CN100416966C - 包括防启动电流的电子电路的电动机控制器 - Google Patents

Abstract

电动机控制器直流中间电路中的启动电流使得有必要包括保护电路。这些电路通常采取与中间电路串行插入的电阻形式，而且在启动完成之后，由与所述电阻并联设置的开关将所述电阻短路。为了减少电缆发射的电噪声，在所述中间电路中增加接地的噪声隔离电容器，但同样需要防启动电流电路。为了使元件的数目最少，描述了一种结合噪声滤波和启动保护的保护电路。根据本发明，启动电阻具有电阻网络(R3，R4)的形式，且连接到开关(S3)，开关(S3)通过控制器(8)改变电阻网络的电阻、使得当开关断开时差动电流电阻大于共模电流的电阻、而当开关接通时共模电流电阻大于差动电流电阻。

Description

包括防启动电流的电子电路的电动机控制器

技术领域

本发明涉及一种电子电路，它作为保护电路安装在电动机控制器中诸如变频器的直流中间电路中，在所述中间电路中由于大的启动电流的缘故而需要保护措施。保护特别适用于中间电容器，但是用于RFI(射频干扰)滤波器中的噪声隔离电容器也可能在启动程序期间被损坏。

背景技术

在用于电动机调速的变频器中，广泛应用功率半导体的脉冲宽度和脉冲幅度调制。这种调制的副作用是产生导体发射的射频噪声。标准EN 55011描述了电噪声产生装置的射频噪声发射极限值。噪声一般出现在几千赫兹直到30兆赫兹范围之间。通过安装或者连接RFI滤波器，可以实现与这些极限值一致。当为变频器设计RFI滤波器时，应该考虑整流器是否受到控制，正如同样应该考虑逆变器的开关频率一样。电动机的电缆长度也是重要的设计参数。RFI滤波器可以连接到变频器的输出端，安装在中间电路中或者安装在电源侧。

然而，当同时在变频器的电源侧安装了故障电流断路器时，使用RFI滤波器引发了一些问题。安装在电源侧的重载RFI滤波器具有一个或多个接地的(PE，保护性接地)电容器，它们如此之大、以致于在启动期间触发故障电流断路器。安装在中间电路中的RFI滤波器也可能激活故障电流断路器。这个问题可以通过使用具有较大短路电流的故障电流断路器或者带延迟电路的故障电流断路器而得以解决，这样，窄脉冲就不会引起触发。

或者，可以通过设计减小入地漏电流的RFI滤波器来解决故障电流断路器的不希望有的触发的问题。例如，EP 0930695描述了连接到电源侧的RFI滤波器，它允许变频器连接到故障电流断路器。

RFI滤波器设计者面临另一个问题，即，使用对称和不对称的接地电源。在对称接地的电源中，三相的星点接地，这是欧洲的通行惯例。不对称电源通常在美国使用，其中，三相之一接地，即所谓的三角形接地电源。不对称电源上的变频器会产生相当大的入地漏电流，将比接到对称电源的变频器更经常地触发故障电流断路器。在我们的经验中，在约10％的实例中出现变频器接到不对称电源的情况。

如前所述，RFI滤波器中的噪声隔离电容器使启动电流接地。另一种启动电流是在启动期间流经中间电容器的启动电流。中间电容器的保护在JP 02155477A中描述，其中，插入与中间电容器串联的电阻，与所述电阻并联设置继电器，所述继电器在启动期间曲控制器保持断开，在工作时保持接通。

SU 1658344描述一种变频器，位于中间电路中的这种变频器包括两个串联在正极导线和负极导线之间的电容器。PTC(正温度系数)电阻从所述电容器的中点接地。所述电阻的作用是限制电容器吸取的大启动电流。因为启动期间电阻很小，接到负极导线的电容器可以视为短路，从而限制充电电流。随着温度上升，所述电阻变大，以致于工作期间其存在没有任何影响。然而，SU 1658344没有描述结合变频器使用故障电流断路器相关的问题，且SU 1658344中所用的PTC解决方案很可能会导致很大的接地电流，以致于发生故障电流断路器的触发。

