專利名稱：一種三相大功率變頻電源及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相大功率變頻電源及其工作方法，屬于變頻電源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
變頻電源是將市電中的交流電經(jīng)過(guò)AC — DC — AC變換，輸出為正弦波的電源設(shè)備，其輸出頻率和電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)，主要采用IGBT或IPM逆變技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其PWM控制波形的產(chǎn)生和控制方法是首先采用信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生頻率和幅值一定的標(biāo)準(zhǔn)正弦波， 然后通過(guò)頻率和幅值一定的載波(一般為三角波或鋸齒波)對(duì)正弦波進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生 PWM控制波形，驅(qū)動(dòng)逆變電路實(shí)現(xiàn)變頻輸出。而對(duì)變頻電源輸出電壓的控制則通過(guò)輸出電壓反饋信號(hào)與給定基準(zhǔn)電壓信號(hào)的負(fù)反饋電路實(shí)現(xiàn)。由于變頻電源工作的電磁環(huán)境惡劣，且內(nèi)部使用了整流橋、IGBT等電力電子開(kāi)關(guān)器件，變頻電源在工作時(shí)自身也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，特別是三相大功率變頻電源 (60KVA以上)在運(yùn)行時(shí)的電磁干擾更加嚴(yán)重，在嚴(yán)重的電磁干擾環(huán)境下，變頻電源的標(biāo)準(zhǔn)正弦波、載波、基準(zhǔn)電壓信號(hào)以及反饋信號(hào)等模擬信號(hào)易受到干擾而使變頻電源產(chǎn)生誤動(dòng)作，甚至引起變頻電源的損壞。同時(shí)變頻電源的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，近年來(lái)在大功率電機(jī)領(lǐng)域，由于變頻電源輸出電壓的穩(wěn)定性和實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)環(huán)保性，越來(lái)越多的用戶選擇變頻電源取代發(fā)電機(jī)，為電機(jī)負(fù)載提供動(dòng)力。但由于電機(jī)的負(fù)載特性較為復(fù)雜，現(xiàn)有變頻電源的控制方法對(duì)電機(jī)負(fù)載的適應(yīng)性不強(qiáng)。在電機(jī)的變頻啟動(dòng)應(yīng)用中，要求變頻電源的輸出電壓頻率比恒定，即V/F = C(常數(shù))。且由于電機(jī)特性復(fù)雜，往往需要根據(jù)電機(jī)的特性參數(shù)確定電機(jī)啟動(dòng)的V/F曲線，現(xiàn)有的變頻電源電壓和頻率不能同時(shí)調(diào)節(jié)，或者不能對(duì)輸出V/F曲線進(jìn)行控制，不能實(shí)現(xiàn)變頻啟動(dòng)。啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，往往采用直接啟動(dòng)的方式，需要較大容量的變頻電源(一般為電機(jī)額定功率的7倍)，不但造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，而且造成對(duì)電網(wǎng)的污染。變頻器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的變頻控制，但由于變頻器的輸出電壓波形不是正弦波，諧波含量較高，波形質(zhì)量較差，一般只應(yīng)用于電機(jī)的變頻調(diào)速控制，在綜合性負(fù)載供電場(chǎng)合，如電機(jī)、照明、設(shè)備、儀表等的應(yīng)用場(chǎng)合，變頻器會(huì)對(duì)儀表設(shè)備造成很大的干擾，使儀表設(shè)備無(wú)法正常工作，因而變頻器的應(yīng)用范圍受到很大限制。由于變頻電源采用PWM逆變方式，輸出電壓中包含有一定的高頻諧波成分，其頻譜以載波為基波，當(dāng)高頻諧波頻譜與電機(jī)固有頻率接近時(shí)形成共振，會(huì)引起電機(jī)的振動(dòng)，影響電機(jī)特性，降低電機(jī)使用壽命。現(xiàn)有的變頻電源無(wú)法解決該問(wèn)題，或者只能有針對(duì)性地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，更改內(nèi)部硬件電路進(jìn)行處理，處理方案不易實(shí)施且不具有普遍性和可重復(fù)性。專利200710098692. 8采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)，該技術(shù)僅適合于電機(jī)的速度控制，其輸出電壓波形失真度大，不適合其他負(fù)載應(yīng)用，具有局限性。專利 200710098692. 8的逆變電路輸出沒(méi)有電氣隔離，存在安全隱患，當(dāng)逆變電路故障時(shí)，電網(wǎng)電壓通過(guò)整流橋、整流輸入慢啟動(dòng)電路、逆變電路、負(fù)載(電機(jī))形成回路，危害操作人員的安全。