本发明涉及一逆变桥拖动多台电机控制系统， 特别是一逆变拖动 多台电机实现输入功率同时随负载和转速变化 控制系统。 背景技术

当今世界上把电能转换成机械能基本上都是通 过电动机来实现 的。 据国外资料介绍： 美、 日、 法、 俄四个国家的电动机所消耗的电 能占全部工业消耗电能的比重均超过 60%， 据有关部门调査， 我国几 个主要电网中， 电动机所消耗电能的比重， 占整个工业用电的 60%-68%, 与工业发达国家的比重大致相仿。 因此， 世界各国竞相研 制并推广各种先进技术与设备， 以促使电动机经济运行。 我国在研制 和采用各种促进电动机经济运行装置与技术上 ， 均取得了显著成效与 经验。 随着电力电子技术、 微电子技术、 控制技术以及其他方面例如制 造工艺发展， 调速装置繁多， 呈百花齐放趋势。 其中， 变频调速是性 能最好、 最具发展前途的装置。 特别是矢量控制技术和直接转矩控制 技术的应用， 变频技术日趋成熟， 以其宽广的调速范围、 较高的稳速 精度， 快捷的动态响应， 以及能在直角坐标系中的四象限内作可逆运 行的性能， 位居交流传动之首， 其调速性能完全可以和直流传动相媲 美， 并有取代之势。 目前业已商业化的大型电力电子器件以及变频 生产制造仍以世界 知名企业为主， 比如： 德国的西门子电气传动有限公司、 芬兰瓦萨控 制系统有限公司、 瑞士 ABB、 法国施耐得电气公司和日本安川等。 上 述工业发达国家的产品， 在我国相关应用领域也到处可见。 只是这些 产品中， 对于一种电气功能采用一个变频器， 而一个变频器就需要配 置一个逆变桥； 如果还要求变频调速系统拥有能量回馈功能， 则需再 增设逆变桥。 显然这不仅使系统变得庞大复杂， 稳定性差， 而且可维 修性不好， 性价也很高。 针对上述已有变频技术存在的缺陷， 本发明人就如何用一个逆变 桥拖动多台电动机异步同时实现转子变频调速 系统， 先后在起重机、 油田抽油机和注水泵以及钢球机等方面进行了 大量的针对性试验， 并 为交流和直流设备设计制造了柜体和箱体， 实施了批量生产与应用。 收到了良好的效果。 同时， 已先后相继申请三项发明专利， 均获准国 家知识产权局的授权， 其专利号分别为 " ZL 200810094147.6" 、 "ZL 200810048732.2"和 "ZL 200810048252.2" 。 然而， 在电气传动系统中， 一方面根据电机的功率平衡方程式: Pl=3UlIlCOScpl

式中 P1 -—— 电机输入功率 （KW) ；

U1—-— 定子绕组相电压 （KV) ；

II…― 定子绕组相电流 （A) ；

φΐ --- 相电压与相电流之间夹角；

3UlIlCOScpl—电动机功率因数。 另一方面， 为了分析方便， 在不考虑电机定子铜铁损耗和转子机 械损耗的前提下， 又有：

P1=P2+PS

这里， P2-—电机输出功率， 即负载功率；

PS-—电机转差功率， 即电机调速后经逆变桥回馈到电网或电机的 功率。

而且 Ps=SPl

所以 Pl=P2+Ps =P2+SP1

或 P2=P1-SP1

-Pl( 1-S )

基于在电气传动系统中， 电机和转差率 S为: 所以

ρ ₂ = Λ (ι - s )

= Ρ

式中 No---电机转子同步转遠

N —电机转子瞬时转 由于电机转子同步转速 No 一常数，所以从上式中可以看出电机 输出功率 P1同时与电机输出功^ P2(即负载)和电机转子瞬时转速 N密 切相关。 综合上面的分析， 可以清楚 I地得出在电气传动系统中通常会遇到 三种工作状态： 第一种工作状态降电机转子转速不变， 而系统负载瞬 时变化； 第二种工作状态是系统 载不变， 而电机转子转速瞬时变化； 第三种工作状态是系统负载和电 转子转速都瞬时变化。 鉴于现行的电机设计能力不能完全满足电气传 动系统的要求， 或 者说不可能使电机在高效率区恒定运行。 如今， 在电气传动系统的实 际运行中， 人们也就只对第一种或第二种工作状态的电气 传动系统做 出了贡献。 所述第一种及第二种工作状态的电气传动系统 曾在上海科 学出版社出版的 《电动机节能改造实用手册》 及相关专利文献中均有 反映。 但是， 随着科学技术的迅猛发展和节约能源的迫切需 求， 急切 期待着有应用于第三种工作状态的电气传动控 制系统问世。 发明内容