大多数已知的方法描述中间电容器的保护。在丹麦专利申请PA200001837中，申请人描述了一种包括与噪声隔离电容器串联插入中间电路的启动电阻以及与所述电阻并联的开关。所述电阻衰减共模电流，即同时流经正极和负极导线、随后到地的电流。共模电流可以由来自逆变器的噪声电流或者来自电源的所谓的冲击脉冲组成。第二开关连接到与两个中间电容器串联的第二启动电阻，此电阻与开关并联连接。所述电阻的目的是衰减启动期间的差动电流，即从正极导线流到负极导线的电流。然而，这种电路的缺点是需要两个继电器。这些继电器的物理尺寸大，这是不希望的，因为变频器的趋势是朝着更小的电动机控制器的方向发展。

发明内容

基于以上论述，本发明的目的是开发一种用于直流中间电路的保护电路，它既保护中间电容器又保护噪声隔离电容器，且需要比迄今更小的物理空间。

在包含直流中间电路中防启动电流电子电路(所述电路与中间电容器串联插入并包括启动电阻和由控制器控制的开关)的电动机控制器中，这样达到所述目的：所述电路还包括将噪声电流引向地的噪声隔离电容器；启动电阻构造成连接到所述开关的电阻网络；以及控制器通过所述开关改变电阻网络的电阻、使得当所述开关断开时、关于差动电流的电阻大于关于共模电流的电阻，而当所述开关接通时关于共模电流的电阻大于关于差动电流的电阻。

通过设计上述的无源保护电路，有可能使制作结合了噪声滤波和启动保护的电路所需的电子元件数最少。所述电路同时保护中间电容器和噪声隔离电容器，以防止过量的启动电流，并且在启动和正常工作期间同时充当噪声滤波器。当所述开关断开时，所述电阻网络具有关于启动和噪声电流的有效电阻，而当所述开关接通时，所述网络具有不同的有效电阻。依赖于电流是共模电流还是差动电流，所述网络呈现不同的电阻。

本发明还有一个优点，即，使用所述电路的电动机控制器将更能对抗冲击电压。在最后交付之前，电动机控制器厂家通过在电源和地之间强加4千伏的高共模电压来测试所述装置。这通常使高峰值电压通过噪声隔离电容器，但是，通过确保总是将电阻与所述电容器串联设置，实现了减小峰值电压幅度。

电阻网络具有在开关接通后连续衰减效应的优点。因此，本发明与先有技术不同之处在于，启动电阻在开关接通之后就不再具有有效的电子作用。通常它是完全短路的。开关接通之后电阻网络的衰减效应适用于共模电流，但不适用于差动电流，它对于衰减电动机控制器中不需要的串扰很重要。当开关断开时，所述电路既充当噪声滤波器又用作启动保护，而当开关接通时，则只用作噪声滤波器。

可以利用连接到中间电容器的单开关来构造所述电路。以这种方式，就可以节省成本尤其是空间，因为所述开关采取继电器形式时，必须为了安全的原因加倍绝缘。而且，只需要单个开关，而相比之下，以前至少需要两个开关。

所述中间电容器可以采取两个电容器的形式，开关串联设置在两个电容器中间，电阻网络与开关并联设置。这就允许在需要的时候断开电阻网络。

通过将噪声隔离电容器连接到串联的两个电阻的中点、且这些电阻又连接到到两个电容器的中点、从中间电路的正极跨接到负母线，可以保护噪声隔离电容器免受高电压损坏。这意味着可以选择规格较低因此较便宜的元件。以这种方式，电阻网络可以只用两个电阻来设计。这两个电阻最好应该具有相同的值(R)。如果情况是这样，则当开关断开时，电阻网络将表现出2R的差分启动电流电阻和1/2R的启动共模电流电阻，而在开关接通时的正常工作期间，电阻网络将表现出0R的差分启动电流电阻和1/2R的噪声电流电阻。依赖于所述开关设置，电阻网络呈现关于不同电流的不同有效电阻范围。

而且，最好如此构造电阻网络、使得共模电流电阻在开关接通时比之前更小。例如，所述电阻减半，从而增强噪声隔离电容器的噪声衰减效应。

如果以NTC(负温度系数)电阻的形式构造所述电阻，则这变得尤其显而易见。随着温度上升，电阻网络的有效电阻下降，这在开关接通之后特别有利，因为它改善了噪声滤波的有效性。

