專利名稱：硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種串級調速裝置，特別涉及一種硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置。
背景技術：
我國是一個電力資源非常短缺的國家，節(jié)能作為一項重要的技術政策，對國民經濟的發(fā)展具有深遠的影響。風機和水泵在國民經濟各部門中應用的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)統(tǒng)計，全國風機和水泵的耗電量占到整個工業(yè)用電量的40%以上，而風機、水泵一般在運行中都要進行負荷調節(jié)，相應的流量也要跟蹤調節(jié)。傳統(tǒng)的調節(jié)方法是調節(jié)入口或出口的閥門開度，使得風機、水泵用電量的30%-40%消耗在調節(jié)閥門及管網壓降上，這是一種效益差、能耗大、設備損壞快、維修量大、運行費用高的落 后辦法，不僅造成了電能的巨大浪費，而且與經濟運行標準也有相當大的差距。如果對風機、水泵進行調速，則可以取得很好的節(jié)能效果，提高經濟效益。目前比較有發(fā)展前景的高壓大功率調速技術應該是串級調速技術和高壓變頻技術，其中串級調速技術是從電機轉子側來實現(xiàn)調速，而高壓變頻調速技術是直接從定子側來調速，兩者各有千秋。但是對于那些調速性能要求不高，調速范圍不寬的高壓大功率風機、水泵，串級調速是一種比較經濟可行的調速方案。然而傳統(tǒng)的串級調速系統(tǒng)存在功率因數(shù)低、諧波含量大等缺點，并且目前工業(yè)現(xiàn)場使用的斬波串級調速系統(tǒng)的斬波器大多采用開環(huán)控制，其動態(tài)性能不好。而在采取閉環(huán)控制的方案中，有的速度反饋信號采用磁感應接近開關獲取，一旦環(huán)境或電機發(fā)生震動，就容易出現(xiàn)丟脈沖的現(xiàn)象，從而無法實現(xiàn)雙閉環(huán)控制。也有采用間接方法得到速度信號的案例，但是其計算量非常大，需要花費大量的DSP控制器的運算時間，無法滿足快速檢測的要求，所有這些都影響了串級調速裝置在風機、泵類等負載調速場合的推廣應用。目前關于串級調速裝置中涉及電機速度檢測的已公開的專利技術大致有以下幾類
(I)開環(huán)控制型這種類型的串級調速裝置的主電路雖然也帶有斬波環(huán)節(jié)，但是其不足是采用開環(huán)控制，容易發(fā)生過流保護，且斬波環(huán)節(jié)不是采用移相控制，直流電流脈動大。如專利02260070所公開的內反饋式高頻斬波交流調速裝置。(2)閉環(huán)控制型這種類型的串級調速裝置的主電路斬波器采用閉環(huán)控制，但是由于其速度獲取是通過磁感應接近開關，容易受到環(huán)境及電機振動的影響，經常發(fā)生丟脈沖現(xiàn)象，從而無法實現(xiàn)雙閉環(huán)控制，降低了系統(tǒng)的可靠性。如專利200710122573所公開的IGBT逆變器中壓電動機斬波式雙DSP數(shù)字調速系統(tǒng)。(3)速度間接獲取型這種類型裝置中電機速度的取得不是通過接近開關，而是通過計算斬波電抗器兩端的電壓間接得到，其不足之處是要根據(jù)斬波器在不同狀態(tài)時來計算，運算量非常大，不利于雙閉環(huán)控制的快速性。如專利200820060424. 7所公開的無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數(shù)字智能調速裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明是針對串級調速裝置速度檢測存在的不足的問題，提出了一種硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置，測量快速并不受外部因素的影響，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。本發(fā)明的技術方案為一種硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置，包括主電路、控制電路和電流過零點速度檢測電路，主電路包括繞線電機、整流電路、斬波電路、儲能電容、晶閘管逆變電路、反饋變壓器；控制電路包括DSP處理器和PLC控制器；電流過零點檢測電路包括轉子電流采樣電路、過零點產生電路；繞線電機定子側直接連接電網，轉子側輸出端連接到三相整流電路的進線端，來自轉子繞組的電流經過三相整流橋后依次經過斬波電路、逆變器、反饋變壓器后接入電網，斬波電路和逆變器連接處并聯(lián)儲能電容；霍爾 器件套于繞組電機轉子輸出側的每相的導線上，采集每相電流信號依次經過轉子電流采樣電路、過零點產生電路后輸出形成兩個相差180度的脈沖信號，此脈沖信號送DSP處理器處理計算得到電機轉速，同時DSP處理器輸出控制信號到斬波電路，DSP處理器與PLC控制器通訊數(shù)據(jù)，PLC輸出執(zhí)行信號。所述過零點產生電路和DSP處理器之間可接倍頻電路，所述過零點產生電路輸出的脈沖信號經過倍頻電路進行倍頻得到倍頻后的脈沖信號后，再輸入到DSP處理器。所述轉子電流采樣電路包括信號轉換電路和濾波器，霍爾器件套于繞組電機轉子輸出側的每相的導線上，采集每相電流信號輸入到信號轉換電路，將電流信號轉換成電壓信號，再經過濾波器修正和濾波所述電壓信號，得到濾波后的電流信號。所述過零點產生電路包括過零點比較器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，轉子電流采樣電路輸出的信號經過過零比較器產生過零點方波脈沖信號，再經過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路生成單穩(wěn)態(tài)窄波脈沖信號后，輸出至所述DSP處理器。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置，由于采用電流過零點檢測電路和DSP處理器來獲得繞線電機速度，用于雙閉環(huán)控制算法中外環(huán)的速度反饋信號，實現(xiàn)正常的調速節(jié)能控制。因采用的電流過零點檢測電路為通過轉子電流間接得到繞線電機速度信號，從而不受環(huán)境、機械振動等因素影響，因此具有測量快速、準確的特點，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。


