專利名稱：多功能電力電子控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電網(wǎng)與用戶負(fù)載之間設(shè)置的電力系統(tǒng)變換設(shè)備。具體地說是一種電力控制裝置。
電力控制技術(shù)隨著社會電氣化的進(jìn)程已越來越受到重視。為了保證負(fù)載安全、高效、低耗損的運(yùn)行，同時也為了節(jié)約電力和提高電網(wǎng)的質(zhì)量，人們設(shè)計(jì)了各種專用電源、電機(jī)啟動器、功率因數(shù)補(bǔ)償器等等電力控制裝置。特別是隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力控制裝置向著更高水平邁進(jìn)，已成為目前給配電技術(shù)中不可缺少的組成部分。但目前市場上的電力控制裝置功能單一，所控負(fù)載性質(zhì)固定，適用性差，其保護(hù)功能也不夠齊全，通常要購置不同型式的控制裝置造成設(shè)備利用率低，運(yùn)行管理費(fèi)用高，維護(hù)難度大。有的控制裝置引入全自動電腦技術(shù)結(jié)構(gòu)則太復(fù)雜，維修困難，特別是大容量電機(jī)啟動和變負(fù)載運(yùn)行過程、功率因數(shù)的調(diào)整和隨機(jī)調(diào)整技術(shù)還擺脫不了傳統(tǒng)的變?nèi)菁夹g(shù)。因而如何簡化設(shè)計(jì)，一機(jī)多用，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)而廉價的電力控制，節(jié)約電力已成為目前電力控制技術(shù)中十分關(guān)心的課題，特別是用電量較大的中小型企業(yè)。
本實(shí)用新型的目的即是提供一種新式的電力電子控制裝置，使其能通過簡單調(diào)整可以適應(yīng)不同性質(zhì)負(fù)載的配電要求和實(shí)現(xiàn)隨負(fù)荷的變化自動完成功率因數(shù)的調(diào)整和滿足高變化率的電力過渡過程，并實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行狀態(tài)下的自動保護(hù)。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)中主要包括以下幾個組成部分。(1)可調(diào)壓電子開關(guān)，該部分結(jié)構(gòu)在一般控制技術(shù)中常常采用，它設(shè)置在電網(wǎng)與用戶負(fù)載之間，通過調(diào)壓控制負(fù)載工作電壓的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)一系列的工作控制過程。(2)調(diào)壓觸發(fā)器，該部分結(jié)構(gòu)是調(diào)壓電子開關(guān)的執(zhí)行部分。由觸發(fā)器完成對電子開關(guān)的工作狀態(tài)調(diào)整，通常在采用可控硅做開關(guān)元件時，該部分采用脈沖式移向器來完成調(diào)節(jié)執(zhí)行功能。(3)控制調(diào)節(jié)器，常規(guī)技術(shù)是一個計(jì)算分析電路，它根據(jù)指令或信號分析計(jì)算出觸發(fā)器狀態(tài)模擬量，指令觸發(fā)器發(fā)出相應(yīng)的導(dǎo)通脈沖量。(4)控制矩陣，是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，是控制過程的管理部件，它采用可編程半導(dǎo)體二極管矩陣電路組成。根據(jù)不同負(fù)載，不同的運(yùn)行過程編程，從而決定調(diào)節(jié)電器3根據(jù)編程引入相應(yīng)的取樣控制量和指令信號及相應(yīng)的電壓、電流反饋信號做為調(diào)控模擬量的計(jì)算基礎(chǔ)。(5)功率因數(shù)跟蹤電路，該部分結(jié)構(gòu)主要是采樣電壓、電流信號，經(jīng)處理變成負(fù)載運(yùn)行時功率因數(shù)狀態(tài)參量，供調(diào)節(jié)器3做為控制參考值。(6)啟動過程控制電路，該部分電路主要是為大功率感性負(fù)載，主要是電機(jī)起動渡過程而設(shè)計(jì)的專用控制電路，可以實(shí)現(xiàn)電流為基準(zhǔn)的軟啟動過程，減少無功功率，提高電網(wǎng)質(zhì)量。(7)多功能保護(hù)電路，是為保證負(fù)載運(yùn)行過程中電網(wǎng)和用電器安全而設(shè)計(jì)的反饋信號采樣電路，它提供給調(diào)節(jié)器3或直接阻斷觸發(fā)脈沖、保證安全用電過程。