所述控制器，一般为电动机控制器的微控制器，最好在中间电容器充电时，使开关接通。此时，启动程序已完成，正常工作阶段开始。

将附加的噪声隔离电容器从中间电路的正母线连接到地是有利的。以这种方式，保护电路既可用于普通接地的电源又可用于不对称接地的电源。对于采用不对称接地连接的电源，在启动和工作期间，开关都保持断开，而对于普通的电源，开关最好在工作期间保持接通。因此，厂家不需要提供两种形式的噪声保护组合电路。相反，所述电路可以适合于最终用户处的电源，例如使用跳线。

为了实现对电缆发射的射频噪声的尽可能的最大衰减，应同时在电源侧和中间电路中对噪声进行滤波。电源侧的噪声滤波通过将串联的最少两个电容器从电源线连接到地来实现。连接到地的第一电容器与在启动期间保持断开的开关并联。以这种方式，第一电容器用作启动保护。如果需要，可以让电阻与所述开关以及第一电容器并联。有了电源侧和中间电路中的滤波和启动保护，就实现了两级噪声滤波器。所述开关可以由同一控制器同时方便地启动。

以上描述的这些开关主要是继电器，但也可使用晶体管。

附图说明

以下将借助两幅附图描述本发明，附图中：

图1显示由申请人设计的早期的保护和滤波电路，

图2显示本发明的实施例的示例。

具体实施方式

图1显示本申请人的专利申请PA 200001837中所描述的启动保护和噪声滤波电路。标号1表示变频器的电源部分和输入部分。在电源侧，电压源(未示出)连接到开关K，开关K又连接到故障电流断路器2，三相电力通过所述断路器输送到变频器的输入端。电容器C1、C2和C3的一个电极连接到各相导线、而其另一个电极连接到公共星点。所述各电容器以传统的方式发挥作用，以衰减差动噪声。电容器C4、C5和C6作用相同。在两套电容器之间的每相上，设置了线圈(L1、L2和L3)，用作共模线圈。这三个线圈绕在公共的铁氧体磁心上。电容器C7、C8和C9从各电源导线分支出来，用作噪声隔离电容器，并连接到公共星点。每套线圈L和电容器C构成LC噪声衰减滤波器。从这些电容器的星点出发的是并联的电阻R1和继电器S1以及串联的C10和C11。C10和C11也可以用单个电容器代替，但在不对称接地的电源上，S1必须保持断开，星点就可能出现超过单个电容器规格的高电压。这种并联电路是接地的，通常用标号4表示。方框5表示正常工作期间对称接地的电源中充当无源RFI滤波器的元件。在所述实施例中，整流器3不受控，但也可使用受控的整流器。此后，整流器3将交变电流转换成脉动直流电流，脉动直流电流输送到直流中间电路6，接着是线圈4。线圈4的主要目的是衰减工作期间电流的第5次、第7次和第9次谐波，以避免电源反馈(retroaction)，但已经证明它还降低了射频噪声。因此，所述线圈是直流总线的负母线中线圈L5的镜像。中间电容器由串联的电容器C16和C17构成，而噪声隔离电容器C13连接到它们的公共中点。所述中点的电位几乎是地电平，这种结构的优点在于：电容器C13的电压负载比例如直接连接到负母线更低。这意味着可以使用规格较低的电容器。逆变器(未示出)连接到输出端7。控制器8确定开关S1和S2是否可以接通，如果是不对称电源，就不应该接通。通过变频器的控制板，操作员可以将有关与变频器、RFI滤波器和故障电流断路器相连的电源的类型信息输入到控制器8。或者，操作员可以在继电器旁设置跳线，所述跳线确定继电器是否应该接通。

当故障电流断路器输入处的开关K接通时，启动程序开始了。由于其尺寸的缘故，电容器C7、C8和C9可吸收大电流。如果它们的星点直接接地，所述电流足以触发故障电流断路器。普通故障电流断路器在大约0.5A的条件下被触发，而高灵敏度的故障电流断路器在低到30mA的条件下被触发。然而，所述星点连接到并联电路4，且电容器C10和C11尺寸比之于电容器C7、C8和C9如此小、使得它们对漏电流的幅度和电流脉冲的持续时间有很强的限制效果。例如，C10和C11大小为220nf，而C7、C8和C9为1μf。电阻R1(100千欧姆)在继电器S1接通之前也具有均衡星点电位的作用。在启动期间，S1上的峰值电压将在200-500的范围内，但C10和C11通过R1放电，因此R1上的最终电压将接近0V，这样就不会损坏S1。已经表明，在某些情形下，可以省略R1。在启动阶段，开关S1断开，这样C10、C11和R1的并联电路就用作启动保护。几乎与开关K的接通同时启动的控制器8寄存从启动开始的时间，并在预定时间之后接通继电器S1上的开关。然后，这些开关在余下的变频器工作时间内保持接通，这样，真的RFI电容器C7、C8和C9直接接地，实现全滤波效果。为了节省保持能量，在S1处使用双稳态继电器。

