專利名稱：三相交流電動(dòng)機(jī)三相交流截波變頻調(diào)速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
三相交流電動(dòng)機(jī)三相交流截波變頻調(diào)速裝置 技術(shù)領(lǐng)域本三相電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速裝置主要是針對(duì)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的大功率電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的，主要用來(lái)降低 轉(zhuǎn)速。采用直接將三相交流電按規(guī)律截除部分波形，并用電容電路將相鄰波形連接起來(lái)，形 成新的頻率降低后的波形，采用這種新的波形直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，可以將轉(zhuǎn)速降為原來(lái)的三分 之一，五分之一，七分之一等，不是無(wú)級(jí)調(diào)速，適合于大功率低速運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
三相電動(dòng)機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是從20世紀(jì)80年代隨著電力電子器件的發(fā)展而發(fā)展起來(lái) 的，盡管以前人們一直期望采用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，但由于無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)及半導(dǎo)體開(kāi) 關(guān)器件無(wú)法承受大的電壓電流而一直無(wú)法很好地實(shí)現(xiàn)。新的大功率電力電子器件的出現(xiàn)并且 制造工藝日趨成熟，變頻調(diào)速技術(shù)也得到了很大的發(fā)展并得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前三相電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的方法主要是采用交流-直流-交流的方法，即將三相交流電通 過(guò)三相整流電路變換為直流電，再采用逆變電路將直流電變換為頻率可調(diào)的交流電，實(shí)現(xiàn)變 頻調(diào)速。此種變頻調(diào)速方法可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，滿足大部分的工業(yè)使用要求。 但是變頻裝置本身成本比較高，控制電路和控制程序比較復(fù)雜，實(shí)時(shí)運(yùn)算量大，需要采用高 性能的工業(yè)級(jí)微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。而重工業(yè)使用的大功率電動(dòng)機(jī)往往都是在很低的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)， 比如水泥廠的球磨機(jī)，礦山設(shè)備電機(jī)，轉(zhuǎn)速往往只有每分鐘幾十轉(zhuǎn)到幾百轉(zhuǎn)，經(jīng)常采用的減 速方法是減速機(jī)，雖然減速機(jī)可以提高轉(zhuǎn)矩，但減速機(jī)本身要消耗掉很大一部分功率，甚至 達(dá)到50%以上，因此有很大的浪費(fèi)。采用變頻器成本太高。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種三相交流電動(dòng)機(jī)三相交流截波變頻調(diào)速裝置，該裝置較已 有變頻器成本低，可以直接將交流電變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。本實(shí)用新型是以如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的三相交流電的三相A、 B、 C相都是正弦電流，波 形完全一樣，只是相位依次滯后120° ，如圖1所示。我們?nèi)〕銎渲幸幌嗔鶄€(gè)周期進(jìn)行分析， 如圖2中(a)圖所示，如果將第一個(gè)周期的負(fù)半周和第三個(gè)周期的正半周(涂黑處)去掉， 就得到如圖2 (c)所示波形，由圖可以看出，兩個(gè)正半周之間產(chǎn)生了波形空缺，兩個(gè)負(fù)半周 之間也產(chǎn)生了波形空缺，如果采取一定的措施，將空缺處波形進(jìn)行補(bǔ)充，使得波形連續(xù)，則 得到的新波形近似于正弦波形，而周期卻變?yōu)樵瓉?lái)的三倍，即頻率變?yōu)樵瓉?lái)的1/3。用這種 波形直接驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)可以得到原來(lái)轉(zhuǎn)速的1/3。如果采用類似的方法把后續(xù)的波形去掉,