專利200710098692. 8的整流電路采用整流橋?qū)崿F(xiàn)，在大功率應(yīng)用中，由于整流橋電路的功率因數(shù)較低(一般為0.6左右)，諧波電流大，對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成嚴(yán)重的污染，并干擾電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常運(yùn)行。專利200710098692. 8沒(méi)有逆變輸出電壓和電流的檢測(cè)反饋電路和控制算法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。專利200720064002. 2為一單相輸出高壓電源，其技術(shù)方案不能實(shí)現(xiàn)三相電源輸
出。并且存在著濾波電路復(fù)雜，包含了變壓器、電抗器、電阻、電容等多種元件，因而可靠性低，功率損耗大，不適合大功率應(yīng)用?？傊?，現(xiàn)有變頻電源，特別是三相大功率變頻電源，存在以下缺點(diǎn)和不足1、抗干擾能力差，易受到干擾而使變頻電源產(chǎn)生誤動(dòng)作，甚至引起變頻電源的損壞。2、不能控制輸出V/F曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻啟動(dòng)。3、難以解決因共振而引起的電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種三相大功率變頻電源及其工作方法。本發(fā)明通過(guò)對(duì)變頻電源輸出電壓和電流信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣與處理分析，調(diào)節(jié)變頻電源的PWM控制波形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻電源輸出的快速調(diào)節(jié)和對(duì)負(fù)載的實(shí)時(shí)響應(yīng)，特別適用于大功率電機(jī)負(fù)載。本發(fā)明通過(guò)對(duì)變頻電源輸出電壓和電流信號(hào)的矢量分析，根據(jù)電機(jī)啟動(dòng)特性實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變頻電源輸出的V/F曲線，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻啟動(dòng)；根據(jù)對(duì)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)在頻域的傅里葉變換與分析，識(shí)別電機(jī)是否有振動(dòng)及其振動(dòng)頻率，并在一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整變頻電源的載波頻率，不需要復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試即可避開(kāi)電機(jī)的固有頻率，防止電機(jī)振動(dòng)的發(fā)生。一種三相大功率變頻電源，包括三相電網(wǎng)輸入電路、整流電路、逆變單元、輸出變壓器、直流母線監(jiān)測(cè)電路、逆變驅(qū)動(dòng)電路、逆變輸出監(jiān)測(cè)電路、變壓器輸出監(jiān)測(cè)電路、輸出開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、變頻電源輸出監(jiān)測(cè)電路、數(shù)字信號(hào)處理器DSP、鍵盤與顯示電路、通訊電路、振動(dòng)檢測(cè)電路和保護(hù)電路；三相電網(wǎng)輸入電路與整流電路連接，整流電路通過(guò)軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、軟啟動(dòng)限流電阻和直流母線電容與逆變單元連接，軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、軟啟動(dòng)限流電阻和直流母線電容同時(shí)通過(guò)直流母線監(jiān)測(cè)電路與數(shù)字信號(hào)處理器DSP連接；逆變單元與輸出變壓器連接，同時(shí)通過(guò)逆變驅(qū)動(dòng)電路與數(shù)字信號(hào)處理器DSP連接；輸出變壓器通過(guò)輸出開(kāi)關(guān)與電源輸出端連接，輸出變壓器的輸入端和輸出端分別通過(guò)逆變輸出監(jiān)測(cè)電路和變壓器輸出監(jiān)測(cè)電路與數(shù)字信號(hào)處理器DSP連接，輸出開(kāi)關(guān)通過(guò)輸出開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路與數(shù)字信號(hào)處理器DSP 連接；電源輸出端通過(guò)變頻電源輸出監(jiān)測(cè)電路與數(shù)字信號(hào)處理器DSP連接；鍵盤與顯示電路、通訊電路、振動(dòng)檢測(cè)電路和保護(hù)電路分別與數(shù)字信號(hào)處理器DSP連接。