交流電動機雙向電源切換控制器的製作方法

2023-06-24 02:28:16 1

專利名稱：交流電動機雙向電源切換控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電源切換控制器，特別是一種使用變頻電源及工頻電 源的各種電壓等級及容量的單相、三相交流電動機(異步電動機或同步電動機) 需要實施電源雙向切換的控制器。
背景技術：
變頻電源基於能實現電動機無衝擊軟起動及可觀的節能效益而被廣泛應 用，由於生產流程的要求，常常出現將電動機由變頻電源切向工頻電源，或反 向切換的需求。當今各種應用場合所使用的切換方法可歸納為兩類(1)隨機 (無條件)切換；(2)在變頻電源頻率接近或等於工頻電源頻率(我國為50Hz) 時切換。這兩類切換都違背了兩交流電源必須按電壓、頻率及相位相等或相近 的原則，因而導致在切換電源過程中常常產生很大的衝擊電流，甚至跳閘及誘 發機電設備的猛烈振動，不僅危及設備的安全、降低使用壽命，而且誘發電網 電壓的大幅度波動。因運行電動機在脫離電源的時段實質上表現為交流發電機 的特徵，當將其切換到另一電源的過程中必須遵循同期條件。 發明目的
本實用新型的目的是提供一種交流電動機雙向電源切換控制器，要解決的 技術問題是實現交流電動機在變頻電源及工頻電源之間平穩快速無衝擊切換。
本實用新型採用以下技術方案 一種交流電動機雙向電源切換控制器，具 有三端雙電源切換開關，切換開關一端與電動機連接，另兩端分別接工頻電源 和變頻電源，所述切換開關的正、反向切換驅動電路聯接到控制器的輸出端，控制器的輸入端連接有工頻電源電壓信號釆集電路和變頻電源電壓信號採集電路。
本實用新型的控制器採用ARM7單片機。
本實用新型的工頻電源電壓信號採集電路採用小型低功耗線性電壓互感 器，所述變頻電源電壓信號採集電路採用小型低功耗線性電壓互感器。
本實用新型單片機輸入的工頻電源電壓和變頻電源電壓經硬體低通濾波器 及軟體數字濾波進行信號處理。
本實用新型單片機的輸入端連接有切換開關輔助接點、閉鎖切換操作接點、 允許壓差設置電路、允許頻率設置電路、開關動作時間設置電路。
本實用新型的單片機輸出正向切換信號至正向控制繼電器，單片機輸出反 向切換信號至反向控制繼電器，正向控制繼電器和反向控制繼電器分別連接切 換開關的正向切換驅動電路和反向切換驅動電路。
本實用新型的單片機的輸出端連接有相位顯示器、信息指示燈。
本實用新型的正、反向切換開關輔助接點、閉鎖切換操作接點經光電隔離 器輸入控制器。
本實用新型的控制器採用了同步表12個LED燈中的10個LED燈，用於在 每次實行電源切換控制後自動測量切換開關的實際動作時間並通過給出測量結 果。
本實用新型的工頻電源電壓採集採用小型低功耗線性電壓互感器器，變頻 電源電壓採集採用小型低功耗線性電壓互感器器，切換開關輔助接點採用4N30 型光電隔離器，閉鎖切換操作接點採用4N30型光電隔離器，允許壓差設置、允 許頻率設置、開關動作時間設置採用十進位撥碼開關鍵盤，正向切換控制繼電 器採用小型電磁繼電器，反向切換控制器採用小型電磁繼電器，相位顯示採用12個亮度LED發光二極體。
本實用新型與現有技術相比，採用控制器，切換開關的正、反向切換驅動 電路聯接到控制器的輸出端，控制器的輸入端連接工頻電源電壓信號採集電路 和變頻電源電壓信號採集電路，控制器根據採集的工頻電源電壓信號和變頻電 源電壓信號進行計算後發出切換信號，使切換開關動作，消除了切換操作對電
源的衝擊。


圖1是本實用新型實施例的電路框圖。
圖2是本實用新型實施例的電路原理圖。 圖3是本實用新型的應用示例(一)。 圖4是本實用新型的應用示例(二)。 圖5是本實用新型的應用示例(三)。 圖6是本實用新型實施例的控制程序流程圖。 圖7是本實用新型實施例的控制器面板布置圖。
具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1所示，本 實用新型的交流電動機雙向電源切換控制器設有控制部件，用於將工頻電壓信 號採集電路和變頻電壓信號採集電路採集的信息進行硬體濾波、A/D轉換、數 字濾波、比較、計算，然後輸出控制信號去驅動切換開關動作。
