CN103269166B - 具有预充电保护功能的变频器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有预充电保护功能的变频器，包括主电路和控制电路，所述主电路包括电源端、制动单元、滤波单元、逆变单元和预充电保护直流输出单元，预充电保护直流输出单元的输入端与电源端连接，预充电保护直流输出单元的输出端分别设有正直流母线和负直流母线；所述预充电保护直流输出单元包括连接于电源端正端与正直流母线之间的用于正向导通并且可因过流熔断而断开的正向保护支路，和连接于电源端正端与负直流母线之间的用于反向截止的反向支路。变频器母线上有短路现象时，本发明能在预充电过程中就可以把电源的连接断开，对变频器进行保护，避免产生电弧对本来完好的器件或PCB板产生二次损伤，将设备停机时间降到最低。

Description

具有预充电保护功能的变频器

技术领域

本发明涉及变频器，具体涉及具有预充电保护功能的变频器。

背景技术

变频器是由计算机（CPU控制器）控制电力电子器件、将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电的电气设备，用以驱动交流电动机进行连续平滑的变频调速。变频器包括主电路和控制电路，其中传统的变频器的主电路，以三相交流逆变器为例，如图1所示，包括电源端1、整流单元2’、预充电回路4、制动单元3、滤波单元5和逆变单元6。整流单元2’：由二极管D1’～D6’组成桥式全波整流电路，将输入的工频交流电整流为脉动直流电；预充电回路4：由充电电阻R1’及开关K1’组成；制动单元3：当变频器驱动的电机快速停车时，电机处于发电状态，能量通过IGBT上的续流二极管整流后回到直流母线上，使母线电压升高，当直流电压超过一定值时，制动单元的IGBTV7动作，通过外接制动电阻释放该能量，使直流母线电压不再上升；滤波单元5：由滤波电容C1、C2和均压电阻RC1、RC2组成，将脉动直流电变为较平滑的直流电，供后级的逆变单元；逆变单元6：由IGBTV1～V6组成，将直流电逆变为频率和电压可调的三相交流电输出到电机；此外，控制电路为主电路提供控制信号，以完成电路输出调节、各种保护、输入输出接口的连接等控制。

变频器上电之前，滤波单元5中的滤波电容上的直流电压UDC=0，因而，在变频器上电瞬间，将有一个很大的冲击电流经过整流单元2’流向直流滤波电容；充电电阻R1’的作用是限制上电过程的冲击电流，当母线电压UDC充电到一定电压后，延时或由控制单元控制开关K1’闭合，将充电电阻R1’切除，电流由K1直接到直流母线上，充电电阻R1’与控制开关K1’被称为预充电回路。但是，预充电回路4部分一般变频器设计时只考虑其限流的作用，起不到对变频器的保护作用，例如母线上有灰尘或异物并潮湿、电容短路、制动电阻短路或IGBT已经击穿的情况下，会造成母线出现短路现象，变频器上电时母线上将会产生大的电流，如继续将K1’接通，此时短路电流将直接流经变频器的整流单元2’和母线，造成变频器的更大损伤，产生大的电弧，可能会将本来好的器件或PCB板损坏，形成二次伤害。

发明内容

针对上述现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种不同与现有结构的变频器，使变频器在上电时具有预充电保护功能，防止因直流母线短路而损伤变频器，防止导通瞬间产生大的电弧对本来完好的器件或PCB板造成二次伤害，从而将设备的停机时间降到最低。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：具有预充电保护功能的变频器，包括主电路和用于对主电路提供控制信号的控制电路，所述主电路包括电源端、制动单元、滤波单元和逆变单元；还包括预充电保护直流输出单元，预充电保护直流输出单元的输入端与电源端连接，预充电保护直流输出单元的输出端分别设有正直流母线和负直流母线；所述预充电保护直流输出单元包括连接于电源端正端与正直流母线之间的用于正向导通并且可因过流熔断而断开的正向保护支路，以及连接于电源端正端与负直流母线之间的用于反向截止的反向支路；制动单元、滤波单元和逆变单元均连接于正直流母线与负直流母线之间。这样的结构可使当上电前直流母线已存在短路情况时，在上电的瞬间因为正向保护支路断开而使电源端与变频器断开，停止上电。