所述的直流母線監(jiān)測(cè)電路，由光電耦合器U1A、U1B和運(yùn)算放大器U2A、U2B以及若干電阻、電容、二極管組成，直流母線電壓信號(hào)經(jīng)UlB進(jìn)行光電隔離，由UlA和U2A組成線性補(bǔ)償電路對(duì)UlB的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，然后經(jīng)U2B電壓跟隨器連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP的 ADC輸入口 ；其中U1A、U1B的型號(hào)為TLP521，U2A和U2B的型號(hào)為0058。所述的變頻電源輸出監(jiān)測(cè)電路包括輸出電壓信號(hào)監(jiān)測(cè)電路和輸出電流信號(hào)監(jiān)測(cè)電路；其中輸出電壓信號(hào)監(jiān)測(cè)電路由電壓互感器Tl、運(yùn)算放大器U3以及電阻、電容組成；輸出電壓信號(hào)經(jīng)Tl進(jìn)行電氣隔離，U3組成的差分放大電路放大后，連接至數(shù)字信號(hào)處理器 DSP的ADC輸入口 ；R8、R9起限流作用，RlO為輸出電壓信號(hào)取樣電阻，C3起濾波作用；U3與 R11、R12、R13、R14共同組成差分放大電路；其中輸出電流信號(hào)監(jiān)測(cè)電路由電流互感器T2、 運(yùn)算放大器U4以及若干電阻、電容組成；輸出電流信號(hào)經(jīng)T2進(jìn)行電氣隔離，U4組成的差分放大電路放大后，連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP的ADC輸入口 ；R15為輸出電流信號(hào)取樣電阻，C5起濾波作用 ’U4與R16、R17、R18、R19共同組成差分放大電路，其中U3、U4的型號(hào)為 TL084。所述的變壓器輸出監(jiān)測(cè)電路，由電壓互感器T3、運(yùn)算放大器TO以及若干電阻、電容組成。變壓器輸出電壓信號(hào)經(jīng)T3進(jìn)行電氣隔離，TO組成的差分放大電路放大后，連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP的ADC輸入口 ；R20、R21起限流作用，R22為輸出電壓信號(hào)取樣電阻， C4起濾波作用；U5與R23、R24、R25、I^6共同組成差分放大電路，其中U5的型號(hào)為TL084。所述的逆變輸出監(jiān)測(cè)電路，由電流互感器T4、運(yùn)算放大器TO以及若干電阻、電容組成；逆變輸出電流信號(hào)經(jīng)T4進(jìn)行電氣隔離，TO組成的差分放大電路放大后，連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP的ADC輸入口 ；R27、似8起分壓作用，R28為逆變輸出電流信號(hào)取樣電阻， C6起濾波作用。U6與I^9、R30、R31、R32共同組成差分放大電路，其中U6的型號(hào)為TL084。所述的逆變驅(qū)動(dòng)電路，由數(shù)字信號(hào)處理器DSP的GPIO輸出口、邏輯電路U10A、 U10B、U10C、U10D、U11A、U11B、U11C、U11D、U12A、U12B、U12C、U12D 和驅(qū)動(dòng)電路 U7、U8、U9 組成；數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 經(jīng)由 GPI0B0、GPIOBU GPI0B2、GPI0B3、GPI0B4、GPI0B5 發(fā)出的六路PWM信號(hào)經(jīng)邏輯電路和驅(qū)動(dòng)電路后，產(chǎn)生六路逆變驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)逆變單元；OCP為過(guò)流保護(hù)信號(hào)，用于故障時(shí)關(guān)斷PWM信號(hào)；GPI0B8為啟動(dòng)停止控制信號(hào)，用于變頻電源輸出的啟動(dòng)停止控制；其中 U10A、U10B、U10C、U10D、U11A、U11B、U11C、U11D、U12A、U12B、U12C、 U12D 的型號(hào)為 74HC08, U7、U8、U9 的型號(hào)為 MC341520所述的振動(dòng)檢測(cè)電路，由加速度傳感器T5、運(yùn)算放大器U13以及若干電阻、電容組成。電機(jī)振動(dòng)信號(hào)經(jīng)T5進(jìn)行電氣隔離，U13組成的差分放大電路放大后，連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP的ADC輸入口。R33為電機(jī)振動(dòng)信號(hào)取樣電阻，C7起濾波作用。U13與R34、R35、 R36、R37共同組成差分放大電路，其中U13的型號(hào)為TL084。所述的數(shù)字信號(hào)處理器DSP為集成電路TMS320F2812。一種三相大功率變頻電源的工作方法，包括變頻啟動(dòng)控制方法和載波頻率調(diào)整控制方法；變頻啟動(dòng)控制方法如下1)設(shè)置電機(jī)的額定電壓和額定頻率；2)設(shè)置電機(jī)的啟動(dòng)電壓和啟動(dòng)頻率；3)啟動(dòng)變頻電源輸出；4)在設(shè)置的啟動(dòng)頻率下，變頻電源快速升高輸出電壓至設(shè)置的啟動(dòng)電壓；5)計(jì)算分析變頻電源的輸出電壓和輸出電流；6)根據(jù)電機(jī)的啟動(dòng)特性參數(shù)，按照給定V/F曲線逐漸提高變頻電源的輸出頻率和輸出電壓至設(shè)置的額定頻率和額定電壓；在變頻和調(diào)壓過(guò)程中，通過(guò)對(duì)輸出電壓和輸出電流的實(shí)時(shí)計(jì)算分析，判斷電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中是否有過(guò)流沖擊現(xiàn)象，若有過(guò)流沖擊現(xiàn)象，則暫停變頻和調(diào)壓，抑制電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的沖擊電流，然后逐漸提高輸出頻率和輸出電壓；
