電壓中提取電壓跌落的特征值，判斷電壓跌落發(fā)生的起止時刻，以便即時采取保護(hù)措施。后備電源X由多個超級電容Xl串聯(lián)后再并聯(lián)構(gòu)成，以滿足主電路對電容容量的需求，但是單體電容的容量、初始電壓、內(nèi)阻都不會完全相同，每個電容充滿電的時間也不同，因此有必要設(shè)計防止過電壓充電的均壓電路Y1，均壓電路Yl —方面保證了每一個串聯(lián)的電容承受的電壓一致，同時保證了電容在充電過程中不會超過設(shè)定的電壓值。當(dāng)芯片CPU2檢測到電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，后備電源及時投入主電路，從6，7端接入，提供足夠的電壓給逆變橋，使得電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)不受影響。后備電源放電電路采用的是升壓放電的形式，圖中基于直流升壓Boost電路的充電模塊N由儲能電路Z16、開關(guān)管Z17、續(xù)流電路Z20構(gòu)成。電壓跌落時，芯片CPU2輸出驅(qū)動信號P經(jīng)隔離驅(qū)動模塊Z15觸發(fā)第一開關(guān)管Z14導(dǎo)通，接通放電回路；后備電源電壓檢測回路Z2，Z3采樣后備電源電壓值，反饋至占空比計算程序段中與主電路所需的直流電壓(AC380V場合，UDC=540V)進(jìn)行比較換算，確定PWM驅(qū)動信號的占空比，為避免強(qiáng)電對微處理器的干擾，影響程序的執(zhí)行，輸出的驅(qū)動信號i觸發(fā)光耦隔離驅(qū)動電路Z19，使其副邊輸出對應(yīng)的電平，控制第二開關(guān)管Z17工作，從6，7端輸出提升后的電壓至主電路正常的工作電壓，保證電壓跌落時電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)芯片CPU2監(jiān)測到電網(wǎng)電壓跌落故障恢復(fù)正常時，驅(qū)動信號P跳變?yōu)榈碗娖?，切斷放電回路，同時停止發(fā)送升壓電路PWM驅(qū)動信號，升壓電路停止工作。同時，在芯片CPU2中燒寫了電壓跌落保護(hù)時間可調(diào)的軟件程序，可設(shè)置最大的電壓保護(hù)時間tx，程序中初始默認(rèn)t0=lmin。若電壓跌落時間小于tx且芯片CPU2檢測到供電電壓恢復(fù)正常，則后備電源停止對主電路供電；若電壓跌落持續(xù)時間超過保護(hù)的最大時間時，芯片CPU2控制充電電路停止工作，同時發(fā)送信息至芯片CPUl中，控制整機(jī)停止工作。

IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:電壓驟減持續(xù)時間通常在IOms和Imin之間，幅值在標(biāo)稱電壓的90% 1%之間。電網(wǎng)電壓在正常狀態(tài)時，后備電源檢測電路Ζ2、Ζ3周期性的檢測電量，以確保后備電源電量充足，芯片CPU2—旦檢測到后備電源電壓不足時，立即接通充電回路。后備電源充電回路采用降壓Buck充電模式，由Ζ12、Ζ13、Ζ9、Ζ10、Ζ11構(gòu)成，根據(jù)主電路電壓與后備電源最大的充電電壓比值確定降壓電路開關(guān)管PWM驅(qū)動信號I占空比，芯片CPU2輸出的驅(qū)動信號I經(jīng)隔離驅(qū)動與保護(hù)電路Ζ13，Ζ12觸發(fā)開關(guān)管Ζ9工作，降低充電電壓。后備電源充電方式采用恒流與恒壓充電相結(jié)合的工作方式。開始充電時，采用恒流充電的形式，通過軟件程序發(fā)送觸發(fā)信號驅(qū)動恒流充電回路CC工作；在芯片CPU2的軟件程序中預(yù)先設(shè)定最大的充電電壓，同時周期檢測后備電源電壓，在后備電源電壓未達(dá)到限值時始終置驅(qū)動信號m為高電平，經(jīng)隔離控制電路Z7觸發(fā)半導(dǎo)體開關(guān)器件Z5始終導(dǎo)通，恒流充電回路CC持續(xù)工作；一旦芯片CPU2采樣到的電源電壓值達(dá)到設(shè)定限值時，接通恒壓充電回路CV ;此時，驅(qū)動信號η為高電平，經(jīng)隔離控制電路Ζ8觸發(fā)半導(dǎo)體開關(guān)Ζ6導(dǎo)通，恒壓充電回路開始工作，同時設(shè)置驅(qū)動信號m為低電平，切斷恒流充電回路；恒壓充電的過程中，芯片CPU2通過電流采樣電路Zl將充電電流轉(zhuǎn)化成電壓在經(jīng)過信號調(diào)理與隔離模塊TA周期采樣后，充電回路判斷充電電流是否接近最低值，一旦滿足要求，即可判定后備電源充滿電，芯片CPU2停止發(fā)送驅(qū)動信號n，切斷恒壓充電回路，同時停止發(fā)送降壓電路PWM驅(qū)動信號1，充電回路停止工作。