进一步的技术方案为，所述正向保护支路包括切换开关、熔断器、可正向导通的控制开关以及可正向导通的触发支路；控制开关跨接在电源端正端与正直流母线之间；切换开关的公共端通过熔断器与触发支路的串联连接到电源端正端，切换开关的第一端连接到正直流母线，切换开关的第二端连接到控制开关的控制端。这样的结构使作为整流单元的可正向导通的控制开关在预充电过程开始时呈断开状态，在短路情况下，短路电流经过触发支路，熔断器熔断而使触发支路断开，整流单元完全不受短路电流影响，而且由于触发支路的工作电流较小，使得可以选用保护值更小的熔断器，当短路电流经过熔断器时更快更容易熔断，进一步避免电弧产生，有效防止对其它器件的二次伤害。

作为本发明的一种优选方案，所述电源端为三相交流电电源端，电源端正端的数量为三个，每个电源端正端与正直流母线之间均连接有一个正向保护支路，且每个电源端正端与负直流母线之间均连接有一个反向支路；每个所述正向保护支路的触发支路包括充电电阻和第一二极管，第一二极管的阴极与切换开关的公共端连接，第一二极管的阳极通过充电电阻与熔断器的串联连接到对应的电源端正端；每个所述反向支路包括第二二极管，第二二极管的阳极与负直流母线连接，第二二极管的阴极与对应的电源端正端连接。

本发明的优选方案还可以为，所述电源端为直流电源端，所述电源端正端为正电源，电源端负端为负电源；所述正向保护支路的触发支路包括充电电阻；所述反向支路为开路；负电源与负直流母线连接。

进一步地，所述触发支路还包括连接于充电电阻与切换开关之间的第三二极管，所述第三二极管的阳极与充电电阻连接，第三二极管的阴极与切换开关的公共端连接。

优选地，所述控制开关为可控硅，可控硅的阳极与电源端正端连接，可控硅的阴极与正直流母线连接，所述控制开关的控制端为可控硅的控制极。

优选地，所述切换开关为继电器，切换开关的公共端为继电器的公共端，切换开关的第一端为继电器的常闭触点，切换开关的第二端为继电器的常开触点。这样的结构保证了初始状态是触发支路接入到变频器主电路而不是作为整流单元的控制开关，有效避免了因初始时作为整流单元的控制开关已经接入变频器主电路而导致保护失效的情况。

本发明的有益效果在于：变频器母线上有短路现象时，在预充电过程中就可以把电源的连接断开，对变频器进行保护，有效避免因电弧的产生而对本来完好的器件或PCB板产生二次损伤的情况，从而将设备的停机时间降到最低。

附图说明

图1是现有技术的变频器主电路示意图。

图2是本发明的第一种较佳实施例的主电路结构示意图。

图3是本发明的第二种较佳实施例的主电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述。

图2所示为本发明的第一种较佳实施例，是应用于三相交流电变频器的情况。本实施例包括主电路和用于对主电路提供控制信号的控制电路（图未示出），其中，所述主电路如图2所示，包括电源端1、制动单元3、滤波单元5、逆变单元6和预充电保护直流输出单元2，预充电保护直流输出单元2的输入端与电源端1连接，预充电保护直流输出单元2的输出端分别设有正直流母线DC+和负直流母线DC-；所述预充电保护直流输出单元2包括连接于电源端1的正端与正直流母线DC+之间的用于正向导通并且可因过流熔断而断开的正向保护支路，以及连接于电源端1的正端与负直流母线DC-之间的用于反向截止的反向支路；制动单元3、滤波单元5和逆变单元6均连接于正直流母线DC+与负直流母线DC-之间。

