本發(fā)明涉及逆變電源技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，特別涉及一種具有單相異步電機(jī)軟啟動(dòng)功能的高性能逆變電源。

背景技術(shù)：

電源車又稱移動(dòng)電源車，已成為經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要運(yùn)輸與作業(yè)裝備，可用于通信、電信、煤礦、電站、油田等相關(guān)應(yīng)急用電和戶外作業(yè)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(fā)電機(jī)發(fā)出來的幅值和頻率不穩(wěn)定的電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)載設(shè)備所需的市電電壓。負(fù)載設(shè)備各式各樣，其中就包含有電機(jī)類負(fù)載。單相異步電機(jī)以其高可靠性、低成本、易于維護(hù)、結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于家用電器(空調(diào)、電冰箱、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)等)、電動(dòng)工具、醫(yī)療器械及輕工設(shè)備中。

由于電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流比較大，一般為額定電流的5-7倍。如此大的啟動(dòng)電流一方面會加速電機(jī)的絕緣老化，降低電機(jī)的使用壽命且導(dǎo)致大量的能量被消耗，另一方面對啟動(dòng)電機(jī)的電源容量提出了更高要求，需配備幾倍于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(dòng)2.1kW電機(jī)時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)最大電流達(dá)70A，需配備15kW逆變電源才能滿足要求；同時(shí)當(dāng)電機(jī)大電流啟動(dòng)時(shí)，會導(dǎo)致電壓的大幅下降，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

針對電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流沖擊過大這一問題，目前主要提供的方法有：自耦降壓啟動(dòng)，可控硅軟啟動(dòng)，變頻啟動(dòng)等。

自耦降壓啟動(dòng)利用自耦變壓器的引出多個(gè)抽頭的方式，來改變輸入電壓，此方法能適應(yīng)不同負(fù)載啟動(dòng)的要求，得到的更大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩能用來啟動(dòng)較大容量的電機(jī)；但自耦變壓器體積大，啟動(dòng)柜所占空間大，而且受變壓器發(fā)熱影響，自耦變壓器降壓啟動(dòng)不能太頻繁。

可控硅軟啟動(dòng)，利用移相控制原理，控制可控硅的導(dǎo)通角，使電機(jī)的輸入電壓從零開始，按設(shè)定的函數(shù)上升，直至啟動(dòng)結(jié)束時(shí)賦予全電壓。可控硅軟啟動(dòng)屬于無級降壓啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)無沖擊電流，可引入閉環(huán)電流控制，使電機(jī)在啟動(dòng)過程中保持恒流，確保電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。但是，可控硅啟動(dòng)會引起高次諧波，對輸入電源有一定的影響；可控硅元件的故障高價(jià)格高；同時(shí)需新增可控硅、可控硅驅(qū)動(dòng)和控制電路，成本較高。

變頻器是電機(jī)控制效果比較好的控制方式，除了可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，還能實(shí)現(xiàn)變頻功能，通過控制頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。變頻器技術(shù)涉及到電力電子技術(shù)、控制技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)等，使用、開發(fā)、維護(hù)成本均比較高，專門應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速并且對速度控制要求比較高的領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有單相異步電機(jī)軟啟動(dòng)功能的高性能逆變電源。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種具有單相異步電機(jī)軟啟動(dòng)功能的高性能逆變電源，所述逆變電源采用電壓幅值環(huán)、電壓瞬時(shí)環(huán)和電流瞬時(shí)環(huán)三環(huán)控制方式，其還包括限流環(huán)和軟啟動(dòng)控制模塊；所述逆變電源采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(huán)得出輸出控制因子，并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(jīng)過電壓幅值環(huán)、電壓瞬時(shí)環(huán)和電流瞬時(shí)環(huán)三環(huán)控制后使交流輸出電壓值降低；所述軟啟動(dòng)控制模塊檢測逆變電源的輸入信號，當(dāng)輸入電壓信號達(dá)到一設(shè)定值時(shí)向逆變電源的控制器發(fā)出一控制信號，所述控制器根據(jù)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(shí)現(xiàn)輸出交流電壓的逐步上升。

進(jìn)一步地，所述限流環(huán)通過一限流啟動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，所述限流啟動(dòng)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(huán)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(huán)的輸入端。

進(jìn)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征集連接，所述電阻R177另一端接地，且所述電壓跟隨器的輸入端負(fù)極與其輸出端連接。