以上7部分為本實(shí)用新型的主要結(jié)構(gòu)組成，其中功率因數(shù)跟蹤電路5直接從供電主線采取電壓、電流信號，并將計(jì)算出的cosφ轉(zhuǎn)化為控制模擬量輸至控制調(diào)節(jié)器3，多功能保護(hù)電路7將電負(fù)載運(yùn)行的信號采樣處理后送至控制矩陣4，啟動控制電路6將啟動轉(zhuǎn)運(yùn)行的信號送入控制矩陣4，再經(jīng)控制矩陣4輸出模擬電信號至控制調(diào)節(jié)器3，或直接輸出切換信號至調(diào)節(jié)觸發(fā)器2，由調(diào)節(jié)觸發(fā)器2再輸出移相調(diào)壓或切換信號至調(diào)壓電子開關(guān)1來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)工作電壓或切換總電源。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的目的是如何現(xiàn)的。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為主電路的原理圖。
圖3為調(diào)壓觸發(fā)器的接線原理圖。
圖4為控制調(diào)節(jié)器的電原理圖。
圖5為功率因數(shù)跟蹤電路原理圖。
圖6為控制矩陣原理圖。
圖7為啟動控制電路的電原理圖。
圖8為多功能保護(hù)電路實(shí)施例示意圖。
其中1代表可調(diào)壓電子開關(guān)，2代表調(diào)壓觸發(fā)器，3代表控制調(diào)節(jié)器，4代表控制矩陣，5代表功率數(shù)跟蹤電路，6代表啟動過程控制電路，7代表多功能保護(hù)電路。7A代表過流保護(hù)電路，7B代表相序保護(hù)電路，7C代表三相平衡保護(hù)電路。A、B、C代表三相電源線。
從圖2可以看出可調(diào)壓電子開關(guān)1為一組雙向可控硅(KP1－KP6)串接在電力線路中，其觸發(fā)極(G1－G6)接在調(diào)壓觸發(fā)器2的移相器的輸出端，雙向可控硅的導(dǎo)通角受觸發(fā)移相器的控制從而實(shí)現(xiàn)工作電壓的調(diào)節(jié)。
從圖3可以看出，調(diào)壓觸發(fā)器2具體采用六路雙脈沖可控硅觸發(fā)板KCZ6B，該板為定型產(chǎn)品，市場有售。其移相模抉量信號VY引控制調(diào)節(jié)器3輸出，觸發(fā)阻塞信號P4來自控制矩陣電路4，六路移相觸發(fā)信號(G1－G6)接電力電子開關(guān)1的可控硅觸發(fā)極。當(dāng)來自調(diào)節(jié)器的模擬量信號VY輸出后，經(jīng)觸發(fā)電路KCZ6B的運(yùn)算后即輸出移相觸發(fā)信號決定可控硅的導(dǎo)通角。當(dāng)來自保護(hù)電路7輸出保護(hù)指令時，自矩車單元即輸出阻塞信號P4可以迅速阻塞觸發(fā)信號使電力電子開關(guān)1切斷電源電路。
從圖4可以看出控制調(diào)節(jié)器3由運(yùn)算放大器IC201／2和IC201／3組成一個放大反相電路，來自功率因數(shù)跟蹤電路5輸出的功率因數(shù)狀態(tài)模擬信號K，標(biāo)準(zhǔn)控制電壓設(shè)定信號N，負(fù)載電流反饋信號m均加至IC201／2的13腳上，其中信號m來自各保護(hù)電路7并經(jīng)運(yùn)算放大器IC201／1處理后加載至IC201／2的13腳，移相控制電壓經(jīng)運(yùn)放IC201／3反相由8腳輸出送至觸發(fā)器2的移相控制端。從而當(dāng)功率因數(shù)狀態(tài)，或設(shè)定電壓值N變化時調(diào)節(jié)電路3即能輸出相應(yīng)的移相信號至觸發(fā)器2形成自動跟蹤式的調(diào)節(jié)。
本實(shí)用新型所特別設(shè)計(jì)的功率因數(shù)跟蹤電路5由四運(yùn)算放大器IC202搭成的電壓、電流采樣電路，異或門IC203，與門IC204，低通濾波器(R258、C208、C209、R236組成)及運(yùn)算放大器IC201／4組成的控制模擬量輸出電路組成，電壓采樣輸入通過電壓互感器輸出端T301、N301，電流采樣輸入通過電流互感器I14、GND接在電力線上，功率因數(shù)狀態(tài)模擬量信號自運(yùn)放IC201／4的7腳輸出至控制調(diào)節(jié)器3。功率因數(shù)由采樣結(jié)果計(jì)算出經(jīng)電路轉(zhuǎn)化為表明其功率因數(shù)值的狀態(tài)模擬量做為調(diào)節(jié)觸發(fā)器的依據(jù)進(jìn)入調(diào)節(jié)控制器3參加運(yùn)算，從而完整地實(shí)現(xiàn)動態(tài)跟蹤，并隨著功率因數(shù)的變化而調(diào)節(jié)電壓，可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)調(diào)整以保證本實(shí)用新型發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)。