其中，所述电源端1为三相交流电电源端，电源端1的正端的数量为三个，分别为正端L1、正端L2和正端L3。每个正端与正直流母线DC+之间均连接有一个正向保护支路，具体地，以与正端L1连接的正向保护支路为例，该正向保护支路包括可控硅D1、熔断器F1、充电电阻R1、第一二极管D11和继电器K1；可控硅D1的阳极与正端L1连接，可控硅D1的阴极与正电源母线DC+连接；第一二极管D11的阳极通过充电电阻R1和熔断器F1的串联连接到正端L1，第一二极管D11的阴极与继电器K1的公共端连接，继电器K1的常闭触点连接到可控硅D1的阴极，继电器K1的常开触点连接到可控硅D1的控制极；同样地，与正端L2连接的正向保护支路包括可控硅D2、熔断器F2、充电电阻R2、第一二极管D12和继电器K2，连接方式与上述的相同；与正端L3连接的正向保护支路包括可控硅D3、熔断器F3、充电电阻R3、第一二极管D13和继电器K3，连接方式与上述相同；每个电源端1的正端与负直流母线DC-之间均连接有一个反向支路；具体地，以与正端L1连接的反向支路为例，该反向支路包括第二二极管D4，该第二二极管D4的阳极与负直流母线DC-连接，第二二极管D4的阴极与正端L1连接；同样地，与正端L2连接的反向支路为第二二极管D5，与正端L3连接的反向支路为第二二极管D6，连接方式与上述的相同。

本实施例中的制动单元3内的IGBT模块V7，滤波单元5内的电容C1和电容C2，逆变单元6中的IGBT模块V1、IGBT模块V2、IGBT模块V3、IGBT模块V4、IGBT模块V5、IGBT模块V6等的具体链接方式均采用本领域技术人员公知的结构实现，由于制动单元3、滤波单元5和逆变单元6并不是本发明的技术改进点，不解决本发明所要解决的技术问题，限于篇幅，本实施例中不再对制动单元3、滤波单元5以及逆变单元6进行详细叙述。上述三个功能单元也可以采用其他不同结构，只需实现在逆变器中原来所需功能即可。对于实际使用中交流电源需要通过一系列的电容、电阻网络才能连接到逆变器主电路进行供电，本发明中所指的正端L1、正端L2及正端L3均指直接与逆变器主电路连接的节点，三相交流电情况下，电源端1的负端（图未示出）与逆变器主电路的连接方式为本领域技术人员的公知常识，本实施例也不再赘述。此外，可控硅D1至可控硅D3作为可正向导通的控制开关，可以采用其他受控开关元件与定向导通元件的串联来实现，例如接触器与二极管串联，也可选用其他元件。第一二极管D11至第一二极管D13作为可正向导通的触发支路的其中一部分，可以采用其他常见的定向导通的元器件代替。

图3所示是本发明的第二种较佳实施例，是应用于直流逆变器的情况，如图3所示，本实施例与上述第一种实施例的区别在于：电源端11为直流电源端，所述电源端11的正端为正电源V+，电源端11负端为负电源V-；正电源V+与正电源母线DC+之间的正向保护支路包括可控硅D7、熔断器F4、充电电阻R4、第三二极管D14和继电器K4；可控硅D7的阳极与正电源V+连接，可控硅D7的阴极与正电源母线DC+连接；第三二极管D14的阳极通过充电电阻R4和熔断器F4的串联连接到正电源V+，第三二极管D14的阴极与继电器K4的公共端连接，继电器K4的常闭触点连接到可控硅D7的阴极，继电器K4的常开触点连接到可控硅D7的控制极；所述反向支路为开路，即正电源V+与负直流母线DC-之间不连接任何元器件，电源端11本身为直流电源，因而只需开路即可实现正电源V+与负直流母线DC-之间的反向截止；负电源V-与负直流母线DC-连接。由于直流供电，作为可正向导通的控制开关的可控硅D7，可直接采用其他受控开关元件代替，例如接触器。