圖I為本發(fā)明硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置的結構示意框 圖2為本發(fā)明硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置實例電路 圖3為本發(fā)明硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置實例轉子電流采樣電路圖；圖4為本發(fā)明硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置中霍爾器件檢測到的電流波形 圖5為本發(fā)明硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置中濾波器輸出的電流波形
圖6為本發(fā)明硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置中過零點產生電路和倍頻電路 圖7為本發(fā)明硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置中過零點方波脈沖信號示意圖；圖8為本發(fā)明硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置中單穩(wěn)態(tài)窄波脈沖信號示意圖； 圖9為本發(fā)明硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置中倍頻后的脈沖信號圖。
具體實施例方式如圖I所示硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置結構示意框圖，包括主電路I、控制電路3和電流過零點速度檢測電路2三大部分組成。如圖2所示實例電路圖，主電路I可包括繞線電機10、整流電路11、斬波電路12、儲能電容13、晶閘管逆變電路14、反饋變壓器15，其中繞線電機10定子側直接連接IOKV或6KV電網，轉子側輸出端連接到三相整流電路11的進線端；整流電路11可為由大功率二極管D1至D6構成的三相整流橋，三相整流橋接收來自轉子繞組的電流；斬波電路12由電感72、可控電力電子器件IGBT、二極管FDl構成；斬波電路12的輸出端連接到儲能電容13，其兩端電壓用Uc轟示;儲能電容13同時與可控硅晶體管SCRl至SCR6構成的逆變器14相連，逆變器14的輸出端連接到反饋變壓器15Tr的進線端R、S、T上，反饋變壓器15的輸出端直接連接到電網?？刂齐娐?由DSP處理器31 (數(shù)字信號處理器)和PLC控制器32 (邏輯控制器)構成，DSP處理器31芯片可采用Ti公司的TMS320LF2407，PLC控制器32可采用西門子S200，DSP處理器31與PLC控制器32之間可通過RS485進行數(shù)據(jù)交換。DSP處理器31主要完成
(I)斬波電路12的速度電流雙閉環(huán)控制算法，PWM脈沖的產生；(2)過流、過壓等要求快速性的故障保護；(3)速度檢測脈沖的運算，得到電機速度信號等。PLC控制器32主要完成整個系統(tǒng)的工藝控制及邏輯的動作，其中包括系統(tǒng)啟動及斬波器12的工藝控制，逆變器的工藝控制。此外，PLC控制器32還可通過串行通信與人機界面進行數(shù)據(jù)交換，把相應的數(shù)據(jù)送往人機界面進行顯示，同時接收人機界面上的指令動作。電流過零點檢測電路2包括轉子電流采樣電路、過零點產生電路。其中轉子電流采樣電路包括霍爾器件，套于繞組電機轉子輸出側的每相的導線上，用于感應該相導線的電流信號；信號轉換電路，用于將電流信號轉換成電壓信號；濾波器，用于修正和濾波所述電壓信號，得到濾波后的電流信號。一個具體的轉子電流采樣電路如圖3所示，具體為霍爾器件分別套于轉子輸出側的每相導線上，如A相導線上的霍爾器件輸出電流信號LMl到由電阻R1、R2、R7和R8并聯(lián)組成的電阻串21的一端(另一端接地)，同一個該電阻串21的端口連接至由電阻R3、電容C12、電阻R4、電容Cll與運算放大器芯片YUlA構成二階有源低通濾波器22，得到A相的正弦波電流LM11。采用同一電路，經過電阻串23和二階有源低通濾波器24可得到C相的正弦波電流LM33，B相的正弦波電流LM22可用同一電路得到，為了節(jié)省成本，在本實施例中，采用以下電路來獲取B相電流LM22 :將之前獲得的電流信號LMl I和LM33通過由運算放大器YUlD構成一個加法器25，后經過運算放大器YUlC構成的電壓跟隨器26，最后得到B相電流LM22。上述電路中，在霍爾器件和電阻Rl之間還可連接由D30和D31構成的雙向穩(wěn)壓管27，圖中的D30、D31、D32、D33均是瞬態(tài)電壓抑制二極管。上述電路中，霍爾器件檢測到的繞線電機轉子側的A相電流信號LMl (其波形如圖4所示，為不規(guī)則的類鋸齒形波)，電流信號LMl與由電阻Rl、R2、R7和R8并聯(lián)組成的電阻串21相乘后，轉化成電壓信號。