通过并联电路9，提供对入地漏电流引起的故障电流断路器触发的防护。当故障电流断路器输入端的开关K接通时，就开始了与地相关的中间电路的启动。由于电容器C13的尺寸的缘故，电容器C13将引出大电流。如果它直接接地，那么，所述电流足以触发故障电流断路器。然而，C13与R2和S2的并联电路串联，其中R2在启动期间用作电阻扼流装置。这里，电阻R2(100千欧姆)还设置成在开关S2接通之前均衡电位。在启动阶段，开关S2断开，结果R2可用作启动限制器。控制器8已经寄存了从启动开始的时间，在大约相当于电容器C13的充电时间的一段时间之后，接通继电器S2上的开关。然后，这些开关在工作周期的剩余时间内保持接通，以便真的噪声隔离电容器C13直接接地，实现全滤波效果。如果需要，电阻R2和继电器S2当然可以和电容器C13交换位置。为了节省保持能量，可以把开关S2设置在与开关S1一样的继电器中。

图1所示的中间电路中的保护电路所起作用与预期的一样，但不幸的是由于两个继电器以及需要两种控制信号，所以它占据了相对较大的体积。此外，当此开关接通时，只有导线中的寄生电阻对噪声隔离电容器C13起阻尼作用。

图2显示具有设置在中间电路中的创新的保护电路的本发明的实施例。

中间电容器C18和C19分别连接到中间电路的正极导线和负极导线。这两个电容器通过包括两个与这两个电容器串联设置的电阻R3和R4的电阻网络相连。噪声隔离电容器C20从这两个电阻之间的中点连接到地。开关S3的一个电极连接到电容器C18的一个电极，而它的另一个电极连接到电容器C19的一个电极。控制器8控制开关S3以及S1的断开和接通，如图1所示。保护电路包括元件R3、R4以及S3。假设R3和R4规格相同。当输入端的开关K接通时，与地和负极导线相关的启动程序就开始了。开关S3保持断开，流经电容器C18和C19的启动电流被电阻R3和R4之和衰减。与此同时，R3和R4的并联电路以接地的方式衰减启动电流并保护噪声隔离电容器C20。这样，这两个电容器同时既用作对普通中间电容器的启动保护、又用作对噪声隔离电容器的启动保护。

一旦对中间电容器充电，控制器8使开关S3接通，从而中间电容器直接串联。与传统的启动保护相反，启动电阻没有被去激活，而是仍然为电路中的有效部分。S3的接通产生等于R3和R4的一半的共模值。这些电阻可以使用NTC电阻制作，使得电阻网络对于泄漏地电流的有效电阻在从启动到工作期间减小。这也是理想的，因为启动期间的高电阻和工作期间的低电阻正都是所需要的。工作期间的R3和R4的并联值越小，对电缆产生的噪声电流的分流就越好。另一方面，需要一定的对噪声电流的电阻衰减，因为否则可能出现感应干扰，而且，如果施加冲击脉冲，则噪声隔离电容器将得到保护。由于旨在构造尽可能小的变频器，导致使噪声衰减的布线(连线、印制铜带等等)和噪声源布线很接近，从而出现了串扰。这导致噪声传输，但是可以通过设置与噪声隔离电容器C20串联的电阻来实现噪声衰减，就好像电容器C20可以由两个串联的电容器构成。在某些情况下，可以插入与电容器C20串联的电阻。如图1，电容器C14和C15允许在不对称电源上工作，在这种情况下，开关S3必须在启动和工作期间都保持断开。