7)電機(jī)啟動(dòng)完成后，保持額定電壓和額定頻率輸出。載波頻率調(diào)整控制方法如下1)對(duì)變頻電源輸出電流信號(hào)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換；2)對(duì)變頻電源輸出電流信號(hào)進(jìn)行頻譜分析；3)對(duì)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換；4)對(duì)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析；5)對(duì)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)和變頻電源輸出電流信號(hào)進(jìn)行頻譜對(duì)比分析，識(shí)別電機(jī)是否有振動(dòng)，電機(jī)振動(dòng)的主要頻譜成分，電機(jī)振動(dòng)主要由哪些諧波引起；6)若電機(jī)無(wú)振動(dòng)，則不進(jìn)行調(diào)整；7)若電機(jī)有振動(dòng)，根據(jù)幻的分析，調(diào)整變頻電源的載波頻率以減小或消除電機(jī)的振動(dòng)。三相電網(wǎng)輸入電路、整流電路和直流母線電容實(shí)現(xiàn)AC/DC變換，為逆變單元提供所需的直流電壓。軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)和軟啟動(dòng)限流電阻用于對(duì)直流母線電容的充電電流進(jìn)行限流，防止開(kāi)機(jī)上電時(shí)瞬間充電電流過(guò)大造成器件的損壞和對(duì)電網(wǎng)的沖擊。逆變單元實(shí)現(xiàn)DC/AC變換，將直流母線電容的直流電變換為頻率和幅值一定的交流電并輸出。逆變驅(qū)動(dòng)電路為逆變單元提供PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制逆變單元的輸出頻率和幅值。輸出變壓器用于將逆變單元的輸出進(jìn)行升壓或降壓，以適合不同額定工作電壓的電機(jī)負(fù)載。并濾除逆變單元的輸出中包含的高頻諧波。輸出開(kāi)關(guān)為一電子可控開(kāi)關(guān)，用于變頻電源故障時(shí)切斷輸出，斷開(kāi)變頻電源與負(fù)載的連接。輸出開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路用于控制并驅(qū)動(dòng)輸出開(kāi)關(guān)。直流母線監(jiān)測(cè)電路用于檢測(cè)直流母線電容的電壓，防止電壓過(guò)高造成電容損壞。逆變輸出監(jiān)測(cè)電路、變壓器輸出監(jiān)測(cè)電路、變頻電源輸出監(jiān)測(cè)電路用于監(jiān)測(cè)各自的輸出電壓和(或)電流信號(hào)，并將電壓和(或)電流信號(hào)進(jìn)行處理后送至數(shù)字信號(hào)處理器DSP進(jìn)行計(jì)算分析。數(shù)字信號(hào)處理器DSP是系統(tǒng)控制的核心，通過(guò)對(duì)各種電壓和(或)電流信號(hào)的計(jì)算、分析、處理，采用先進(jìn)的自動(dòng)控制算法，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)PWM控制波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻電源輸出的控制。 鍵盤與顯示電路提供變頻電源的人機(jī)對(duì)話接口。通訊電路實(shí)現(xiàn)變頻電源與計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通訊。振動(dòng)檢測(cè)電路的作用是檢測(cè)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)，并將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，以便 DSP進(jìn)行分析處理。保護(hù)電路用于監(jiān)測(cè)變頻電源工作時(shí)的異常和故障，保護(hù)變頻電源內(nèi)部器件不受損壞并及時(shí)切斷輸出。在本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)中，采用了數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為系統(tǒng)控制的核心，具體型號(hào)為TI公司的TMS320F2812，其內(nèi)部包含了大量的外設(shè)資源，可節(jié)省外圍電路設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件控制，可直接產(chǎn)生6路PWM信號(hào)，使得PWM信號(hào)的產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。