本发明的目的， 就是为了解决系统负载和电机转子转速都瞬时 变 化的情况下， 而提出的一种解决方案。 即提供上述的第三种工作状态 的电气传动控制系统。 该解决方案是利用一逆变桥拖动多台电机实现 输入功率同时随负载和转速的变化控制系统。 即提供用逆变桥拖动多 台电机， 一方面实现输入功率随电气传动系统中各负载 瞬时变化而变 化， 另一方面， 又同时实现输入功率随电气传动系统中各功能 电机转 速瞬时变化而变化， 而且各电机独立运行， 协调同步， 实时控制， 互 不干扰。 此外， 本发明还应具备能量回馈再利用功能， 即经逆变桥输出的 交流电以与电网电源同频同相的形式， 将能量回馈给电网或电机， 解 决电动机 "倒发电" 问题， 有效节约能源。 为了达到上述目的， 本发明采用的技术方案是：

一逆变桥拖动多台电机实现输入功率同时随负 载和转速变化控制 系统， 包括：

一定子调压单元 1、 一电动机单元 2、 一转子调速单元 3、 一逆变 桥单元 4、 一控制驱动单元 5、 一信号处理单元 6， 共计六部分， 其中： 所述定子调压单元 1， 包括有多个定子调压模件， 其中有第一定 子调压模件 1.1， 直至第 N定子调压模件 l .N， 用以检测功率因数， 作 为控制输入电压的信号， 再由控制电压变化来调节输入功率， 使其随 负载的变化而变化。 所述电动机单元 2，包括有包括有多个电机，其中有第一电机 Ml， 直至第 N电机 MN, 用以异步同时完成电气传动系统中的各项工作 。 所述转子调速单元 3， 包括有多个转子调速模件， 其中有第一转 子调速模件 3.1,直至第 N转子调速模件 3.N,用以检测转子电压和斩波 器电流， 作为控制输入电压的信号， 再由控制电压的变化来调节输入 功率， 使其随转速的变化而变化。 所述逆变桥单元 4， 用以将各功能电机转子输出的不同频率的交 流电信号经整流为直流信号， 再行逆变成与电网电源同频， 同相的工 频交流电信号， 将其电能有效回馈到至电网或电机。 所述控制驱动单元 5， 包括有多个控制驱动模件， 其中有第一控 制驱动模件 5.1,直至第 N控制驱动模件 5.N,用以接收来自信号调理单 元 6 的数字信号， 进行数字处理并加以放大驱动， 依次实时控制点工 作调压单元和转子调速单元的工作， 实现输入功率同时随负载和转速 变化而变化的在线控制工作。 所述信号调理单元 6， 包括有多个信号调理模件， 其中有第一信 号调理模件 6.1，直至第 N信号调理模件 6.N，用以接收来自定子调压单 元和转子调速单元各传感器所检测的相关信号 ， 并进行信号处理和模 数转换， 以相应的数字信号依次分别送至各对应的控制 驱动单元， 进 行实时处理和控制应用。 本发明的技术方案是： 一方面通过检测电机在线实时功率因数， 即定子相电压、 相电流， 用以作为整个系统的控制输入电压信号， 再 由控制输入电压信号的变化来调节输入功率的 大小， 使其随负载的变 化而变化； 另一方面， 同时通过采用转子变频技术， 检测电机转子电 压， 整流器输出电流， 过压保护电流和斩波器工作电流， 用以作为整 个系统的控制输入电压信号， 再由控制输入电压信号的变化来控制斩 波器的工作， 即等同于看作调节输入功率的大小， 使其随转速变化而 变化。 诚然， 上述各种信号的检测是借助设置各路传感器来 采集的， 而其相应变化是由各个微处理器在其主程序控 制下实现的。 本发明的有益效果是： 本发明基于以软件升级比硬件升级更为优 化， 同时在开发过程中用软件调试一般不会造成硬 件物理损坏的整体 理念， 本发明采用多个微处理（CPU)操作系统， 开展分路功能模块化 电路结构设计， 明确接口标准， 内插信号调理技术， 以简明的机械结 构和建立硬件平台为依托， 侧重以软件代替硬件， 充分利用软件控制 技术， 实施系统实时控制， 实现输入功率同时随负载和转速变化而变 化的工作状态， 同时只用一个逆变桥确保转差功率能量有效回 馈到电 网或电机。 具有设计新颖， 结构合理， 工作可靠， 可维修性好， 节能 效果明显， 应用领域宽广等特点。 附图说明