如圖2所示，控制器由ARM7單片機為核心的電路構成，控制器實時採集 變頻電源及工頻電源的電壓信息，從交流電壓獲取它們的電壓差、頻率差及相 位差的實時值，不斷計算實測電壓差Al^UcrUB和頻率差Af:fo-fB與預先設置 的允許壓差給定值AUy及允許頻差給定值Afy比較，當這兩個量的實測值小於給定值時，控制器立即轉入快速求解以下微分方程的程序formula see original document page 7式中做=20 - /。為工頻電源與變頻電源的角頻率差
tf電源切換開關的動作時間(從接通開關操作電源到開關觸頭
閉合的時間)
&=控制器發出切換電源命令的兩電壓最佳相位差合閘角 與此同時，控制器不斷測量當前兩電壓Ue (工頻電壓)及Ub (變頻電壓) 的實時相位差^，當^ = &時控制器立即接通切換開關驅動電路，經tk後開關由 變頻電源轉接到工頻電源，或由工頻電源轉接到變頻電源，實現了電動機電源 平穩無衝擊切換。對於雙速電動機需要進行高速向低速或低速向高速切換時， 控制器可不受允許頻差定值制約，完成在相角差為零時實現切換。
控制器的核心是ARM7單片機，在充分利用單片機內置的存貯器、模擬量 輸入、數字量輸入、數字量輸出接口、定時器、通訊接口的基礎上，在單片機 外增設了一定數量的輸入/輸出接口電路，以實現接收外部狀態信號、顯示相位 信號、報警和控制切換等功能。
控制器的輸入信號有工頻電源電壓(單相)、變頻電源電壓(單相)、切 換開關正、反向輔助接點、閉鎖切換操作接點、壓差設置電路、頻率設置電路、 開關動作時間設置電路。輸出信號有變頻器升頻控制接點、變頻器降頻控制 接點、實施切換操作接點(接通切換開關驅動電路)、相位顯示、信息指示燈。 三端雙電源切換開關一端與電動機連接，另兩端分別接工頻電源和變頻電源， 根據需要可設置變頻器升壓、降壓控制接點。控制器輸出正向切換信號至正向 控制繼電器，單片機輸出反向切換信號至反向控制繼電器，正向控制繼電器和反向控制繼電器分別連接切換開關的正向切換驅動電路和反向切換驅動電路。
控制器電源取自工頻電源，電壓220VAC或110VAC 。
對於額定工作電壓為660VAC (含)以下的電壓可直接取用交流電壓的相電 壓或線電壓作為控制器的輸入信號，對於高於660VAC電源電壓的電動機，則 需通過將初級高壓變為次級電壓為100V的電壓互感器取得信號電壓。
輸入控制器的工頻電源電壓及變頻電源電壓分別經電壓互感器降壓、隔離 後進入控制器，由於這兩個輸入交流電壓，特別是變頻電源電壓在變頻器空載 時波形為脈寬調製的高頻矩形波，要從中提取電壓、頻率及相位的信息必須經 過硬體濾波器及數字濾波處理，以獲取電壓基波的各參數。控制器對交流電壓 以每周40點的採樣速度獲取電壓基波的幅值、頻率及相位值，進而求出兩電壓 的壓差、頻差及相位差。因此，控制器能在變頻器空載時進行正常切換。在與 給定的AUy及Afy比較後，如均小於給定值，則控制器進入求解前述合閘角&微 分方程的流程，當某個時刻出現實時相位差^ = &時，控制器發出切換控制命令， 完成電源平滑切換。
控制器通過十進位撥碼開關輸入切換開關正向及反向動作時間&及&2 (單
位毫秒，三位)、允許壓差AUy(單位％額定電壓， 一位)、允許頻差Afy (單位
IO"赫， 一位)。由12個LED發光二極體構成了由軟體控制的相位表，兩相鄰 LED燈的角差為30。，其作用有三個定性顯示兩輸入電壓的相位差、顯示兩 電壓頻率差的極性，燈光順時鐘旋轉表明變頻電源頻率高於工頻電源頻率、顯 示切換開關的實測動作時間，即tk。
通過回收開關輔助接點變位信號可實現實測開關動作時間的目的。控制器 在每次完成切換操作後，都會儲存該次操作所測得的開關實際動作時間。面板 上標有O、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9十個LED燈在控制器完成切換操作後其中有三個燈將依次顯示開關動作時間的百位、十位、個位(毫秒)，例如實測 動作時間為328毫秒，則短暫按一下面板上的"復^立"鍵後，首先"3"號燈點