進(jìn)一步地，所述全波整流電路包括運(yùn)算放大器U3A、運(yùn)算放大器U3B、二極管V15和二極管V16；所述運(yùn)算放大器U3A的輸入端負(fù)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；所述二極管V15的陰極與運(yùn)算放大器U3A的輸出端連接，其陽極通過一電阻R10與運(yùn)算放大器U3B的輸入端負(fù)極連接；所述二極管V16的陽極與運(yùn)算放大器U3A的輸出端連接，其陰極與運(yùn)算放大器U3A的輸入端負(fù)極連接；所述 二極管V16的陰極還通過一電阻R9與二極管V15的陽極連接；所述運(yùn)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(fù)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(jìn)一步地，所述一階有源濾波電路包括運(yùn)算放大器U3C和運(yùn)算放大器U3D，所述運(yùn)算放大器U3C的輸入端負(fù)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(yùn)算放大器U3D的輸入端負(fù)極連接，其輸出端還通過相互并聯(lián)的電阻R14、電容C43與其輸入端負(fù)極連接；所述運(yùn)算放大器U3D的輸入端正極通過一電阻R155接地，其輸入端負(fù)極通過一電阻R143與其輸出端連接，其輸出端還與限流環(huán)電路連接。

進(jìn)一步地，所述限流環(huán)電路包括運(yùn)算放大器U16B和二極管V13，所述運(yùn)算放大器U16B的輸入端負(fù)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(fù)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(yùn)算放大器U16B的輸出端連接，所述電容C64與運(yùn)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；所述二極管V13的陰極與運(yùn)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(jìn)一步地，所述輸出控制因子處理電路包括運(yùn)算放大器U1C、滑動(dòng)變阻器RP1和控制端子，所述運(yùn)算放大器U1C的輸入端負(fù)極與限流環(huán)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(fù)極連接；所述滑動(dòng)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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明的逆變電源采用三環(huán)控制方式，包括電壓幅值環(huán)、電壓瞬時(shí)環(huán)和電流瞬時(shí)環(huán)，三環(huán)控制方式具有優(yōu)良的控制性能，電壓幅值環(huán)和電壓瞬時(shí)環(huán)在控制輸出電壓幅值的同時(shí)控制了其波形，電流環(huán)則不僅增加了控制系統(tǒng)的帶寬，加快了逆變電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，同時(shí)還增強(qiáng)了對非線性負(fù)載的抗擾能力，減少了輸出電壓的諧波含量。

2、本發(fā)明的逆變電源在逆變電源三環(huán)控制基礎(chǔ)上，增加的限流環(huán)路和軟啟動(dòng)控制模塊，能在大功率電機(jī)啟動(dòng)時(shí)有效限制啟動(dòng)電流在一定范圍內(nèi)，解決了大功率電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流過沖問題，提高了電機(jī)使用壽命，最終實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)。

3、本發(fā)明的逆變電源無需增加逆變電源容量、體積和控制復(fù)雜度，既能實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)啟動(dòng)功能，同時(shí)還能兼顧其他設(shè)備的正常運(yùn)行，限流和軟啟動(dòng)控制模塊簡單，可靠，是一種適用范圍廣、性能優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)適型逆變電源。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明所述具有單相異步電機(jī)軟啟動(dòng)功能的高性能逆變電源的控制原理圖。

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

圖3是本發(fā)明所述具有單相異步電機(jī)軟啟動(dòng)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(fā)明所述具有單相異步電機(jī)軟啟動(dòng)功能的高性能逆變電源的控制流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

實(shí)施例

參閱圖1所示，本實(shí)施例提供一種具有單相異步電機(jī)軟啟動(dòng)功能的高性能逆變電源，所述逆變電源采用電壓幅值環(huán)、電壓瞬時(shí)環(huán)和電流瞬時(shí)環(huán)三環(huán)控制方式，其還包括限流環(huán)和軟啟動(dòng)控制模塊；所述逆變電源采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(huán)得出輸出控制因子，并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(jīng)過電壓幅值環(huán)、電壓瞬時(shí)環(huán)和電流瞬時(shí)環(huán)三環(huán)控制后使交流輸出電壓值降低；所述軟啟動(dòng)控制模塊檢測逆變電源的輸入信號，當(dāng)輸入電壓信號達(dá)到一設(shè)定值時(shí)向逆變電源的控制器發(fā)出一控制信號，所述控制器根據(jù)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(shí)現(xiàn)輸出交流電壓的逐步上升。

本發(fā)明在使用時(shí)，在逆變電源三環(huán)基礎(chǔ)上，增加一個(gè)限流環(huán)和軟啟動(dòng)控制模塊。逆變 電源采集的交流輸出電流有效值與限流給定值相減后的誤差量，通過限流環(huán)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(dāng)啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，交流輸出電流有效值大于限流給定值，限流環(huán)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(jīng)過逆變電源的三環(huán)控制后，交流輸出電壓值得以降低，交流輸出電流即電機(jī)啟動(dòng)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(gè)變量，通過限流環(huán)和逆變電源三環(huán)的不斷調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的降壓限流啟動(dòng)功能。

而為滿足逆變電源的帶載啟動(dòng)要求，尤其是電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，逆變電源增加了軟啟動(dòng)功能。此軟啟動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)方式為：逆變電源檢測逆變電源的輸入電壓信號，當(dāng)輸入電壓信號上升到一定的穩(wěn)定量時(shí)，向控制器發(fā)出一個(gè)信號，控制器檢測到信號后，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(shí)現(xiàn)輸出交流電壓的逐步上升，防止過壓沖擊損壞負(fù)載。