图 1为本发明整体电路原理框图。

图 2为本发明六个单元相互连接电路图。

图 3为本发明第 1、 2、 3单元电路放大图。

图 4为本发明第 4、 5、 6单元电路放大图。 图中符号说明

1是定子调压单元，

1.1是第一定子调压模件，

1.N是第 N定子调压模件，

G 1— G N 是功率因数传感器组，

KP11 , KP21 , KP31— KP1N, KP2N, KP3N, 是定子调压器组， Cl l、 C21、 C31、 C41、 C51 、 C61— C1N、 C2N1、 C3N、 C4N、 C5N、 C6N 是电容器组，

Rl l、 R21、 R31— R1N 、 R2N 、 R3N是电阻器组； υ ι和 uii是第一电机 MI的三个定子中任意两相相电压和任意 一相相电流折算的直流电压；

U # 1和 UI1是第 N电机 MN的三个定子中任意两相相电压和任 意一相相电流折算的直流电压； .

2是电动机单元；

Ml是第一电机； MN是第 N电机;

3是转子调速单元；

3.1是第一转子调速模件；

3.N是第 N转子调速模件；

Zl—-- ZN是整流器组，

HI .... HN 是霍尔电压传感器组；

H21、 H31、 H41— H2N、 H3N 、 H 4N是霍尔电流传感器组;

IGBT1 — IGBTN是斩波器组：

UR1— URN 是过压保护器组；

Dl l、 D2 D31和 Dl l、 D2N、 D3N、是隔离器组：

C71—C7N是滤波电容器组； 4是逆变桥单元

L1是电抗器

KP4、 ΚΡ5、 ΚΡ6、 ΚΡ7、 ΚΡ8、 ΚΡ9 是可控硅；

C8、 C9、 C10、 Cl l、 C12、 C13、 C14、 C15、 C16、

C16、 C17、 C18、 C19、 是电容器；

R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 R9、 是电阻器；

Ul是第一电机 Ml的三个转子任意两相相电压， UN是第 N电机 MN 的三个转子任意两相相电压；

UDI1和 UDIN 分别是整流器 Z1和 ZN输出直流电流折算的直流 电压；

UDY1和 UDYN 分别是流经过保护器 UR1和 URN的过流电流折 算的直流电压；

UTI1和 UTIN 分别是流经过斩波器 IGBT1---IGBTN阳极的电流 折算的直流电压。

5是控制驱动单元

5.1是第一控制驱动模件；

5.N是第 N控制驱动模件；

U51—U5N是触发驱动器组;

6是信号调理单元

6.1是第一信号调理模件；

6.N是第 N信号调理模件；

U11---U1N是信号处理器组；

U21—U2N是模数转换器组；

UM1—UMN是在线工作主令电压。 具体实施方式

请参阅图 1-图 4所示， 为本发明具体实施例。

如图 1、 图 2所示： 本发明由一定子调压单元 1、 一电动机单元 2、 一转子调速单元 3、 一逆变桥单元 4、 一控制驱动单元 5、 一信号处理 单元 6构成一个整体， 其中：

