一種具有單相異步電機軟啟動功能的高性能逆變電源的製作方法

2023-05-24 09:36:51

本發明涉及逆變電源技術領域，更具體地說，特別涉及一種具有單相異步電機軟啟動功能的高性能逆變電源。

背景技術：

電源車又稱移動電源車，已成為經濟建設中的重要運輸與作業裝備，可用於通信、電信、煤礦、電站、油田等相關應急用電和戶外作業工作。逆變電源作為電源車的主要核心部件，主要作用是將電源車發電機發出來的幅值和頻率不穩定的電壓轉換成負載設備所需的市電電壓。負載設備各式各樣，其中就包含有電機類負載。單相異步電機以其高可靠性、低成本、易於維護、結構簡單、體積小等優勢，廣泛應用於家用電器(空調、電冰箱、電風扇、洗衣機等)、電動工具、醫療器械及輕工設備中。

由於電機直接啟動時，啟動電流比較大，一般為額定電流的5-7倍。如此大的啟動電流一方面會加速電機的絕緣老化，降低電機的使用壽命且導致大量的能量被消耗，另一方面對啟動電機的電源容量提出了更高要求，需配備幾倍於額定容量的逆變電源，這無疑增加了逆變電源的成本，如啟動2.1kW電機時，電機啟動最大電流達70A，需配備15kW逆變電源才能滿足要求；同時當電機大電流啟動時，會導致電壓的大幅下降，影響其他設備的正常運行。

針對電機啟動時電流衝擊過大這一問題，目前主要提供的方法有：自耦降壓啟動，可控矽軟啟動，變頻啟動等。

自耦降壓啟動利用自耦變壓器的引出多個抽頭的方式，來改變輸入電壓，此方法能適應不同負載啟動的要求，得到的更大啟動轉矩能用來啟動較大容量的電機；但自耦變壓器體積大，啟動櫃所佔空間大，而且受變壓器發熱影響，自耦變壓器降壓啟動不能太頻繁。

可控矽軟啟動，利用移相控制原理，控制可控矽的導通角，使電機的輸入電壓從零開始，按設定的函數上升，直至啟動結束時賦予全電壓。可控矽軟啟動屬於無級降壓啟動，啟動時無衝擊電流，可引入閉環電流控制，使電機在啟動過程中保持恆流，確保電機平穩啟動。但是，可控矽啟動會引起高次諧波，對輸入電源有一定的影響；可控矽元件的故障高價格高；同時需新增可控矽、可控矽驅動和控制電路，成本較高。

變頻器是電機控制效果比較好的控制方式，除了可實現軟啟動功能，還能實現變頻功能，通過控制頻率來調節電機的轉速和轉矩。變頻器技術涉及到電力電子技術、控制技術及半導體技術等，使用、開發、維護成本均比較高，專門應用於電機調速並且對速度控制要求比較高的領域。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種具有單相異步電機軟啟動功能的高性能逆變電源。

為了達到上述目的，本發明採用的技術方案如下：

一種具有單相異步電機軟啟動功能的高性能逆變電源，所述逆變電源採用電壓幅值環、電壓瞬時環和電流瞬時環三環控制方式，其還包括限流環和軟啟動控制模塊；所述逆變電源採集交流輸出電流有效值與限流給定值之間的誤差量，通過限流環得出輸出控制因子，並且交流輸出電壓幅值量減去輸出控制因子和交流輸出電壓有效值反饋量得出輸出電壓幅值給定量，該輸出電壓幅值給定量經過電壓幅值環、電壓瞬時環和電流瞬時環三環控制後使交流輸出電壓值降低；所述軟啟動控制模塊檢測逆變電源的輸入信號，當輸入電壓信號達到一設定值時向逆變電源的控制器發出一控制信號，所述控制器根據該控制信號控制正弦波信號的幅值，使正弦波基波從0不斷地上升到1，以實現輸出交流電壓的逐步上升。

進一步地，所述限流環通過一限流啟動電路實現，所述限流啟動電路包括依次連接的電壓跟隨電路、全波整流電路、一階有源濾波電路、限流環電路和輸出控制因子處理電路，所述電壓跟隨電路連接在逆變電源的輸出電流反饋端，所述輸出控制因子處理電路的輸出端作為電壓幅值環的輸入端。

進一步地，所述電壓跟隨電路包括電壓跟隨器、電阻R144和電阻R177，所述電阻R144一端、電阻R177一端均與逆變電源的輸出電流反饋端連接，所述電阻R144另一端與電壓跟隨器的輸入端徵集連接，所述電阻R177另一端接地，且所述電壓跟隨器的輸入端負極與其輸出端連接。