則可以得到原來(lái)轉(zhuǎn)速的1Z5， 1/7， 1/9等等，可以有效地降低轉(zhuǎn)速。為了實(shí)現(xiàn)波形的連續(xù)，這里采用大容量電容的充放電原理來(lái)實(shí)現(xiàn)，即用大容量電容來(lái)解 決波形填充問(wèn)題。在沒(méi)被截掉的波形到來(lái)時(shí)同時(shí)對(duì)電容充電，空缺處電容放電向電動(dòng)機(jī)提供 電流，直到下一個(gè)波形到來(lái)。填充后的波形如圖2(d)所示。由于正波形和負(fù)波形的是自然連 接，所以電流正負(fù)轉(zhuǎn)換時(shí)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有沖擊。一種交流電動(dòng)機(jī)三相交流截波變頻調(diào)速裝置，包括依次連接的降壓變壓器、交流電過(guò) 零檢測(cè)電路、單片機(jī)，接口電路，其特征是，還包括連接在單片機(jī)與三相電動(dòng)機(jī)之間的截波 變頻調(diào)速主電路，截波變頻調(diào)速主電路包括兩個(gè)單片機(jī)控制的場(chǎng)效應(yīng)管Q1、 Q2，電阻R2、 R4、電容C1、 C2組成的實(shí)現(xiàn)正弦波形空缺處波形填充的充放電電路，控制充放電電路的雙 向晶閘管TRIAC2和TRIAC1;單片機(jī)3的控制引腳通過(guò)光電耦合器與場(chǎng)效應(yīng)管Ql的柵極連 接，同時(shí)通過(guò)反相器7和場(chǎng)效應(yīng)管Q2連接，使場(chǎng)效應(yīng)管Ql和場(chǎng)效應(yīng)管Q2某一時(shí)刻只有一 個(gè)導(dǎo)通；電阻R2和R3分別與場(chǎng)效應(yīng)管Ql和場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極與發(fā)射極連接，用來(lái)對(duì)節(jié) 電容放電，使場(chǎng)效應(yīng)管能夠順利關(guān)斷；場(chǎng)效應(yīng)管Q1的發(fā)射極和場(chǎng)效應(yīng)管Q2的集電極同時(shí)和 交流電導(dǎo)線相連，作為交流輸入通路；單片機(jī)引腳與雙向晶閘管TRIAC2和雙向晶閘管 TRIAC1的控制極相連，用來(lái)控制雙向晶閘管TRIAC2和雙向晶閘管TRIAC1的開(kāi)關(guān)；場(chǎng)效 應(yīng)管Q1的集電極和場(chǎng)效應(yīng)管Q2的發(fā)射極同時(shí)與電動(dòng)機(jī)的一相相連，輸入驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流； 電阻R2和R4分別與雙向晶閘管TRIAC2和雙向晶間管TRIAC1的一端相連，再與電容Cl 和C2的正端相連，電容Cl和C2的負(fù)端與電動(dòng)機(jī)A相的另一端相連形成可控制充放電回路。 工作過(guò)程交流電的正半周通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管Q2向電動(dòng)機(jī)繞組供電，同時(shí)控制雙向晶閘管 TRIAC2開(kāi)通，正半周同時(shí)向電容C2充電，在正半周即將結(jié)束時(shí)電容C2放電向繞組供電， 使得電動(dòng)機(jī)供電不中斷，下一個(gè)半周繼續(xù)充電，如此循環(huán)工作。交流電的負(fù)半周到來(lái)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Q1開(kāi)通，向電動(dòng)機(jī)繞組供電，同時(shí)向C1充電，在負(fù) 半周即將結(jié)束時(shí)電容Cl放電向繞組供電，使得電動(dòng)機(jī)供電不中斷，下一個(gè)半周繼續(xù)充電， 如此循環(huán)工作。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是變頻器成本低，可以直接將交流電變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。


圖1是三相交流電的波形圖；圖2 (A)是單相交流電波形圖；圖2 (B)是將要被截除的波形圖(涂黑部分)；圖2 (C)是截除部分波形后的波形圖；圖2 (D)是波形填充后的波形圖3是本實(shí)用新型電原理框圖；圖4是主電路電路圖；圖5是過(guò)零檢測(cè)電路。
具體實(shí)施方式