所述定子调压单元 1， 包括有多个定子调压模件， 其中有第一定 子调压模件 1.1， 直至第 N定子调压模件 1.N; 这里所述的 N代表多个 的含义。 如图 3 所示， 所述第一定子调压模件 1.1 设置有定子调压器组 KP11 , KP21 , KP31 , 电阻器组 Rl l、 R21、 R31， 电容器组 Cl l、 C21、 C3 K C41、 C51和 C61 ; 且按 KP11、 Rl l、 Cl l、 C21， KP21、 R21、 R31、 R41 以及 KP31、 R31、 R41、 R51、 R61 分成了三路， 各路的输 入端依次分别与电网电源的 ABC三相相连接， 而其输出端依次分别与 第一电机 Ml的三个定子相连接；且进入了三个定子的三� ��电源线上设 置有功率因数传感器 G1 ; 如图 3 所示， 所述第 N定子调压模件 1.N设置有定子调压器组 KP1N, KP2 N, KP3 N, 电阻器组 R1N、 R2 N、 R3 N， 电容器组 C1N、

C2 N、 C3 N、 C4 N、 C5 N和 C6 N; 且按 KP1 N、 Rl N、 CI N、 C2 N, KP2 N、 R2 N、 R3 N、 R4 N以及 KP3 N、 R3 N、 R4 N、 R5 N、 R6 N 分成了三路， ，各路的输入端一次分别与电网电源的 ABC三相相连接， 而其输出端一次分别与第一电机 Ml的三个定子相连接；且进入了三个 定子的三相电源线上设置有功率因数传感器 GN; 如图 3所示， 所述电动机单元 2, 包括有多个电机， 其中有第一 电机 Ml , 直至第 N电机 MN; 且第一电机 Ml的三个定子依次分别与 第一定子调压模件 1.1中的三个定子调压器 KP11、 KP21和 KP31各自 的输出端相对应连接，其三个转子依次分别与 第一调速模件 3.1中的整 流器 Z1的三个输入端相对应连接；而第 Ν电机 ΜΝ的三个定子依次分 别与第 Ν 定子调压模件 1.N 中的三个定子调压器 ΚΡ1Ν、 ΚΡ2Ν 和 ΚΡ3Ν各自的输出端相对应连接，其三个转子� �次分别与第 Ν调速模件 3.Ν中的整流器 ΖΝ的三个输入端相对应连接。 如图 3所示， 所述转子调速单元 3， 包括有多个调速模件， 其中 有第一转子调速模件 3.1， 直至第 Ν转子调速模件 3.Ν; 如图 3所示， 所述第一转子调速模件 3.1， 设置有整流器 Zl， 斩 波器 IGBT1 , 过压保护器 UR1， 隔离器组 Dl l、 D21、 D31及滤波电容 器 C71，且整流器 Z1的三个输入端与 电机 Ml的三个转子的三相电源 线上设置有霍尔电压传感器 H11 ; 隔离器 D11的负极与隔离器 D21的 正极 Q1点之间设置有霍尔电流传感器 H21 ； 隔离器的正极 Q1点与过 压保护器 UR1上方 S1点之间设置有霍尔电流传感器 H31 ；隔离器 D21 的正极 Q1 点与斩波器 IGBT1 阳极 TC1 之间设置有霍尔电流传感器 H41 ； 如图 3所示， 所述第 N转子调速模件 3.N， 设置有整流器 Z _N ， 斩 波器 IGBTN, 过压保护器 URN， 隔离器组 D1N、 D2N、 D3N及滤波电 容器 C7N， 且整流器 ZN的三个输入端与第一电机 MN的三个转子的 三相电源线上设置有霍尔电压传感器 H1N; 隔离器 DN的负极与隔离 器 D2N的正极 QN点之间设置有霍尔电流传感器 H2N；隔离器的正极 QN点与过压保护器 URN上方 SN点之间设置有霍尔电流传感器 H3N； 隔离器 D2N的正极 QN点与斩波器 IGBTN阳极 TCN之间设置有霍尔 电流传感器 H4N。 所述单元用以检测转子电压和斩波器电流， 作为控 制输入电压的信号， 再由控制电压的变化来调节输入功率， 使其随转 速的变化而变化。 如图 4所示，所述逆变桥单元 4，包括有电抗器 Ll，可控硅组 KP4 与 KP7， ΚΡ5与 ΚΡ8， ΚΡ6与 ΚΡ9 ； 电阻器组 R4与 R7， R5与 R8，