在图2中，这些元件的典型值如下：R3和R4设定为15Ω，而噪声隔离电容器C20设定为100nF。中间电容器一般在470-1000μf之间。电阻R3和R4最好具有固定值，但如前所述也可以采用NTC电阻的形式，使得它们的欧姆电阻随着温度上升而下降。这引起对射频噪声的更大衰减。然而，在采用长电动机电缆时，应用NTC电阻可能产生问题，导致NTC电阻发热。发热导致电阻变小，如果关闭电动机、然后随即又启动，那么，启动电阻将会不合需要地比预定的小。此处的解决办法是分别将R3和R4设计成与NTC电阻串联的固定电阻。

在正常工作期间，方框5中的元件(图1)和电路10(图2)充当RFI滤波器。变频器中的合成的RFI滤波器由两级构成，第二阶的第一级在电源侧，第二阶的第二级在中间电路中。因此，有效的滤波器具有阶4。电源侧和中间电路中的RFI滤波器可以描述成具有两种工作特性，其中，第一工作特性给出继电器断开期间的一种小RFI衰减机制，而在继电器闭合时，RFI遵循另一种更大衰减的工作特性。启动期间的总噪声衰减接近40dB，而在正常工作期间接近60dB。这样，RFI滤波器将只在第二工作特性上获得最高效率，但这并不重要，因为在逆变器开始工作之前基本上没有射频噪声。

在以上的描述中，本发明使用继电器作为开关，但是，也可使用晶体管开关。不过最好用继电器，因为导通状态下的晶体管具有剩余电阻，它削弱了工作期间RFI衰减性能。

Claims (8)

1. 一种电动机控制器，它包括直流中间电路中用于防启动电流的电子电路(10)，其中，所述电子电路(10)以与中间电容器串联的形式插入并包括启动电阻和受控制器控制的第一开关(S3)，所述中间电容器包括第一中间电容器(C18)和第二中间电容器(C19)，其特征在于：

所述电子电路(10)包括将噪声电流分流至地的噪声隔离电容器(C20)；

所述启动电阻具有连接到第一开关(S3)的电阻网络(R3，R4)的形式；

所述控制器(8)通过所述第一开关改变所述电阻网络的电阻、使得当所述第一开关断开时差动电流流经的电阻大于共模电流流经的电阻、而当所述第一开关接通时所述共模电流流经的电阻大于所述差动电流流经的电阻；

所述电子电路(10)只包括一个第一开关(S3)，所述第一开关串行连接在所述第一中间电容器(C18)与所述第二中间电容器(C19)之间；

所述电阻网络(R3，R4)与所述第一开关并联连接，所述电阻网路包括两个串行连接的电阻(R3，R4)；以及

所述噪声隔离电容器(C20)连接在所述两个电阻的公共中点与地之间。

2. 如权利要求1所述的电动机控制器，其特征在于：

当所述第一开关断开时所述电子电路(10)既用作噪声滤波器又用作启动保护，但当所述第一开关接通时所述电子电路(10)只用作噪声滤波器。

3. 如权利要求1所述的电动机控制器，其特征在于：

在所述第一开关接通时，所述共模电流(i_n)流经所述电阻网路的电阻低于在所述第一开关断开时该电流流经所述电阻网路的电阻。

4. 如权利要求3所述的电动机控制器，其特征在于：

所述电阻网路(R3，R4)中的一个或一个以上电阻是负温度系数电阻。

5. 如权利要求1所述的电动机控制器，其特征在于：

一旦对所述中间电容器(C18，C19)充电，所述控制器(8)就接通所述第一开关。

6. 如权利要求1所述的电动机控制器，其特征在于：

另一个噪声隔离电容器(C14，C15)从所述中间电路的正极导线连接到地。

7. 如权利要求1所述的电动机控制器，其特征在于：

所述电动机控制器还包括交流电源线和整流器(3)，所述整流器的输出侧连接到所述直流中间电路并且输入侧连接到所述电源线，所述整流器(3)的输入侧还连接到起始噪声隔离电容器(C10，C11)，所述起始噪声隔离电容器(C10，C11)连接到第二噪声隔离电容器(C7，C8，C9)，所述第二噪声隔离电容器(C7，C8，C9)连接到电源线；以及

受所述控制器(8)控制的第二开关(S1)与所述起始噪声隔离电容器(C10，C11)并联连接。

8. 如权利要求7所述的电动机控制器，其特征在于：

所述第一开关(S3)或所述第二开关(S1)是继电器或者晶体管。