數(shù)字信號(hào)處理器具有強(qiáng)大的計(jì)算、分析、處理能力，本發(fā)明通過(guò)對(duì)多種信號(hào)的計(jì)算、分析、處理，實(shí)時(shí)地調(diào)整變頻電源PWM控制波形，可以大大提高變頻電源的負(fù)載適應(yīng)性和響應(yīng)速度。本發(fā)明針對(duì)電機(jī)的負(fù)載特性實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻啟動(dòng)，降低了電機(jī)啟動(dòng)對(duì)變頻電源及其系統(tǒng)配電的額定容量要求，同時(shí)降低了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的電流沖擊，減少了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。本發(fā)明通過(guò)對(duì)輸出載波頻率的自動(dòng)調(diào)整，不需要復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試即可避開(kāi)電機(jī)的固有頻率，防止電機(jī)振動(dòng)，使變頻電源的負(fù)載適應(yīng)性大大提高。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明直流母線監(jiān)測(cè)電路圖。圖3為本發(fā)明變頻電源輸出電壓信號(hào)監(jiān)測(cè)電路圖。圖4為本發(fā)明變頻電源輸出電流信號(hào)監(jiān)測(cè)電路圖。圖5為本發(fā)明變壓器輸出監(jiān)測(cè)電路圖。圖6為本發(fā)明逆變輸出監(jiān)測(cè)電路圖。圖7為本發(fā)明逆變驅(qū)動(dòng)電路圖。圖8為本發(fā)明PWM信號(hào)產(chǎn)生示意圖。圖9為本發(fā)明振動(dòng)檢測(cè)電路圖。圖10為本發(fā)明變頻啟動(dòng)控制算法程序流程圖。圖11為本發(fā)明載波頻率調(diào)整控制算法程序流程圖。其中，1、三相電網(wǎng)輸入電路，2、整流電路，3、軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，4、軟啟動(dòng)限流電阻，5、直流母線電容，6、逆變單元，7、輸出變壓器，8、輸出開(kāi)關(guān)，9、直流母線監(jiān)測(cè)電路，10、逆變驅(qū)動(dòng)電路，11、逆變輸出監(jiān)測(cè)電路，12、變壓器輸出監(jiān)測(cè)電路，13、輸出開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，14、變頻電源輸出監(jiān)測(cè)電路，15、數(shù)字信號(hào)處理器DSP，16、鍵盤與顯示電路，17、通訊電路，18、振動(dòng)檢測(cè)電路，19、保護(hù)電路。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)框圖，從電網(wǎng)輸入的三相電經(jīng)過(guò)整流電路(2)進(jìn)行AC/DC 變換，并經(jīng)啟動(dòng)限流電阻⑷對(duì)直流母線電容(5)進(jìn)行充電，啟動(dòng)限流電阻起到對(duì)充電電流進(jìn)行限流的作用，防止開(kāi)機(jī)上電時(shí)瞬間充電電流過(guò)大造成器件的損壞和對(duì)電網(wǎng)的沖擊。在充電的同時(shí)，通過(guò)直流母線監(jiān)測(cè)電路(9)測(cè)量直流母線電容(5)上的電壓，當(dāng)充電電壓達(dá)到額定值的90%以上時(shí)，閉合軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)(3)，將啟動(dòng)限流電阻(4)短路。逆變單元(6)實(shí)現(xiàn) DC/AC變換，將直流母線電容(5)的直流電變換為頻率和幅值一定的交流電。逆變單元(6) 的輸出經(jīng)輸出變壓器(7)進(jìn)行升壓或降壓，經(jīng)輸出開(kāi)關(guān)⑶后為負(fù)載(如電機(jī))供電。逆變輸出監(jiān)測(cè)電路(11)、變壓器輸出監(jiān)測(cè)電路(12)、變頻電源輸出監(jiān)測(cè)電路(14)用于監(jiān)測(cè)各自的輸出電壓和(或)電流信號(hào)，并將電壓和(或)電流信號(hào)進(jìn)行處理后送至數(shù)字信號(hào)處理器DSP(M)進(jìn)行計(jì)算分析。振動(dòng)檢測(cè)電路(18)檢測(cè)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)，并將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，以便數(shù)字信號(hào)處理器DSP(1 進(jìn)行分析處理。數(shù)字信號(hào)處理器DSP(M)將輸入的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算、分析、處理，根據(jù)負(fù)載特性實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)內(nèi)部PWM，經(jīng)逆變驅(qū)動(dòng)電路(10)為逆變單元(6)提供PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制逆變單元(6)的輸出頻率和幅值。圖2為直流母線監(jiān)測(cè)電路圖，用于測(cè)量變頻電源的直流母線電壓。