圖7所給出的是啟動控制電路的一個參考電原理圖。從圖中可以看出啟動控制電路6為一四運(yùn)放IC601組成四級電流放大自動切換電路，和三極管V601組成觸發(fā)電路兩部分構(gòu)成，啟動電流信號經(jīng)電位器W601分壓后加入IC601／1的13腳，比較反相后觸發(fā)信號自IC601／4輸出經(jīng)二極管D602加在三極管V601的基極上，V601的負(fù)載為啟動控制繼電器K2。以上過程控制電路采用電流控制方式完成電機(jī)啟動過程中啟動與運(yùn)行的控制轉(zhuǎn)換，可以克服時間控制方式起動時間長短不能根據(jù)負(fù)載的功率進(jìn)行自由調(diào)節(jié)和隨機(jī)調(diào)整的缺點(diǎn)。電動機(jī)的啟動電壓可另設(shè)電路設(shè)定，其設(shè)定量輸入到控制矩陣4中。電動機(jī)運(yùn)行電壓設(shè)定量可由矩陣內(nèi)電阻R806、R816分壓值(如8V)確定。啟動電壓和運(yùn)行電壓在矩陣內(nèi)運(yùn)算后可直接輸出至調(diào)節(jié)控制器3參加模擬量運(yùn)算(I4)。根據(jù)設(shè)定電壓量來最后決定電機(jī)端電壓。啟動控制電路受控于啟動電流，當(dāng)啟動時，起動電流高于額定電流，電路工作當(dāng)起動電流減少到某數(shù)值(由W601設(shè)定)自動轉(zhuǎn)為運(yùn)行。
下面分析一下工作過程當(dāng)按下啟動按鈕SB801時，電動機(jī)在低于額定電壓下啟動，這時啟動電流信號由穩(wěn)壓二極管K603輸入，使電壓比較器IC601／1的13腳電壓高于門限電壓，IC601／1的14腳變?yōu)榈碗娖剑?jīng)反相器IC602／28腳正跳變?yōu)楦唠娖?，因IC601／3構(gòu)成的啟動電流鑒別電路為負(fù)脈沖觸發(fā)，此時受觸發(fā)記憶IC601／3的1腳電位不變?nèi)詾楦唠娖?，?jīng)反相器IC601／4的7腳電壓仍為低電平，當(dāng)電動機(jī)的起動電流逐漸下降到某一值時，IC60的13腳電流信號電壓剛好低于電壓比較器IC601的12腳電壓，IC601／2的8腳上跳為低電平，此低電平經(jīng)電容C602、電阻R612微分，觸發(fā)IC601／3，其1腳瞬間變?yōu)榈碗娖?，因此IC601／4的1腳瞬間變?yōu)楦唠娖?，?jīng)二極管K602送入三極管V601基極，啟動控制繼電器K2得電動作，其常閉點(diǎn)K2(在矩陣電路)斷開，經(jīng)矩陣運(yùn)算后使運(yùn)行繼電器KY動作，電機(jī)這時工作在運(yùn)行設(shè)定電壓，即工作在額定電壓(380V)，從而完成了電動機(jī)的啟動控制。
圖6給出了本實(shí)用新型又一設(shè)計(jì)關(guān)鍵控制矩陣4的一個實(shí)施例。為一個可編程控制矩陣，即半導(dǎo)體二極管矩陣運(yùn)算器，由15條列線(Y)和25行線(X)構(gòu)成矩陣列，運(yùn)算信號或指令自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟動機(jī)構(gòu)的啟動繼電器KQ和運(yùn)行繼電器KY分別由X6、X9行引出，運(yùn)算信號為啟動控制路6的繼電器K2的常閉，保護(hù)電路7的繼電器K1的常開和常閉，啟動繼電器KQ的常閉和常開，運(yùn)行繼電路KY的常開和常閉，啟動鈕SB801的常閉，停止鈕SB802的常開，根據(jù)不同的控制要求在相應(yīng)的行(X)、列(Y)交點(diǎn)上焊上二極管。當(dāng)按下啟動鈕SB801時，列線Y1就會變?yōu)楦唠娖?，行線X6變?yōu)楦唠娖絾永^電器KQ1就會吸合，其常閉觸點(diǎn)KQ1斷開，列線Y2變?yōu)楦唠娖?，X6仍為高電平，啟動繼電器KY自保。這時KQ常開閉合，Y12變?yōu)榈碗娖剑蜷_觸發(fā)器的控制門使觸發(fā)器能工作。矩陣、因常閉點(diǎn)KQ斷開、Y10變?yōu)楦唠娖?