R6与 R9; 电容器组 C8、 C9与 C14、 C15, C10、 C11与 C16、 C17， C12、 C13与 C18、 C19; 其中电抗器 LI的 H点与可控硅组 KP4、 ΚΡ5、 ΚΡ6的阳极相连接，而可控硅组 ΚΡ4与 ΚΡ7， ΚΡ5与 ΚΡ8， ΚΡ6与 ΚΡ9 的相连点依次与三相电网电源的 A、 B、 C端相连接。 该单元用以将各 功能电机转子输出的不同频率的交流电信号经 整流为直流信号， 再行 逆变成与电网电源同频， 同相的工频交流电信号， 将其电能有效回馈 到至电网或电机。 如图 4所示， 所述控制驱动单元 5, 包括有多个控制驱动模件， 其中有第一控制驱动模件 5.1，直至第 N控制驱动模件 5.N;

第一控制驱动模件 5.1, 设置有微处理器 U31， 放大驱动器 U41和 触发驱动器 U51 ; 微处理器 U31的第 10脚和 11脚分别与放大驱动器 U41的第 15脚和 14脚依次相连接， 且放大驱动器 U41的第 3脚与第 一转子调速模件 3.1中的斩波器 IGBT, 的栅极 TG1相交连接于第三点 F; 而微处理器的第 20脚与触发驱动器 U51的第 11脚相连接， 且触发 驱动器 U51 的第 3、 4、 5、 6、 7、 8脚依次分别与第一定子调压模件 1.1中的 AG1、 AK1、 BG1、 BK1、 CG1、 CK1各点直接相连接； 如图 4所示， 所述第 N控制驱动模件 5.N, 设置有微处理器 U3N， 放大驱动器 U4N和触发驱动器 U5N; 微处理器 U3N 的第 10脚和 11 脚分别与放大驱动器 U4N 的第 15脚和 14脚依次相连接， 且放大驱动 器 U4N 的第 3脚与第一转子调速模件 3.N中的斩波器 IGBTN的栅极 TGN 相交连接于第四点 G; 而微处理器的第 20脚与触发驱动器 U5N 的第 11脚相连接， 且触发驱动器 U5N的第 3、 4、 5、 6、 7、 8脚依次 分别与第一定子调压模件 1.N中的 AGN、 AKN、 BGN、 BKN、 CGN、

CKN各点直接相连接。 该控制驱动单元 5用以接收来自信号调理单元 6的数字信号， 进行数字处理并加以放大驱动， 依次实时控制点工作调 压单元和转子调速单元的工作， 实现输入功率同时随负载和转速变化 而变化的在线控制工作。 如图 4所示， 所述信号调理单元 6， 包括多个信号调理模件， 其 中有第一信号调理模件 6.1，直至第 N信号调理模件 6.N;

所述第一信号调理模件 6.1，设置有信号处理器 U11和模数转换器 U21 , 继与第一控制驱动模件 5.1中的微处理器 U31相连接；

所述第 N信号调理模件 6.N， 设置有信号处理器 UN和模数转换 器 U2N， 继与第一控制驱动模件 5.N中的微处理器 U3N相连接；

所述第一电机 Ml的三个定子中任意两相相电压 U1和任意一相相 电流折算的直流电压 UI1各自分别送至第一信号调理模件 6.1中的信号 处理器 U11的输入端的第 1脚和第 2脚；

所述第 N电机 MN的三个定子中任意两相相电压 U N和任意一相 相电流折算的直流电压 UIN各自分别送至第一信号调理模件 6.N中的 信号处理器 U1N的输入端的第 1脚和第 2脚。 所述第一电机 Ml的三个定子中任意两相相电压 U 1和第 N电机 MN的三个定子中任意两相相电压 U N依次分别送至第一信号调理模 件 6.1 中的信号处理器 U11 的输入端第 3脚和第 N信号调理模件 6.N 中的信号处理器 U1N的输入端第 3脚。 如图 3、 图 4所示， 所述第一转子调速模件 3.1中的整流器 Z1和 第 N转子调速模件 3.N中的整流器 ZN各自的输出直流电流折算的直 流电压 UDI1和 UDIN依次分别送第一信号调理模件 6.1中的信号处理 器 U11的输入端的第 4脚和第 N信号调理模件 6.N中的信号处理器 U1N 的输入端第 4脚。 如图 3、 图 4所示， 所述第一转子调速模件 3.1中流经过压保护器