直流母線電容 (5)的電壓信號(hào)經(jīng)Cl濾波和R1、R2限流連接至光電耦合器UlB的輸入端陽(yáng)極和陰極，二極管Dl的作用是在直流電壓極性接反時(shí)保護(hù)UlB不受損壞，光電耦合器U1A、U1B和運(yùn)算放大器U2A，以及外圍電路R3、R4、R5、R6、R7、C2組成線性光耦電路，以補(bǔ)償光電耦合器電流傳輸比的非線性。經(jīng)上述電路，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的光電隔離并轉(zhuǎn)化為0 3V的電壓信號(hào)， 經(jīng)運(yùn)算放大器U2B進(jìn)行電壓跟隨后，連接至DSP的ADC通道。圖3為變頻電源輸出監(jiān)測(cè)電路圖(電壓信號(hào))，用于變頻電源輸出電壓信號(hào)的測(cè)量，由于變頻電源的三相輸出電壓監(jiān)測(cè)電路相同，僅以A相為例說(shuō)明。變頻電源A相輸出電壓經(jīng)R8、R9限流，連接至Tl互感器的初級(jí)線圈，經(jīng)Tl隔離和RlO取樣電阻后，轉(zhuǎn)化為0 3V信號(hào)，經(jīng)U3、Rll、R12、R13、R14組成的差分放大器后，連接至DSP的ADC通道。圖4為變頻電源輸出監(jiān)測(cè)電路圖(電流信號(hào))，用于變頻電源輸出電流信號(hào)的測(cè)量，由于變頻電源的三相輸出電流監(jiān)測(cè)電路相同，僅以A相為例說(shuō)明。變頻電源A相輸出電流經(jīng)T2互感器的初級(jí)線圈，經(jīng)T2隔離和R15取樣電阻后，轉(zhuǎn)化為0 3V信號(hào)，經(jīng)U4、R16、 R17、R18、R19組成的差分放大器后，連接至DSP的ADC通道。圖5為變壓器輸出監(jiān)測(cè)電路圖，用于變壓器輸出電壓信號(hào)的測(cè)量，由于變壓器的三相輸出電壓監(jiān)測(cè)電路相同，僅以A相為例說(shuō)明。變壓器A相輸出電壓經(jīng)R20、R21限流，連接至T3互感器的初級(jí)線圈，經(jīng)T3隔離和R22取樣電阻后，轉(zhuǎn)化為0 3V信號(hào)，經(jīng)TO、R23、 R24、R25、R26組成的差分放大器后，連接至DSP的ADC通道。圖6為逆變輸出監(jiān)測(cè)電路圖，用于逆變單元輸出電流信號(hào)的測(cè)量，由于逆變單元的三相輸出電流監(jiān)測(cè)電路相同，僅以A相為例說(shuō)明。逆變單元A相輸出電流經(jīng)霍爾電流傳感器jM轉(zhuǎn)化為0 4V的電壓信號(hào)，經(jīng)R27、R28電阻分壓后，轉(zhuǎn)化為0 3V信號(hào)，經(jīng)冊(cè)、似9、 R30、R3UR32組成的差分放大器后，連接至DSP的ADC通道。圖9為振動(dòng)檢測(cè)電路圖，用于電機(jī)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量。電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)加速度傳感器(Lance公司LCOl系列)T5轉(zhuǎn)化為0 20mA的電流信號(hào)，經(jīng)R33取樣電阻后，轉(zhuǎn)化為 0 3V信號(hào)，經(jīng)U13、R34、R35、R36、R37組成的差分放大器后，連接至DSP的ADC通道。以上電路中的運(yùn)算放大器均使用高精度運(yùn)算放大器0P07。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)具體型號(hào)為TI公司的TMS320F2812，TMS320F2812是TI公司推出的功能強(qiáng)大的的32位定點(diǎn)DSP，擁有EVA、EVB事件管理器和12位16通道的ADC數(shù)據(jù)采集，以及豐富的外設(shè)接口，如CAN、SCI等。使其非常適用于電機(jī)控制。下面以A相輸出為例，說(shuō)明三相數(shù)字PWM的產(chǎn)生過(guò)程。如圖8所示，使用DSP內(nèi)部的事件管理器EVB，采用數(shù)字的方法產(chǎn)生所需的PWM波形。EVB計(jì)數(shù)器T3CNT工作在自動(dòng)增減計(jì)數(shù)方式，產(chǎn)生對(duì)稱PWM，計(jì)數(shù)器T3CNT從0開(kāi)始工作在增計(jì)數(shù)方式，當(dāng)計(jì)數(shù)值與EVB周期寄存器T3PR匹配時(shí)，自動(dòng)改變?yōu)闇p計(jì)數(shù)方式，當(dāng)計(jì)數(shù)值為0時(shí)，自動(dòng)改變?yōu)樵鲇?jì)數(shù)方式，如此循環(huán)，產(chǎn)生PWM的三角形載波。載波周期為周期寄存器T3PR周期值的2倍，在本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例中，載波周期初始值為4KHz，DSP系統(tǒng)時(shí)鐘為120MHz，則
權(quán)利要求