如圖3所示，電動(dòng)機(jī)三相交流截波變頻調(diào)速裝置主要由依次連接的降壓變壓器l、交流 電過(guò)零檢測(cè)電路2、單片機(jī)3，接口電路4，及連接在單片機(jī)與三相電動(dòng)機(jī)6之間的截波變頻 調(diào)速主電路5組成。如圖4所示，截波變頻調(diào)速主電路由兩個(gè)單片機(jī)控制的場(chǎng)效應(yīng)管Q1、 Q2，電阻R2、 R4、 電容C1、 C2組成的實(shí)現(xiàn)正弦波形空缺處波形填充的充放電電路，控制充放電電路的雙向晶 閘管TRIAC2和TRIAC1組成；單片機(jī)3的控制引腳通過(guò)光電耦合器與場(chǎng)效應(yīng)管Ql的柵極 連接，同時(shí)通過(guò)反相器7和場(chǎng)效應(yīng)管Q2連接，使場(chǎng)效應(yīng)管Ql和場(chǎng)效應(yīng)管Q2某一時(shí)刻只有 一個(gè)導(dǎo)通；電阻R2和R3分別與場(chǎng)效應(yīng)管Ql和場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極與發(fā)射極連接，用來(lái)對(duì) 節(jié)電容放電，使場(chǎng)效應(yīng)管能夠順利關(guān)斷；場(chǎng)效應(yīng)管Q1的發(fā)射極和場(chǎng)效應(yīng)管Q2的集電極同時(shí) 和交流電導(dǎo)線相連，作為交流輸入通路；單片機(jī)引腳與雙向晶閘管TRIAC2和雙向晶閘管 TRIAC1的控制極相連，用來(lái)控制雙向晶閘管TRIAC2和雙向晶閘管TRIAC1的開(kāi)關(guān)；場(chǎng)效 應(yīng)管Q1的集電極和場(chǎng)效應(yīng)管Q2的發(fā)射極同時(shí)與電動(dòng)機(jī)的一相相連，輸入驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流； 電阻R2和R4分別與雙向晶閘管TRIAC2和雙向晶閘管TRIAC1的一端相連，再與電容Cl 和C2的正端相連，電容Cl和C2的負(fù)端與電動(dòng)機(jī)A相的另一端相連形成可控制充放電回路。反相器1使控制信號(hào)可以同時(shí)控制場(chǎng)效應(yīng)管Ql和場(chǎng)效應(yīng)管Q2只有一個(gè)導(dǎo)通， 一個(gè)關(guān) 斷，不能同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。場(chǎng)效應(yīng)管Ql和場(chǎng)效應(yīng)管Q2是絕緣柵雙極晶體管，可根據(jù)電流的大小選取，作為開(kāi)關(guān) 器件。 ，電阻Rl和R3是100K的大電阻，用來(lái)釋放絕緣柵雙極晶體管柵極和發(fā)射極之間的節(jié)電容 電量，保證場(chǎng)效應(yīng)管能夠嬾利地開(kāi)通和關(guān)斷。TRIAC2和TRIAC1為雙向晶閘管，在單片機(jī)的控制下保證電容充電和放電電流的通路， 并保證在半周內(nèi)只能對(duì)其中一個(gè)電容充電。電阻R2和R4用來(lái)得到RC充電電路充電時(shí)間常數(shù)?？刂撇糠植捎肁VR單片機(jī)at鵬gl6,運(yùn)行速度快，輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，只要和主電路之間 加上光電隔離電路即可有效地控制主電路中的電力電子器件的開(kāi)通和關(guān)斷。為了在正弦交流 電的過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行控制，采用圖4的過(guò)零檢測(cè)電路，在過(guò)零點(diǎn)處輸出一個(gè)負(fù)脈沖，單片機(jī) 采用中斷檢測(cè)到該負(fù)脈沖后開(kāi)始執(zhí)行控制程序，控制IGBT和雙向晶閘管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，達(dá)到控
制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。附圖只是以一相交流電來(lái)說(shuō)明，實(shí)際應(yīng)用時(shí)其它兩相也同樣采用過(guò)零檢 測(cè)方式，只是時(shí)間上依次滯后1/3周期。例如控制20KW的三相交流電動(dòng)機(jī)，雙向晶閘管采用KS200A，可通過(guò)的最大電流2O0A, 控制極電流只要200mA左右，用單片機(jī)輸出信號(hào)加一級(jí)放大即可滿足控制要求，同時(shí)可以實(shí) 現(xiàn)主電路和控制電路的光電隔離。場(chǎng)效應(yīng)管Ql和Q2采用GT60M104型IGBT，可最大承受600V 電壓，最大電流60A。充放電電路電容C1和C2選用2000uF，電阻2和電阻4選用10歐姆。 通過(guò)AVR單片機(jī)atmegl6的定時(shí)輸出控制場(chǎng)效應(yīng)管和雙向晶閘管開(kāi)關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流 電動(dòng)機(jī)的控制。