UR1和第 N转子调速模件 3.N中流经过压保护器 URN 各自的电流折 算的直流电压 UDY1和 UDYN依次分别送至第一信号调理模件 6.1 中 的信号处理器 U11的输入端的第 5脚和第 N信号调理模件 6.N中的信 号处理器 U1N的输入端第 5脚。 所述第一转子调速模件 3.1中流经斩波器 IGBT1和第 N转子调速 模件 3.N 中流经斩波器 IGBTN 各自的电流折算的直流电压 UTI1 和 UTIN依次分别送至第一信号调理模件 6.1中的信号处理器 U11的输入 端的第 6脚和第 N信号调理模件 6.N中的信号处理器 U1N的输入端第 6脚。 所述第一转子调速模件 3.1中的隔离器 D31和第 N转子调速模件 3.1中的隔离器 D3N各自的负极同时与逆变桥单元 4中的电抗器 L1的 输入端相交连接于第一点 D。 所述第一转子调速模件 3.1中的斩波器 IGBT1和第 N转子调速模 件 3.N中流经斩波器 IGBTN各自的负极 TE1与 TEN同时与逆变桥单 元 4中的可控硅组 KP7、 ΚΡ8、 ΚΡ 9各自的负极以及第一控制驱动模 件 5.1的放大驱动器 U41和第 Ν控制驱动模件 5.Ν的放大驱动器 U4N 各自的第 1脚同时相交连接于第二点 Ε。 本发明各单元部分主要元器件型号规格及作用 如下：

G1和 GN为功率因数传感器， 型号是 WB9128, 用以检测电机定 子相电压与相电力信号。

KP11----KP31或 KP1N—KP3N为定子调压器组， 型号是 KP500, 300A/1800V双向可控硅， 用以调节电机定子电压。

H11或 H1N为霍尔电压传感器， 型号是 VSM025A, 用以检测转 子电压， 反映电机转子转速。

H31或 H3N为霍尔漏电流传感器， 型号是 QDC21LTA, 用以检测 流经 UR1 或 URN过压保护器压敏电阻的漏电流所产生直流母 线过压 信号。

H2K H41或 H2N、 H4N为霍尔电流传感器， 型号是 CSM300LT, 用以分别检测各自对应的直流母线电流和斩波 器电流。

108^或 IGBT _N 是斩波器，型号是 GD300HFL120C2S，用以调节转 子电流， 即电机转速。

KP4—KP9为可控硅，型号是 KP500, 300/1800V, 用以构成逆变桥 回馈直流能量到电网或电机。

U31 或 U3N为微处理器， 型号是 ATMEGA64, 用以接收系统状 态信号， 进行数据处理， 发出指令， 提供系统控制信号。

U41、 U4N为放大驱动器， 型号是 EX841 , 接收微波处理器信号， 产生斩波器所需的 PWM信号， 进而调节转子转速。 U51或 U5N为触发驱动器， 型号是 LSJK-T3SCRH, 接收微处理 器指令， 产生定子调压器双向可控硅所需的触发信号， 进而调节定子 电压。

U11或 U1N为信号处理器， 型号是 LM258, 用以采集系统各路传 感器检测的信号和在线工作主令电压信号， 处理成相应的模拟信号， 继而由模数转换器转换成可共微处理器进行处 理的相应的数字信号。 其余部件均为工业通用件。 以上实施例仅为本发明较佳实施例， 用以说明本发明的技术特征 和可实施性， 并非用以限定本发明的专利权利； 同时以上描述， 对于 熟知本技术领域的专业人士应可明了并加以实 施。 因此， 在未脱离本 发明所揭示的前提下， 所完成的等效的改变或修饰， 均包含在所述的 权利要求范围内。 本发明为一个不可多得的仅用一逆变桥拖动多 台电机实现输入功 率同时随负载和转速变化控制系统。 该系统具备创造性、 新颖性、 实 用性和进步性， 符合发明专利申请要件， 故依据专利法提出申请。