亮1秒，熄滅0.5秒後"2"號燈點亮1秒，熄滅0.5秒後，再接著"8"號燈點
亮1秒，熄滅2秒繼續前述循環，直到操作者讀數後持續按"復位"鍵3秒鐘 後停止顯示。
作為最佳實施例，工頻電源電壓採集採用小型低功耗線性電壓互感器器， 變頻電源電壓採集採用小型低功耗線性電壓互感器器，切換開關輔助接點採用 經4N30型光電隔離器輸入，閉鎖切換操作接點採用經4N30型光電隔離器輸入， 允許壓差設置、允許頻差設置、開關動作時間設置均採用十進位撥碼開關輸入。 正向控制繼電器採用小型電磁繼電器，反向控制繼電器採用小型電磁繼電器， 相位顯示採用12個高亮度LED發光二極體。
如圖6所示，本實用新型的交流電動機雙向電源切換控制器設有控制器的 控制程序流程為上電或復位後，控制器首先讀取正、反向切換開關輔助接點 狀態，讀取設置參數，進行工頻、變頻電壓採樣及濾波，測量工頻、變頻電壓 差和頻率差，測量當前相位角，計算最佳合閘角&，捕捉首次出現的切換時機 發出切換命令，隨後測量開關實際動作時間。
本實用新型的交流電動機雙向電源切換控制器設有控制器的面板布置如圖 7所示，控制器有三個狀態指示燈，即電源指示燈(紅色)、壓差正向越限指示 燈(黃色)、壓差負向越限指示燈(綠色)。
本實用新型的交流電動機雙向電源切換控制器設有控制器應用示例如下
如圖3所示， 一臺變頻器配一臺電動機，即l拖l。當變頻器發生故障時， 通過保護裝置切斷開關Bp B2後由切換控制器合上開關B3，使電動機繼續在工 頻電源驅動下運行。如圖4所示， 一臺變頻器供多臺電動機共用，即1拖N。 1拖N的方式既 可用於多臺電動機依次由1臺變頻器進行軟起動後再接入工頻電源，以消除因 電動機過大的起動電流對電網電壓的影響。也可用於在各臺電動機負荷變化時， 將已近滿載的電動機由變頻電源切到工頻電源，變頻器只拖動當前還有調節容 量的電動機。既實現了節能又降低了設備投資。不難看出這種切換有時是將電 動機從變頻電源切向工頻電源，有時是將電動機從工頻電源切向變頻電源，即 雙向切換。
如圖5所示，異步起動永磁轉子同步電動機切換操作，異步起動永磁轉子
同步電動機定子具有兩個繞組， 一個是起動繞組， 一個是運行繞組，起動繞組 的極對數是運行繞組的一半，這樣使電動機異步起動時起動電流很小，故先將 三相電壓投向起動繞組，電動機的起動轉速接近或等於同步速時將電源由啟動 繞組切向運行繞組完成電動機的平穩起動。這一起動方式實質是將永磁轉子在 運行繞組中感應的交流電勢與工頻電源進行同期接通。
前述三種應用方式的切換，都必須遵循交流電源的同期原則，即在壓差和頻 差小於給定值時捕捉相位差為零的時機實現切換。因在交流電動機運轉過程中 脫離電源的時段內電動機表現為交流發電機的特徵。
本實用新型的交流電動機雙向電源切換控制器設有控制器的技術要點
(1) 高智能化、高性價比、免維護。
(2) 精確性確保切換電源時衝擊最小，幾近於零。這是由控制算法決定的， 即在壓差及頻差進入允許範圍時，通過快速求解計及頻差做的一階及二階 導數的合閘角&微分方程實現的。控制算法中還計入了電動機脫離電源時 段內頻率及電壓下降的參數修正。
(3) 快速性表現為能捕捉到首次出現的切換時機，這是建立在合閘角預測算法基礎上得以保證的。其原理是通過快速計算理想合閘角&及測量當前 實際相位差^，並計算出當前M^-&的值及其在做、^、 ^共同作
用下的行程時間U,U如大於求解&的計算周期tj，表明切換時機未到，控 制器繼續求解的&、 5、 A5及tA，直到U《t」時，控制器立即在延時U 後發出切換命令，確保捕捉到首次出現的切換時機。
(4) 快速精確的數字濾波算法變頻電源的輸出電壓波形混雜有極為豐富的諧 波及直流分量，特別是在變頻器空載時的電壓波形是脈寬調製(PWM或 SPWM)的矩形波，難以用常規正弦波電壓的算法獲取電源的電壓、頻率 及相位信息。因此，控制器採用了快速數字濾波算法，提取了變頻電源輸 出電壓的基波，保證了控制器切換的精確性。
(5) 自動測量切換開關的正、反向切換動作時間控制器每完成一次切換即可 提供一次實測的開關動作時間，以此作為修改開關動作時間定值的依據， 保證切換電源時的衝擊最小。