場(chǎng)效應(yīng)管和雙向晶閘管的通斷都采用高性能單片機(jī)外加接口電路控制。 Cl、 C2電容容量的計(jì)算要求電容必須在正弦半波即0.01s的時(shí)間內(nèi)充電達(dá)到半波平均電壓以上，以保證放電時(shí) 提供充足的工作電壓，半波電壓的平均值為198V，以工作電流為50A，根據(jù)RC電路的充電瞬 態(tài)過(guò)程分析計(jì)算，選用電阻為10歐姆，電容為2000微法，可以使電源的正半周充電足夠下 一個(gè)半周向電動(dòng)機(jī)提供電流。要想準(zhǔn)確的消除掉半波，必須準(zhǔn)確地在過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始消波，因此在控制電路中加入圖4所 示的過(guò)零檢測(cè)電路，在過(guò)零點(diǎn)處通過(guò)單片機(jī)控制電力電子器件的通斷，保證波形按要求通過(guò)。
權(quán)利要求1、一種交流電動(dòng)機(jī)三相交流截波變頻調(diào)速裝置，包括依次連接的降壓變壓器(1)、交流電過(guò)零檢測(cè)電路(2)、單片機(jī)(3)，接口電路(4)，其特征是，還包括連接在單片機(jī)與三相電動(dòng)機(jī)(6)之間的截波變頻調(diào)速主電路(5)，截波變頻調(diào)速主電路(5)包括兩個(gè)單片機(jī)控制的場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2，電阻R2、R4、電容C1、C2組成的實(shí)現(xiàn)正弦波形空缺處波形填充的充放電電路，控制充放電電路的雙向晶閘管TRIAC2和TRIAC1；單片機(jī)(3)的控制引腳通過(guò)光電耦合器與場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極連接，同時(shí)通過(guò)反相器(7)和場(chǎng)效應(yīng)管Q2連接，使場(chǎng)效應(yīng)管Q1和場(chǎng)效應(yīng)管Q2某一時(shí)刻只有一個(gè)導(dǎo)通；電阻R2和R3分別與場(chǎng)效應(yīng)管Q1和場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極與發(fā)射極連接，用來(lái)對(duì)節(jié)電容放電，使場(chǎng)效應(yīng)管能夠順利關(guān)斷；場(chǎng)效應(yīng)管Q1的發(fā)射極和場(chǎng)效應(yīng)管Q2的集電極同時(shí)和交流電導(dǎo)線相連，作為交流輸入通路；單片機(jī)引腳與雙向晶閘管TRIAC2和雙向晶閘管TRIAC1的控制極相連，用來(lái)控制雙向晶閘管TRIAC2和雙向晶閘管TRIAC1的開(kāi)關(guān)；場(chǎng)效應(yīng)管Q1的集電極和場(chǎng)效應(yīng)管Q2的發(fā)射極同時(shí)與電動(dòng)機(jī)的一相相連，輸入驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流；電阻R2和R4分別與雙向晶閘管TRIAC2和雙向晶閘管TRIAC1的一端相連，再與電容C1和C2的正端相連，電容C1和C2的負(fù)端與電動(dòng)機(jī)A相的另一端相連形成可控制充放電回路。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種交流電動(dòng)機(jī)三相交流截波變頻調(diào)速裝置。采用將三相正弦交流電部分波形直接截除，然后用電容電路充放電補(bǔ)充空缺波形，得到新的近似正弦波形，頻率比原來(lái)降低，而正負(fù)半周自然轉(zhuǎn)換，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊?？刂撇糠植捎酶咝阅軉纹瑱C(jī)atmeg16，通過(guò)對(duì)IGBT的定時(shí)開(kāi)關(guān)控制，使交流波形按要求通過(guò)；同時(shí)對(duì)雙向晶閘管開(kāi)關(guān)控制使電阻電容電路充放電。得到新的波形頻率是原來(lái)頻率的1/3，1/5，1/7等。優(yōu)點(diǎn)是變頻器成本低，可以直接將交流電變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
文檔編號(hào)H02P27/04GK201051736SQ20072003714
公開(kāi)日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2007年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月26日
發(fā)明者夏曉雷, 張建化, 朱雷平, 躍 陳 申請(qǐng)人:徐州工程學(xué)院