進一步地，所述全波整流電路包括運算放大器U3A、運算放大器U3B、二極體V15和二極體V16；所述運算放大器U3A的輸入端負極通過一電阻R116與電壓跟隨電路輸出端連接，其輸入端正極通過一電阻R7接地；所述二極體V15的陰極與運算放大器U3A的輸出端連接，其陽極通過一電阻R10與運算放大器U3B的輸入端負極連接；所述二極體V16的陽極與運算放大器U3A的輸出端連接，其陰極與運算放大器U3A的輸入端負極連接；所述 二極體V16的陰極還通過一電阻R9與二極體V15的陽極連接；所述運算放大器U3B的輸入端正極通過一電阻R11接地，其輸出端與一階有源濾波電路連接，其輸出端還通過一電阻R12與其輸入端負極連接，所述電阻R12還通過一電阻R8與電壓跟隨電路輸出端連接。

進一步地，所述一階有源濾波電路包括運算放大器U3C和運算放大器U3D，所述運算放大器U3C的輸入端負極通過一電阻R13與全波整流電路輸出端連接，其輸入端正極通過一電阻R16接地，其輸出端通過一電阻R147與運算放大器U3D的輸入端負極連接，其輸出端還通過相互並聯的電阻R14、電容C43與其輸入端負極連接；所述運算放大器U3D的輸入端正極通過一電阻R155接地，其輸入端負極通過一電阻R143與其輸出端連接，其輸出端還與限流環電路連接。

進一步地，所述限流環電路包括運算放大器U16B和二極體V13，所述運算放大器U16B的輸入端負極通過一電阻R148與一階有源濾波電路輸出端連接，其輸入端正極與電阻R154、電阻R161連接，其輸入端負極還與一電阻R145、電容C64連接，所述電阻R145通過一電容C65與運算放大器U16B的輸出端連接，所述電容C64與運算放大器U16B的輸出端連接，所述電阻R154的一端還通過電容C68連接，所述電阻R161還接地，所述電阻R154還與5V電源連接；所述二極體V13的陰極與運算放大器U16B的輸出端連接，其陽極通過電阻R151與輸出控制因子處理電路連接。

進一步地，所述輸出控制因子處理電路包括運算放大器U1C、滑動變阻器RP1和控制端子，所述運算放大器U1C的輸入端負極與限流環電路的輸出端、電阻R21連接，其輸入端正極通過一電阻R23接地，其輸出端與一電阻R80連接，其輸出端還通過一電阻R22與其輸入端負極連接；所述滑動變阻器RP1的一端通過電阻R95與5V電源連接，其另一端通過電阻R20接地，其控制端與控制端子連接；所述電阻R21還依次通過電容EC1、電阻R42接地，該電阻R21還與電阻R20連接。

與現有技術相比，本發明的優點在於：

1、本發明的逆變電源採用三環控制方式，包括電壓幅值環、電壓瞬時環和電流瞬時環，三環控制方式具有優良的控制性能，電壓幅值環和電壓瞬時環在控制輸出電壓幅值的同時控制了其波形，電流環則不僅增加了控制系統的帶寬，加快了逆變電源的動態響應速度，同時還增強了對非線性負載的抗擾能力，減少了輸出電壓的諧波含量。

2、本發明的逆變電源在逆變電源三環控制基礎上，增加的限流環路和軟啟動控制模塊，能在大功率電機啟動時有效限制啟動電流在一定範圍內，解決了大功率電機啟動時電流過衝問題，提高了電機使用壽命，最終實現了電機的軟啟動。

3、本發明的逆變電源無需增加逆變電源容量、體積和控制複雜度，既能實現大功率電機啟動功能，同時還能兼顧其他設備的正常運行，限流和軟啟動控制模塊簡單，可靠，是一種適用範圍廣、性能優良的經濟適型逆變電源。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明所述具有單相異步電機軟啟動功能的高性能逆變電源的控制原理圖。

圖2是本發明所述具有單相異步電機軟啟動功能的高性能逆變電源中限流軟啟動控制模塊的電路圖。

圖3是本發明所述具有單相異步電機軟啟動功能的高性能逆變電源中輸出控制因子處理電路的電路圖。

圖4是本發明所述具有單相異步電機軟啟動功能的高性能逆變電源的控制流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特徵能更易於被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範圍做出更為清楚明確的界定。