工作过程：上电时，继电器K1至继电器K3（或继电器K4）打在常闭触点，电源端1（或电源端11）通过作为触发支路的第一二极管D11至第一二极管D13（或第三二极管D14）连接到正电源母线DC+，使电容C1、电容C2充电，而可控硅D1至可控硅D3（或可控硅D7）则完全与变频器的主电路完全隔离；第一二极管D11至第一二极管D13同时作为预充电时的整流元件（对于第二种实施例的直流供电情况，由于无需整流，电路中可以不使用第三二极管D14，但第三二极管D14可防止因电源反接而损坏变频器的情况发生），当正电源母线DC+的电压升到一定值时，控制电路使继电器K1至继电器K3（或继电器K4）打在常开触点，可控硅D1至可控硅D3（或可控硅D7）受正向偏置而导通，变频器主电路正常工作，上述过程完成普通的预充电过程。若上电时，已存在短路情况，在上电的瞬间，由于电流过大，熔断器F1至熔断器F3（或熔断器F4）烧断，电源端1（或电源端11）与第一二极管D11至第一二极管D13（或第三二极管D14）断开，可控硅D1至可控硅D3（或可控硅D7）不会受到偏置，从而保持截止状态，实现预充电保护功能，而且至通电瞬间到断开的时，仅有作为触发支路的第一二极管D11至第一二极管D13（或第三二极管D14）等元件承受短路电流，而可控硅D1至可控硅D3（或可控硅D7）完全没有受影响。此外，也可以直接把熔断器连接在整流元件与正直流母线之间，作为正向保护支路，也有熔断保护功能，但整流元件会一定程度上受短路电流冲击。

需要注意的是，上述两种实施例仅为本发明的较佳实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.具有预充电保护功能的变频器，包括主电路和用于对主电路提供控制信号的控制电路，所述主电路包括电源端、制动单元、滤波单元和逆变单元；其特征在于：还包括预充电保护直流输出单元，预充电保护直流输出单元的输入端与电源端连接，预充电保护直流输出单元的输出端分别设有正直流母线和负直流母线；所述预充电保护直流输出单元包括连接于电源端正端与正直流母线之间的用于正向导通并且能因过流熔断而断开的正向保护支路，以及连接于电源端正端与负直流母线之间的用于反向截止的反向支路；制动单元、滤波单元和逆变单元均连接于正直流母线与负直流母线之间；所述正向保护支路包括切换开关、熔断器、能正向导通的控制开关以及能正向导通的触发支路；控制开关跨接在电源端正端与正直流母线之间；切换开关的公共端通过熔断器与触发支路的串联连接到电源端正端，切换开关的第一端连接到正直流母线，切换开关的第二端连接到控制开关的控制端；

所述电源端为三相交流电电源端，电源端正端的数量为三个，每个电源端正端与正直流母线之间均连接有一个正向保护支路，且每个电源端正端与负直流母线之间均连接有一个反向支路；每个所述正向保护支路的触发支路包括充电电阻和第一二极管，第一二极管的阴极与切换开关的公共端连接，第一二极管的阳极通过充电电阻与熔断器的串联连接到对应的电源端正端；每个所述反向支路包括第二二极管，第二二极管的阳极与负直流母线连接，第二二极管的阴极与对应的电源端正端连接；或者所述电源端为直流电源端，所述电源端正端为正电源，电源端负端为负电源；所述正向保护支路的触发支路包括充电电阻；所述反向支路为开路；负电源与负直流母线连接；

所述控制开关为可控硅，可控硅的阳极与电源端正端连接，可控硅的阴极与正直流母线连接，所述控制开关的控制端为可控硅的控制极；所述切换开关为继电器，切换开关的公共端为继电器的公共端，切换开关的第一端为继电器的常闭触点，切换开关的第二端为继电器的常开触点。