上述可知，整個裝置包含兩個CPU，而硬件顯示IXD、上位機(jī)直接與芯片CPUl通信，因此為了能夠?qū)崿F(xiàn)在LCD以及上位機(jī)監(jiān)控平臺上上觀察后備電源電量等信息，減少硬件的復(fù)雜性，有必要通過相應(yīng)的通信手段實現(xiàn)芯片CPUl與芯片CPU2之間的信息傳輸，在二者之間設(shè)置協(xié)議(SPI)，芯片CPU2能夠在后備電源狀態(tài)改變的時候?qū)⑵涔ぷ鳡顟B(tài)(充電、放電、電量、是否發(fā)生電壓跌落等信息)發(fā)送信息至芯片CPUl中，再經(jīng)芯片CPUl處理后在IXD上顯示。圖中COM為上位機(jī)監(jiān)控平臺，包括永磁電動機(jī)監(jiān)控界面和后備電源監(jiān)測界面。在永磁同步電動機(jī)監(jiān)控界面上，能夠?qū)崟r觀測到由芯片CPUl傳送到的電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速曲線、轉(zhuǎn)向、主電路電流曲線、電壓曲線，是否發(fā)生電壓跌落等，同時可通過上位機(jī)發(fā)送控制命令至芯片CPUl中，從而控制電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；后備電源監(jiān)測平臺可以觀察到后備電源電量、充電電流、充電電壓等。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵 蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有電壓驟降保護(hù)的永磁電動機(jī)控制器，其特征在于:包括三相整流模塊(A)、濾波電路(D)、三相電壓檢測模塊(U)、高頻變壓器(Y)、電壓提取電路(G)、電流互感器(K1)、信號調(diào)理電路(K2)、隔離驅(qū)動電路(O)、故障檢測模塊(LI)、信號處理隔離模塊(L)、后備電源充電回路(Z)、后備電源電壓檢測電路(Z2)、隔離型線性采樣電路(Z3)、光耦隔離驅(qū)動電路(Z19)、恒流充電回路(CC)、充電電流檢測電路(Al)、上位機(jī)監(jiān)控平臺(COM)、恒壓充電回路(CV)、逆變橋保護(hù)電路(Ml)、高頻開關(guān)電源(W)、濾波電容及其均壓電路(F)、軟啟動電路(B)、指示電路(H)、后備電源(X)、制動電路(I)、比較驅(qū)動電路(E)、后備電源放電電路(N)、第一開關(guān)控制電路(Tl)、第二開關(guān)控制電路(T2)、第一中央控制模塊(Ul)以及第二中央控制模塊(U2);三相交流電壓經(jīng)三相整流模塊(A)的輸出一路作為所述高頻開關(guān)電源(W)的輸入，該高頻開關(guān)電源(W)為電動機(jī)變頻控制及電壓跌落保護(hù)的實現(xiàn)供電，另一路的一端與所述軟啟動電路(B)的輸入端連接；該軟啟動電路的輸出端與所述所述電壓信號檢測模塊(U)將三相交流電壓按比例縮小后輸入到第二中央控制模塊(U2)中；所述第二中央控制模塊(U2)的一輸出端與所述后備電源充電回路(Z)連接，所述后備電源充電回路(Z)的輸出端一路經(jīng)第一開關(guān)控制電路(Tl)與所述恒流充電回路(CC)連接，另一路經(jīng)第二開關(guān)控制電路(T2 )與所述恒壓充電回路(CV)連接；所述的后備電源(X)的正極與所述恒壓充電回路(CV)的輸出端連接；所述后備電源電壓檢測電路(Z2)與所述隔離型線性采樣電路(Z3)連接，并采樣后備電源(X)的電壓值反饋至所述第二中央控制模塊(U2);所述后備電源(X)的正極與第一開關(guān)管(Z14)連接，且第一開關(guān)管(Z14)的發(fā)射極與后備電源放電電路(N)連接；所述的后備電源放電回路(N)輸出端正極與端子6連接，后備電源(X)負(fù)極與端子5連接；所述軟啟動電路(B)輸出端正極與三相整流模塊(A)輸出端正極之間并接電容器組及其均壓電路(F)、電壓提取電路(G)、指示電路(H)、制動電路(I)、逆變器(M);所述的電壓提取電路(G)的輸出一路經(jīng)信號比較與隔離驅(qū)動電路(C)與所述軟啟動電路(B)控制端連接，另一路經(jīng)比較驅(qū)動電路(E)與所述制動電路(I)的控制端連接；所述的第一中央控制模塊(Ul)通過電流互感器(J1、K1)以及位置檢測模塊(EN)采集母線電流值、電機(jī)三相電流和電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速；該第一中央控制模塊(Ul)還連接有上位機(jī)(COM)和隔離驅(qū)動電路(0)，并與所述第二中央控制模塊(U2)通訊；所述隔離驅(qū)動電路(O)與所述逆變器(M)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有電壓驟降保護(hù)的永磁電動機(jī)控制器，其特征在于:所述的高頻開關(guān)電源(W)包括一濾波電路(D)、高頻變壓器(Y)、開關(guān)電源芯片(S)、MOSFET管(Q)、反饋電路(T)、過壓過流檢測電路(R3)、限流電路(Rl)和