(6) 簡潔、經濟、可靠的人機界面考慮到性價比的指標，控制器摒棄了常規
的LCD液晶顯示屏，不僅降低了造價，還可適應在低溫(-l(TC以下)環 境下(如油田)的使用。選用撥碼開關設置參數、使用由LED發光二極 管構成的相位表等都體現了設計的可靠性、經濟性及免維護性的特點。 交流電動機作為各行各業大面積普遍採用的動力機械，它們是消耗電能的 大戶， 一旦與變頻電源結合起來產生的節能效益是可觀的，但當前各行業都毫 無例外的使用"隨機"的電源切換方式，頻繁的切換衝擊大大降低了電動機及 其傳動機械的使用壽命，並導致對電網電壓的強烈擾動。本實用新型技術徹底 消除了切換電源的衝擊，不僅提高了機械的壽命，淨化了電能質量，而且為大面積推廣有顯著節能效果的變頻電源的使用創造了有利條件。
權利要求1.一種交流電動機雙向電源切換控制器，具有三端雙電源切換開關，切換開關一端與電動機連接，另兩端分別接工頻電源和變頻電源，其特徵在於所述切換開關的正、反向切換驅動電路聯接到控制器的輸出端，控制器的輸入端連接有工頻電源電壓信號採集電路和變頻電源電壓信號採集電路。
2. 根據權利要求l所述的交流電動機雙向電源切換控制器，其特徵在於所述 控制器採用ARM7單片機。
3. 根據權利要求2所述的交流電動機雙向電源切換控制器，其特徵在於所述 工頻電源電壓信號採集電路採用小型低功耗線性電壓互感器，所述變頻電源 電壓信號採集電路採用小型低功耗線性電壓互感器。
4. 根據權利要求3所述的交流電動機雙向電源切換控制器，其特徵在於所述單片機輸入的工頻電源電壓和變頻電源電壓經硬體低通濾波器及軟體數字 濾波進行信號處理。
5. 根據權利要求4所述的交流電動機雙向電源切換控制器，其特徵在於所述 單片機的輸入端連接有切換開關輔助接點、閉鎖切換操作接點、允許壓差設 置電路、允許頻率設置電路、幵關動作時間設置電路。
6. 根據權利要求5所述的交流電動機雙向電源切換控制器，其特徵在於所述 單片機輸出正向切換信號至正向控制繼電器，單片機輸出反向切換信號至反 向控制繼電器，正向控制繼電器和反向控制繼電器分別連接切換開關的正向 切換驅動電路和反向切換驅動電路。
7. 根據權利要求6所述的交流電動機雙向電源切換控制器，其特徵在於所述單片機的輸出端連接有相位顯示器、信息指示燈。
8. 根據權利要求7所述的交流電動機雙向電源切換控制器，其特徵在於所述 正、反向切換開關輔助接點、閉鎖切換操作接點經光電隔離器輸入控制器。
9. 根據權利要求8所述的交流電動機雙向電源切換控制器，其特徵在於所述控制器採用了同步表12個LED燈中的IO個LED燈，用於在每次實行電源 切換控制後自動測量切換開關的實際動作時間並通過給出測量結果。
10. 根據權利要求9所述的交流電動機雙向電源切換控制器，其特徵在於所述工頻電源電壓採集採用小型低功耗線性電壓互感器器，變頻電源電壓採集採用小型低功耗線性電壓互感器器，切換開關輔助接點採用4N30型光電隔離 器，閉鎖切換操作接點採用4N30型光電隔離器，允許壓差設置、允許頻率 設置、開關動作時間設置採用十進位撥碼開關鍵盤，正向切換控制繼電器採 用小型電磁繼電器，反向切換控制器採用小型電磁繼電器，相位顯示採用12 個亮度LED發光二極體。
專利摘要本實用新型公開了一種交流電動機雙向電源切換控制器，要解決的技術問題是實現交流電動機在變頻電源及工頻電源之間平穩快速無衝擊切換。本實用新型的交流電動機雙向電源切換控制器，具有三端雙電源切換開關，切換開關一端與電動機連接，另兩端分別接工頻電源和變頻電源，切換開關的正、反向切換驅動電路接控制器的輸出端，控制器的輸入端接工頻電源電壓信號採集電路和變頻電源電壓信號採集電路。本實用新型與現有技術相比，採用控制器，控制器根據採集的工頻電源電壓信號和變頻電源電壓信號進行計算後發出切換信號，使切換開關動作，消除了切換操作對電源的衝擊。
文檔編號H02P1/00GK201130918SQ20072019617
公開日2008年10月8日 申請日期2007年12月19日 優先權日2007年12月19日
發明者葉念國 申請人:葉念國