1.一種三相大功率變頻電源，其特征在于，包括三相電網(wǎng)輸入電路、整流電路、逆變單元、輸出變壓器、直流母線監(jiān)測(cè)電路、逆變驅(qū)動(dòng)電路、逆變輸出監(jiān)測(cè)電路、變壓器輸出監(jiān)測(cè)電路、輸出開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、變頻電源輸出監(jiān)測(cè)電路、數(shù)字信號(hào)處理器DSP、鍵盤與顯示電路、通訊電路、振動(dòng)檢測(cè)電路和保護(hù)電路；三相電網(wǎng)輸入電路與整流電路連接，整流電路通過(guò)軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、軟啟動(dòng)限流電阻和直流母線電容與逆變單元連接，軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、軟啟動(dòng)限流電阻和直流母線電容同時(shí)通過(guò)直流母線監(jiān)測(cè)電路與數(shù)字信號(hào)處理器DSP連接；逆變單元與輸出變壓器連接，同時(shí)通過(guò)逆變驅(qū)動(dòng)電路與數(shù)字信號(hào)處理器DSP連接；輸出變壓器通過(guò)輸出開(kāi)關(guān)與電源輸出端連接，輸出變壓器的輸入端和輸出端分別通過(guò)逆變輸出監(jiān)測(cè)電路和變壓器輸出監(jiān)測(cè)電路與數(shù)字信號(hào)處理器DSP連接，輸出開(kāi)關(guān)通過(guò)輸出開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路與數(shù)字信號(hào)處理器DSP連接；電源輸出端通過(guò)變頻電源輸出監(jiān)測(cè)電路與數(shù)字信號(hào)處理器DSP連接；鍵盤與顯示電路、通訊電路、振動(dòng)檢測(cè)電路和保護(hù)電路分別與數(shù)字信號(hào)處理器DSP連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種三相大功率變頻電源，其特征在于，所述的直流母線監(jiān)測(cè)電路，由光電耦合器U1A、U1B和運(yùn)算放大器U2A、U2B以及若干電阻、電容、二極管組成，直流母線電壓信號(hào)經(jīng)UlB進(jìn)行光電隔離，由UlA和U2A組成線性補(bǔ)償電路對(duì)UlB的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，然后經(jīng)U2B電壓跟隨器連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP的ADC輸入口 ；其中U1A、U1B的型號(hào)為TLP521，U2A和U2B的型號(hào)為0058。
3.如權(quán)利要求1所述的一種三相大功率變頻電源，其特征在于，所述的變頻電源輸出監(jiān)測(cè)電路包括輸出電壓信號(hào)監(jiān)測(cè)電路和輸出電流信號(hào)監(jiān)測(cè)電路；其中輸出電壓信號(hào)監(jiān)測(cè)電路由電壓互感器Tl、運(yùn)算放大器U3以及電阻、電容組成；輸出電壓信號(hào)經(jīng)Tl進(jìn)行電氣隔離，U3組成的差分放大電路放大后，連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP的ADC輸入口 ；R8、R9起限流作用，RlO為輸出電壓信號(hào)取樣電阻，C3起濾波作用；U3與R11、R12、R13、R14共同組成差分放大電路；其中輸出電流信號(hào)監(jiān)測(cè)電路由電流互感器T2、運(yùn)算放大器U4以及若干電阻、 電容組成；輸出電流信號(hào)經(jīng)T2進(jìn)行電氣隔離，U4組成的差分放大電路放大后，連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP的ADC輸入口 ；R15為輸出電流信號(hào)取樣電阻，C5起濾波作用；U4與R16、 R17、R18、R19共同組成差分放大電路，其中U3、U4的型號(hào)為TL084。
4.如權(quán)利要求1所述的一種三相大功率變頻電源，其特征在于，所述的變壓器輸出監(jiān)測(cè)電路，由電壓互感器T3、運(yùn)算放大器TO以及若干電阻、電容組成。變壓器輸出電壓信號(hào)經(jīng)T3進(jìn)行電氣隔離⑴5組成的差分放大電路放大后，連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP的ADC輸入口 ；R20、R21起限流作用，R22為輸出電壓信號(hào)取樣電阻，C4起濾波作用⑴5與R23、R24、 R25.R26共同組成差分放大電路，其中U5的型號(hào)為TL084。
5.如權(quán)利要求1所述的一種三相大功率變頻電源，其特征在于，所述的逆變輸出監(jiān)測(cè)電路，由電流互感器T4、運(yùn)算放大器TO以及若干電阻、電容組成。逆變輸出電流信號(hào)經(jīng)T4 進(jìn)行電氣隔離，U6組成的差分放大電路放大后，連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP的ADC輸入口。 R27、R28起分壓作用，R28為逆變輸出電流信號(hào)取樣電阻，C6起濾波作用。U6與R29、R30、 R3UR32共同組成差分放大電路，其中U6的型號(hào)為TL084。