瞬態(tài)抑制器(R2);所述濾波電路(D)將權(quán)利要求1所述三相整流模塊(A)兩端輸出的脈動的直流電壓轉(zhuǎn)換成較穩(wěn)定的直流電壓，其正極接至高頻變壓器(Y)初級繞組的異名端，所述開關(guān)電源芯片(S)的源極接至高頻變壓器(Y)初級繞組的同名端；所述開關(guān)電源芯片(S)的漏極端串聯(lián)MOSFET管(Q);當(dāng)開關(guān)電源芯片(S)內(nèi)置的MOS管導(dǎo)通時，MOSFET管(Q)的源極電壓為低電平，使MOSFET管(Q)導(dǎo)通；當(dāng)開關(guān)電源芯片(S)內(nèi)置的MOS管截止時，MOSFET管(Q)截止；限流電路(R1)，起限流作用；瞬態(tài)抑制器(R2)，限制MOSFET管(Q)上分壓量低于其耐壓值；所述信號檢測電路(R3)檢測三相整流模塊(D)輸出的電壓；所述的高頻變壓器(Y)的輸入端設(shè)置有箝位電路(P);所述反饋電路(T)反饋所述高頻變壓器(Y)的副邊輸出電壓是否正常從而調(diào)節(jié)開關(guān)電源芯片(S)工作的占空比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有電壓驟降保護(hù)的永磁電動機(jī)控制器，其特征在于:所述的第一中央控制模塊(Ul)包括一中央處理芯片(CPUl)以及與該中央處理芯片連接的IXD、按鍵電路(KB)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有電壓驟降保護(hù)的永磁電動機(jī)控制器，其特征在于:所述軟啟動電路(B)由IGBT管(BI)、限流模塊(B3)和第一保護(hù)電路(B2)組成，所述限流模塊(B3)的一端與所述IGBTl管(BI)的集電極和三相整流模塊(A)的一輸出端連接，另一端與所述IGBTl管(BI)的發(fā)射極和第一保護(hù)電路(B2)的輸入端連接；所述保護(hù)電路(B2)的輸出端作為所述軟啟動電路的輸出端；所述信號比較與隔離驅(qū)動電路(C)的輸出端與所述IGBTl管(BI)的柵極連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有電壓驟降保護(hù)的永磁電動機(jī)控制器，其特征在于:所述后備電源(X)由多個超級電容串聯(lián)后再并聯(lián)構(gòu)成，且該后備電源(X)還設(shè)置有均壓均流電路(Y)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有電壓驟降保護(hù)的永磁電動機(jī)控制器，其特征在于:所述后備電源充電回路(Z)包括保護(hù)電路(Z12)、隔離驅(qū)動電路(Z13)、開關(guān)管(Z9)、儲能電路(Z10)、續(xù)流電路(Zll);所述第二中央控制模塊(U2)輸出的驅(qū)動信號(I)經(jīng)隔離驅(qū)動保護(hù)電路(Z13、Z12)觸發(fā)開關(guān)管(Z9)工作，以降低后備電源的充電電壓； 所述后備電源放電回路(N)包括保護(hù)電路(Z18)、第一隔離驅(qū)動電路(Z15)、第二隔離驅(qū)動電路(Z19)、第一開關(guān)管(Z14)、第二開關(guān)管(Z17)、儲能電路(Z16)、續(xù)流電路(Z20);所述第二中央控制模塊(U2)輸出驅(qū)動信號(P)經(jīng)隔離驅(qū)動電路(Z15)觸發(fā)第一開關(guān)管(Z14)工作，對放電回路通電；所述第二中央控制模塊(U2)輸出驅(qū)動信號(i)經(jīng)隔離驅(qū)動及保護(hù)電路(Z18、Z19)觸發(fā) 第二開關(guān)管(Z17)工作，以提升后備電源電壓對主電路供電。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于電壓跌落保護(hù)的永磁同步電動機(jī)變頻控制裝置，該裝置不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對永磁同步電動機(jī)的變頻調(diào)速功能，而且還能自動實時檢測電網(wǎng)電壓狀況，通過編寫微處理器軟件程序，實現(xiàn)對電壓跌落發(fā)生起止時刻的判斷，保證電動機(jī)在電壓跌落發(fā)生時不影響電機(jī)運(yùn)行狀況。同時，可根據(jù)硬件按鍵及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定可調(diào)的電壓跌落保護(hù)時間。
文檔編號H02P27/06GK103227598SQ201310162108
公開日2013年7月31日 申請日期2013年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月6日
發(fā)明者許志紅, 蘇晶晶, 鄭乃清, 吳必瑞, 王洪濤 申請人:寧德師范學(xué)院