，并?jīng)I4輸出到調(diào)節(jié)器，此時電動機(jī)在低電壓下工作(即起動電壓)。當(dāng)起動電流低于某一值時，啟動控制繼電器K2的常閉點(diǎn)瞬時斷開，Y4變?yōu)楦唠娖?，X9線變?yōu)楦唠娖剑\(yùn)行繼電器線圈得電吸合，其常閉點(diǎn)KY斷開，常開點(diǎn)KY閉合，此時列線Y5變?yōu)楦唠娖?，X9仍為高電平，運(yùn)行繼電器自保。因KY的常開閉合，Y2變?yōu)榈碗娖?，啟動繼電器失電復(fù)位。因KY的常閉點(diǎn)斷開，列線Y6變?yōu)楦唠娖剑⒔?jīng)I4輸出到調(diào)節(jié)器3，此時運(yùn)行設(shè)定電壓為8V。即電動機(jī)工作在額定電壓。啟動轉(zhuǎn)運(yùn)行后若負(fù)載功率因數(shù)低，功率因數(shù)跟蹤便同運(yùn)行，電壓設(shè)定比較運(yùn)算。
停機(jī)當(dāng)按停止按鈕SB802時，Y5變?yōu)榈碗娖?，運(yùn)行繼電器KY失電復(fù)位。
當(dāng)保護(hù)繼電器K1動作時，其常開點(diǎn)閉合，Y5也變?yōu)榈碗娖剑\(yùn)行繼電器KY失電復(fù)位(這時啟動繼電器也不能工作)。
重新編程。當(dāng)需要改變電動機(jī)的控制方式或控制變壓器、工業(yè)爐窯等負(fù)載時，則可很容易的將原程序改變，即改變矩陣內(nèi)二極管的在行列線的位置，從而滿足不同負(fù)載控制方式的需要，不需要改變原線路的二次配線和其它結(jié)構(gòu)。
圖8所給出的是多功能保護(hù)電路7、過流保護(hù)電路7A、相序保護(hù)電路7B、和三相平衡保護(hù)電路7C，三部分電路結(jié)構(gòu)比較常規(guī)，特別適用于本設(shè)計(jì)的是三部分電路并連接至執(zhí)行繼電器K1為負(fù)載的觸發(fā)電路中，并通過K1的觸點(diǎn)直接將封鎖移相脈沖觸發(fā)信號的指令經(jīng)控制矩陣4P(4)送入調(diào)壓觸發(fā)器2的輸入端。
按以上基本結(jié)構(gòu)電路所制成的電力電子控制裝置，能有機(jī)地將多種電力控制器的單一功能結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制過程，并能實(shí)現(xiàn)隨負(fù)載功率變化和運(yùn)行狀態(tài)起伏而隨機(jī)調(diào)整電壓值保證功率因數(shù)的穩(wěn)定，經(jīng)連續(xù)工業(yè)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明性能穩(wěn)定、節(jié)電效果顯著，特別是控制電機(jī)負(fù)載具有起動快，力矩大，起動平穩(wěn)，對電網(wǎng)沖擊小，功率因數(shù)穩(wěn)，各種齊備的保護(hù)功能使裝置運(yùn)行的安全系數(shù)大大提高，是目前較理想的綜合電力控制設(shè)備。
權(quán)利要求1.一種多功能電力電子控制裝置，由可調(diào)壓電子開關(guān)1、調(diào)壓觸發(fā)器2、控制調(diào)節(jié)器3組成，其特征在于本裝置還設(shè)置有控制矩陣4、功率因數(shù)跟蹤電路5、啟動過程控制電路6和多功能保護(hù)電路7，其中功率因數(shù)跟蹤電路5直接從供電主線采取電壓、電流信號，并將計(jì)算出的cosφ轉(zhuǎn)化為控制模擬量輸至控制調(diào)節(jié)器3，多功能保護(hù)電路7將電負(fù)載運(yùn)行的信號采樣處理后送至控制矩陣4，啟動控制電路6將啟動轉(zhuǎn)換信號也送至控制矩陣4，再由控制矩陣4輸出模擬電信號至控制調(diào)節(jié)器3，或直接出切換信號至調(diào)壓觸發(fā)器2，由觸發(fā)器2再輸出移相調(diào)壓或切換信號至電子開關(guān)1來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)工作電壓或切換總電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的電力電子控制裝置，其特征在于可調(diào)壓電子開關(guān)1為一組雙向可控硅(KP1－KP6)串接在電力線路中，其觸發(fā)極(G1－G6)接至調(diào)壓觸發(fā)器2的移相器的輸出端上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的電力電子控制裝置，其特征在于調(diào)壓觸發(fā)器2具體采用六路雙脈沖可控硅觸發(fā)板KCZ6B，其移相擬量信號VY引自控制調(diào)節(jié)器3輸出，觸