實施例

參閱圖1所示，本實施例提供一種具有單相異步電機軟啟動功能的高性能逆變電源，所述逆變電源採用電壓幅值環、電壓瞬時環和電流瞬時環三環控制方式，其還包括限流環和軟啟動控制模塊；所述逆變電源採集交流輸出電流有效值與限流給定值之間的誤差量，通過限流環得出輸出控制因子，並且交流輸出電壓幅值量減去輸出控制因子和交流輸出電壓有效值反饋量得出輸出電壓幅值給定量，該輸出電壓幅值給定量經過電壓幅值環、電壓瞬時環和電流瞬時環三環控制後使交流輸出電壓值降低；所述軟啟動控制模塊檢測逆變電源的輸入信號，當輸入電壓信號達到一設定值時向逆變電源的控制器發出一控制信號，所述控制器根據該控制信號控制正弦波信號的幅值，使正弦波基波從0不斷地上升到1，以實現輸出交流電壓的逐步上升。

本發明在使用時，在逆變電源三環基礎上，增加一個限流環和軟啟動控制模塊。逆變 電源採集的交流輸出電流有效值與限流給定值相減後的誤差量，通過限流環得到輸出控制因子，輸出控制因子大小代表限流程度；交流輸出電壓幅值量減去輸出控制因子和交流輸出電壓有效值反饋量，就是最終的輸出電壓幅值給定量。

當啟動電機時，交流輸出電流有效值大於限流給定值，限流環得到的輸出控制因子增大，從而降低最終的輸出電壓幅值給定值，經過逆變電源的三環控制後，交流輸出電壓值得以降低，交流輸出電流即電機啟動電流也得以降低。正是最終的輸出電壓幅值給定值綜合考慮了輸出控制因子這個變量，通過限流環和逆變電源三環的不斷調節，最終實現了電機的降壓限流啟動功能。

而為滿足逆變電源的帶載啟動要求，尤其是電機啟動時，逆變電源增加了軟啟動功能。此軟啟動功能實現方式為：逆變電源檢測逆變電源的輸入電壓信號，當輸入電壓信號上升到一定的穩定量時，向控制器發出一個信號，控制器檢測到信號後，控制正弦波信號的幅值，使正弦波基波從0不斷地上升到1，從而實現輸出交流電壓的逐步上升，防止過壓衝擊損壞負載。

同時，在綜合考慮電機啟動電壓下降值和電流限流值對不同類負載設備的影響上，折衷了這兩個參數，以保證各類設備同時正常工作。

參閱圖2和圖3所示，本發明所述的限流環通過一限流啟動電路實現，所述限流啟動電路包括依次連接的電壓跟隨電路、全波整流電路、一階有源濾波電路、限流環電路和輸出控制因子處理電路，所述電壓跟隨電路連接在逆變電源的輸出電流反饋端，所述輸出控制因子處理電路的輸出端作為電壓幅值環的輸入端。

所述電壓跟隨電路包括電壓跟隨器、電阻R144和電阻R177，所述電阻R144一端、電阻R177一端均與逆變電源的輸出電流反饋端連接，所述電阻R144另一端與電壓跟隨器的輸入端徵集連接，所述電阻R177另一端接地，且所述電壓跟隨器的輸入端負極與其輸出端連接。所述電壓跟隨電路具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特點，在此主要起到緩衝及阻抗匹配的作用。

所述全波整流電路包括運算放大器U3A、運算放大器U3B、二極體V15和二極體V16；所述運算放大器U3A的輸入端負極通過一電阻R116與電壓跟隨電路輸出端連接，其輸入端正極通過一電阻R7接地；所述二極體V15的陰極與運算放大器U3A的輸出端連接，其陽極通過一電阻R10與運算放大器U3B的輸入端負極連接；所述二極體V16的陽極與運算放大器U3A的輸出端連接，其陰極與運算放大器U3A的輸入端負極連接；所述二極體V16的陰極還通過一電阻R9與二極體V15的陽極連接；所述運算放大器U3B的輸入端正極通 過一電阻R11接地，其輸出端與一階有源濾波電路連接，其輸出端還通過一電阻R12與其輸入端負極連接，所述電阻R12還通過一電阻R8與電壓跟隨電路輸出端連接。