由D30和D31構成的雙向穩(wěn)壓管27的作用為當輸入電壓超過一預定電壓值(如5. 8V，由二極管的參數(shù)決定)時，瞬態(tài)電壓抑制二極管D31擊穿導通，當電壓小于另一預定電壓值(如-5. 8V，同樣由二極管的參數(shù)決定)時，瞬態(tài)電壓抑制二極管D30擊穿，從而將輸入電壓范圍控制在預定范圍(如-5. 8V到+5. 8V)之間，用以防止后端芯片因為電壓過高或過低而損壞。來自電阻串21的信號經過二階有源低通濾波器22后，實現(xiàn)電流波形的修正與濾波，輸出得到A相電流LM11。得到的LMll信號的波形如圖5所示，為正弦波形。同理可得到C相電流LM33和B相電流LM22。而本實施例中根據(jù)電網三相電流和為零原則，即根據(jù)公式iA+iB+iC=0來求得B相的電流。具體電路為將A相電流LMll和C相電流LM33通過運算放大器YUlD構成一個加法器25，后經過運算放大器YUlC構成的電壓跟隨器26，得到B相電流LM22。接著為過零點產生電路，用于根據(jù)得到的電流生成脈沖信號，該電路包括過零點比較器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。一具體電路可見圖6，工作原理為根據(jù)轉子電流采樣電路得到的單個電流信號LM11，經過過零點比較器AU14B后形成過零點方波脈沖信號，如圖7所示。圖6中電阻AR33作用是限流，而二極管AD25和AD26構成雙向鉗位電路，把輸入到比較器LM393A的輸入電平限制在一定范圍內(如±0. 7V)。而后方波信號進入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，具體電路可為過零點方波脈沖信號經過反向放大器AU15B后輸入到單穩(wěn)態(tài)芯片AUI7的輸入端A，從單穩(wěn)態(tài)芯片AUI7的輸出端Ql和Q2輸出單穩(wěn)態(tài)窄波脈沖信號，如圖8所示。在圖6所示的電路中還包括倍頻電路，用于將單穩(wěn)態(tài)窄波脈沖信號進行倍頻。具體為將單穩(wěn)態(tài)窄脈沖信號輸出到或門AU19C疊加，最后輸出形成兩個相差180度的脈沖信號
Hf，如圖9所示。而后DSP處理器根據(jù)脈沖信號nf進行下列運算
根據(jù)繞線式電機公式
權利要求
1.一種硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置，其特征在于，包括主電路、控制電路和電流過零點速度檢測電路，主電路包括繞線電機、整流電路、斬波電路、儲能電容、晶閘管逆變電路、反饋變壓器；控制電路包括DSP處理器和PLC控制器；電流過零點檢測電路包括轉子電流采樣電路、過零點產生電路；繞線電機定子側直接連接電網，轉子側輸出端連接到三相整流電路的進線端，來自轉子繞組的電流經過三相整流橋后依次經過斬波電路、逆變器、反饋變壓器后接入電網，斬波電路和逆變器連接處并聯(lián)儲能電容；霍爾器件套于繞組電機轉子輸出側的每相的導線上，采集每相電流信號依次經過轉子電流采樣電路、過零點產生電路后輸出形成兩個相差180度的脈沖信號，此脈沖信號送DSP處理器處理計算得到電機轉速，同時DSP處理器輸出控制信號到斬波電路，DSP處理器與PLC控制器通訊數(shù)據(jù)，PLC輸出執(zhí)行信號。
2.根據(jù)權利要求I所述硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置，其特征在于，所述過零點產生電路和DSP處理器之間可接倍頻電路，所述過零點產生電路輸出的脈沖信號經過倍頻電路進行倍頻得到倍頻后的脈沖信號后，再輸入到DSP處理器。
3.根據(jù)權利要求I所述硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置，其特征在于，所述轉子電流采樣電路包括信號轉換電路和濾波器，霍爾器件套于繞組電機轉子輸出側的每相的導線上，采集每相電流信號輸入到信號轉換電路，將電流信號轉換成電壓信號，再經過濾波器修正和濾波所述電壓信號，得到濾波后的電流信號。
4.根據(jù)權利要求I所述硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置，其特征在于，所述過零點產生電路包括過零點比較器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，轉子電流采樣電路輸出的信號經過過零比較器產生過零點方波脈沖信號，再經過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路生成單穩(wěn)態(tài)窄波脈沖信號后，輸出至所述DSP處理器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硬件檢測的電流過零點測速的串級調速裝置，由于采用電流過零點檢測電路和DSP處理器來獲得繞線電機速度，用于雙閉環(huán)控制算法中外環(huán)的速度反饋信號，實現(xiàn)正常的調速節(jié)能控制。因采用的電流過零點檢測電路為通過轉子電流間接得到繞線電機速度信號，從而不受環(huán)境、機械振動等因素影響，因此具有測量快速、準確的特點，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
文檔編號H02P27/06GK102647151SQ201210120629
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權日2012年4月24日
發(fā)明者唐忠, 曹以龍, 江友華 申請人:上海電力學院