6.如權(quán)利要求1所述的一種三相大功率變頻電源，其特征在于，所述的逆變驅(qū)動(dòng)電路， 由數(shù)字信號(hào)處理器DSP的GPIO輸出口、邏輯電路U10A、U10B、U10C、U10D、U11A、U11B、U11C、 U11D、U12A、U12B、U12C、U12D和驅(qū)動(dòng)電路U7、U8、U9組成；數(shù)字信號(hào)處理器DSP經(jīng)由GPI0B0、 GPIOB1、GP10B2、GP10B3、GP10B4、GP10B5發(fā)出的六路PWM信號(hào)經(jīng)邏輯電路和驅(qū)動(dòng)電路后，產(chǎn)生六路逆變驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)逆變單元；OCP為過(guò)流保護(hù)信號(hào)，用于故障時(shí)關(guān)斷PWM信號(hào)； GPI0B8為啟動(dòng)停止控制信號(hào)，用于變頻電源輸出的啟動(dòng)停止控制；其中U10A、U10B、U10C、 U10D、U11A、U11B、U11C、U11D、U12A、U12B、U12C、U12D 的型號(hào)為 74HC08, U7、U8、U9 的型號(hào)為 MC34152。
7.如權(quán)利要求1所述的一種三相大功率變頻電源，其特征在于，所述的振動(dòng)檢測(cè)電路， 由加速度傳感器T5、運(yùn)算放大器U13以及若干電阻、電容組成；電機(jī)振動(dòng)信號(hào)經(jīng)T5進(jìn)行電氣隔離，U13組成的差分放大電路放大后，連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP的ADC輸入口 ；R33為電機(jī)振動(dòng)信號(hào)取樣電阻，C7起濾波作用；U13與R34、R35、R36、R37共同組成差分放大電路， 其中U13的型號(hào)為TL084。
8.如權(quán)利要求1所述的一種三相大功率變頻電源，其特征在于，所述的數(shù)字信號(hào)處理器DSP為集成電路TMS320擬812。
9.一種三相大功率變頻電源的工作方法，包括變頻啟動(dòng)控制方法和載波頻率調(diào)整控制方法，其特征在于，變頻啟動(dòng)控制方法如下1)設(shè)置電機(jī)的額定電壓和額定頻率；2)設(shè)置電機(jī)的啟動(dòng)電壓和啟動(dòng)頻率；3)啟動(dòng)變頻電源輸出；4)在設(shè)置的啟動(dòng)頻率下，變頻電源快速升高輸出電壓至設(shè)置的啟動(dòng)電壓；5)計(jì)算分析變頻電源的輸出電壓和輸出電流；6)根據(jù)電機(jī)的啟動(dòng)特性參數(shù)，按照給定V/F曲線逐漸提高變頻電源的輸出頻率和輸出電壓至設(shè)置的額定頻率和額定電壓；在變頻和調(diào)壓過(guò)程中，通過(guò)對(duì)輸出電壓和輸出電流的實(shí)時(shí)計(jì)算分析，判斷電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中是否有過(guò)流沖擊現(xiàn)象，若有過(guò)流沖擊現(xiàn)象，則暫停變頻和調(diào)壓，抑制電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的沖擊電流，然后逐漸提高輸出頻率和輸出電壓；7)電機(jī)啟動(dòng)完成后，保持額定電壓和額定頻率輸出；載波頻率調(diào)整控制方法如下1)對(duì)變頻電源輸出電流信號(hào)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換；2)對(duì)變頻電源輸出電流信號(hào)進(jìn)行頻譜分析；3)對(duì)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換；4)對(duì)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析；5)對(duì)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)和變頻電源輸出電流信號(hào)進(jìn)行頻譜對(duì)比分析，識(shí)別電機(jī)是否有振動(dòng)，電機(jī)振動(dòng)的主要頻譜成分，電機(jī)振動(dòng)主要由哪些諧波引起；6)若電機(jī)無(wú)振動(dòng)，則不進(jìn)行調(diào)整；7)若電機(jī)有振動(dòng)，根據(jù)5的分析，調(diào)整變頻電源的載波頻率以減小或消除電機(jī)的振動(dòng)。
全文摘要
一種三相大功率變頻電源及其工作方法，屬于變頻電源技術(shù)領(lǐng)域。包括三相電網(wǎng)輸入電路、整流電路、逆變單元、輸出變壓器、直流母線監(jiān)測(cè)電路、逆變驅(qū)動(dòng)電路、逆變輸出監(jiān)測(cè)電路、變壓器輸出監(jiān)測(cè)電路、輸出開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、變頻電源輸出監(jiān)測(cè)電路、數(shù)字信號(hào)處理器DSP、鍵盤與顯示電路、通訊電路、振動(dòng)檢測(cè)電路和保護(hù)電路；三相電網(wǎng)輸入電路與整流電路連接，整流電路與逆變單元連接，逆變單元與輸出變壓器連接，同時(shí)通過(guò)逆變驅(qū)動(dòng)電路與數(shù)字信號(hào)處理器DSP連接；輸出變壓器與電源輸出端連接，輸出變壓器的輸入端和輸出端、電源輸出端和輸出開(kāi)關(guān)與數(shù)字信號(hào)處理器DSP連接，變頻電源在軟件控制下工作。
文檔編號(hào)H02M5/458GK102158100SQ20111004889
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月1日
發(fā)明者孔德寶, 李振虎, 趙金寶 申請(qǐng)人:山東沃森電源設(shè)備有限公司