所述全波整流電路在使用時，任何微小的電壓變化(變化達到uV級)都會引起二極體V15、V16的工作狀態的改變，實現波形翻轉，最終達到精密整流的目的。

所述一階有源濾波電路包括運算放大器U3C和運算放大器U3D，所述運算放大器U3C的輸入端負極通過一電阻R13與全波整流電路輸出端連接，其輸入端正極通過一電阻R16接地，其輸出端通過一電阻R147與運算放大器U3D的輸入端負極連接，其輸出端還通過相互並聯的電阻R14、電容C43與其輸入端負極連接；所述運算放大器U3D的輸入端正極通過一電阻R155接地，其輸入端負極通過一電阻R143與其輸出端連接，其輸出端還與限流環電路連接。

所述一階有源濾波電路是一種選頻電路，主要為了阻止50Hz頻率的信號通過，得到輸出電流的相應直流量，有源濾波器具有體積小、效率高、帶載能力強和頻率特性好等優點。

所述限流環電路包括運算放大器U16B和二極體V13，所述運算放大器U16B的輸入端負極通過一電阻R148與一階有源濾波電路輸出端連接，其輸入端正極與電阻R154、電阻R161連接，其輸入端負極還與一電阻R145、電容C64連接，所述電阻R145通過一電容C65與運算放大器U16B的輸出端連接，所述電容C64與運算放大器U16B的輸出端連接，所述電阻R154的一端還通過電容C68連接，所述電阻R161還接地，所述電阻R154還與5V電源連接；所述二極體V13的陰極與運算放大器U16B的輸出端連接，其陽極通過電阻R151與輸出控制因子處理電路連接。

限流環電路主要對給定輸出限流電流值與輸出電流誤差值進行限流環處理，輸出限流控制因子Iset，輸出限流控制因子的大小代表的是限流程度。

所述輸出控制因子處理電路包括運算放大器U1C、滑動變阻器RP1和控制端子，所述運算放大器U1C的輸入端負極與限流環電路的輸出端、電阻R21連接，其輸入端正極通過一電阻R23接地，其輸出端與一電阻R80連接，其輸出端還通過一電阻R22與其輸入端負極連接；所述滑動變阻器RP1的一端通過電阻R95與5V電源連接，其另一端通過電阻R20接地，其控制端與控制端子連接；所述電阻R21還依次通過電容EC1、電阻R42接地，該電阻R21還與電阻R20連接。

輸出限流控制因子反饋至運算放大器U1C的9腳，交流輸出電壓幅值量給定由5V基準電壓經過滑動變阻器RP1分壓後得到，交流輸出電壓幅值量給定除了需減去交流輸出電 壓有效值的反饋量外，還考慮了輸出限流控制因子，才得到最終的輸出電壓幅值給定量。

當啟動電機時，交流輸出電流有效值大於限流給定值，限流環得到的輸出控制因子增大，從而降低最終的輸出電壓幅值給定量，經過圖1中逆變電源的三環控制後，交流輸出電壓值得以降低，交流輸出電流即電機啟動電流也得以降低。正是最終的輸出電壓幅值給定值綜合考慮了輸出控制因子這個變量，通過限流環和逆變電源三環的不斷調節，最終實現了電機的降壓限流啟動功能。

下面再結合圖4所示，對軟啟動的實現過程進一步說明：

軟啟動控制的實現由軟體完成，當檢測到輸入電壓達到設定值時，控制器執行軟啟動程序。軟啟動程序流程如圖所示，在輸入電壓達到設定值之前，K＝0，正弦波輸出為0；當輸入電壓達到設定值，正弦波的幅值步進量K每隔一個步進時間Tr自增1，正弦波輸出值為Y＝K(sinwt)/N，這樣，隨著正弦波的幅值步進量K的不斷增大，正弦波賦值也從0慢慢增大，這樣，輸出交流電壓的逐步上升；當軟啟動時間T達到設定的軟啟動完成時間Tend時，正弦波賦值增大至基準值，從而完成電源的軟啟動過程。正弦波的幅值步進量K每變化一次的步進時間Tr和軟啟動完成時間Tend可根據負載和客戶要求進行設定，需修改時也較為靈活。

本發明的逆變電源電路簡單，可靠，除滿足一般逆變電源性能要求外，解決了電機啟動時電流過衝問題，提高了電機使用壽命，同時因無需增加逆變電源容量、體積和控制複雜度而有效降低了逆變電源成本，是一種適用範圍廣、性能優良的經濟適用型逆變電源。

雖然結合附圖描述了本發明的實施方式，但是專利所有者可以在所附權利要求的範圍之內做出各種變形或修改，只要不超過本發明的權利要求所描述的保護範圍，都應當在本發明的保護範圍之內。