發(fā)阻塞信號P4引自于控制矩陣電路4，六路移相觸發(fā)信號接至調(diào)壓電子開關(guān)1的可控硅觸發(fā)極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說的電力電子控制裝置，其特征在于控制調(diào)節(jié)器3由運(yùn)算放大器IC201／2和IC201／3組成放大反相電路，來自功率因數(shù)跟蹤電路5輸出的功率因數(shù)狀態(tài)模擬信號K，標(biāo)準(zhǔn)控制電壓設(shè)定信號N，用電負(fù)載電流反饋信號m均加在運(yùn)算放大器IC201／2的13腳上，其中信號m來自各保護(hù)電路7并通過運(yùn)算放大器IC201／1處理后加載至IC201／2的13腳，移相控制電壓經(jīng)運(yùn)放IC201／3反相由8腳輸出送至觸發(fā)器2的移相控制端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說的電力電子控制裝置，其特征在于功率因數(shù)跟蹤電路5由四運(yùn)算放大器IC202搭成的電壓、電流采樣電路，異或門IC203，與門IC204，低通濾波器(R258、C208、C209、R236組成)及運(yùn)算放大器IC201／4組成的控制模擬量輸出電路組成，電壓采樣輸入通過電壓互感器，電流采樣輸入通過電流互感器接至電力線上，功率因數(shù)狀態(tài)模擬量信號自運(yùn)放IC201／4的7腳輸出至控制調(diào)節(jié)器3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所說的電力電子控制裝置，其特征在于控制矩陣4為一可編程控制矩陣，即半導(dǎo)體二極管矩陣運(yùn)算器，由15條列線(Y)和25行線(X)構(gòu)成矩陣列，運(yùn)算信號或指令自行線引入，執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動繼電器KQ和運(yùn)行繼電器KY分別由X6、X9行線引出，運(yùn)算信號為啟動控制路6的繼電器K2的常閉、保護(hù)電路7的繼電器K1的常開和常閉，啟動繼電器KQ的常閉和常開，運(yùn)行繼電路KY常開和常閉，啟動鈕SB801的常閉，停止鈕SB802的常開，根據(jù)不同的控制要求在相應(yīng)X、Y交點(diǎn)焊上二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所說的電力電子控制裝置，其特征在于啟動控制電路6為四運(yùn)放IC601組成四級電流放大自動切換電路，和三極管V601組成觸發(fā)電路兩部分構(gòu)成，啟動電流信號經(jīng)電位器W601分壓后加入IC601／1的13腳，比較反相后觸發(fā)信號自IC601／4輸出經(jīng)二極管D602加在三極管V601的基極上，V601的負(fù)載為啟動控制繼電器K2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所說的電力電子控制裝置，其特征在于多功能保護(hù)電路7由過流保護(hù)電路7A、相序保護(hù)電路7B、和三相平衡保護(hù)電路7C三部分電路并連接至執(zhí)行繼電器K1為負(fù)載的觸發(fā)電路中，通過K1的觸點(diǎn)直接將封鎖移相脈沖觸發(fā)信號的指令經(jīng)控制矩陣X15送入調(diào)壓觸發(fā)器2的輸入端。
專利摘要本實(shí)用新型是一種多功能電力電子控制裝置，該裝置結(jié)構(gòu)中包括調(diào)壓電子開關(guān)1，調(diào)壓觸發(fā)器2、調(diào)節(jié)控制器3、可編程控制矩陣4、功率因數(shù)自動跟蹤電路5、啟動過程控制電路6、多功能保護(hù)電路7七部分組成，功率因數(shù)跟蹤電路能將在線功率因數(shù)變成控制模擬量，隨機(jī)實(shí)現(xiàn)對負(fù)載工作電壓的調(diào)整，并且控制過程可根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)及特點(diǎn)編程，適用性大，控制對象范圍大、安全、平穩(wěn)、節(jié)電明顯。是目前較全功能的電力系統(tǒng)變換控制設(shè)備。
文檔編號H02M5/02GK2198715SQ94208489
公開日1995年5月24日 申請日期1994年4月20日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月20日
發(fā)明者李永明, 趙紅松, 王貴勇, 武義林 申請人:李永明