同時(shí)，在綜合考慮電機(jī)啟動(dòng)電壓下降值和電流限流值對不同類負(fù)載設(shè)備的影響上，折衷了這兩個(gè)參數(shù)，以保證各類設(shè)備同時(shí)正常工作。

參閱圖2和圖3所示，本發(fā)明所述的限流環(huán)通過一限流啟動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，所述限流啟動(dòng)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(huán)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(huán)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征集連接，所述電阻R177另一端接地，且所述電壓跟隨器的輸入端負(fù)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(diǎn)，在此主要起到緩沖及阻抗匹配的作用。

所述全波整流電路包括運(yùn)算放大器U3A、運(yùn)算放大器U3B、二極管V15和二極管V16；所述運(yùn)算放大器U3A的輸入端負(fù)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；所述二極管V15的陰極與運(yùn)算放大器U3A的輸出端連接，其陽極通過一電阻R10與運(yùn)算放大器U3B的輸入端負(fù)極連接；所述二極管V16的陽極與運(yùn)算放大器U3A的輸出端連接，其陰極與運(yùn)算放大器U3A的輸入端負(fù)極連接；所述二極管V16的陰極還通過一電阻R9與二極管V15的陽極連接；所述運(yùn)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(fù)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(shí)，任何微小的電壓變化(變化達(dá)到uV級)都會引起二極管V15、V16的工作狀態(tài)的改變，實(shí)現(xiàn)波形翻轉(zhuǎn)，最終達(dá)到精密整流的目的。

所述一階有源濾波電路包括運(yùn)算放大器U3C和運(yùn)算放大器U3D，所述運(yùn)算放大器U3C的輸入端負(fù)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(yùn)算放大器U3D的輸入端負(fù)極連接，其輸出端還通過相互并聯(lián)的電阻R14、電容C43與其輸入端負(fù)極連接；所述運(yùn)算放大器U3D的輸入端正極通過一電阻R155接地，其輸入端負(fù)極通過一電阻R143與其輸出端連接，其輸出端還與限流環(huán)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(yīng)直流量，有源濾波器具有體積小、效率高、帶載能力強(qiáng)和頻率特性好等優(yōu)點(diǎn)。

所述限流環(huán)電路包括運(yùn)算放大器U16B和二極管V13，所述運(yùn)算放大器U16B的輸入端負(fù)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(fù)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(yùn)算放大器U16B的輸出端連接，所述電容C64與運(yùn)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；所述二極管V13的陰極與運(yùn)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(huán)電路主要對給定輸出限流電流值與輸出電流誤差值進(jìn)行限流環(huán)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(yùn)算放大器U1C、滑動(dòng)變阻器RP1和控制端子，所述運(yùn)算放大器U1C的輸入端負(fù)極與限流環(huán)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(fù)極連接；所述滑動(dòng)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(yùn)算放大器U1C的9腳，交流輸出電壓幅值量給定由5V基準(zhǔn)電壓經(jīng)過滑動(dòng)變阻器RP1分壓后得到，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(dāng)啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，交流輸出電流有效值大于限流給定值，限流環(huán)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(jīng)過圖1中逆變電源的三環(huán)控制后，交流輸出電壓值得以降低，交流輸出電流即電機(jī)啟動(dòng)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(gè)變量，通過限流環(huán)和逆變電源三環(huán)的不斷調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的降壓限流啟動(dòng)功能。

下面再結(jié)合圖4所示，對軟啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)一步說明：

軟啟動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)由軟件完成，當(dāng)檢測到輸入電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制器執(zhí)行軟啟動(dòng)程序。軟啟動(dòng)程序流程如圖所示，在輸入電壓達(dá)到設(shè)定值之前，K＝0，正弦波輸出為0；當(dāng)輸入電壓達(dá)到設(shè)定值，正弦波的幅值步進(jìn)量K每隔一個(gè)步進(jìn)時(shí)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(jìn)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(dāng)軟啟動(dòng)時(shí)間T達(dá)到設(shè)定的軟啟動(dòng)完成時(shí)間Tend時(shí)，正弦波賦值增大至基準(zhǔn)值，從而完成電源的軟啟動(dòng)過程。正弦波的幅值步進(jìn)量K每變化一次的步進(jìn)時(shí)間Tr和軟啟動(dòng)完成時(shí)間Tend可根據(jù)負(fù)載和客戶要求進(jìn)行設(shè)定，需修改時(shí)也較為靈活。

本發(fā)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(jī)啟動(dòng)時(shí)電流過沖問題，提高了電機(jī)使用壽命，同時(shí)因無需增加逆變電源容量、體積和控制復(fù)雜度而有效降低了逆變電源成本，是一種適用范圍廣、性能優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)適用型逆變電源。

雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是專利所有者可以在所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)做出各種變形或修改，只要不超過本發(fā)明的權(quán)利要求所描述的保護(hù)范圍，都應(yīng)當(dāng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。