CN101515758A - 用于抵抗过电流的保护速度控制器的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种速度控制器，包括：整流模块(12)，从供电网络(A)获取交流电压，来在电源总线(10，11)上产生直流电压；总线电容器(Cb)，连接在电源总线的正极线路和负极线路之间；和逆变模块(13)，由电源总线供电，受控输出交流电压到电气负载(2)；保护装置(14)，当供电网络(A)中由于电压变化而产生过电流时，对控制器进行保护。

Description

用于抵抗过电流的保护速度控制器的装置
技术领域
本发明涉及一种速度控制器，该控制器安装了一个用于保护的装置，以抵抗供电网络中由于过电压或欠电压而产生的过电流。
背景技术
在已知的方式中，速度控制器连接到供电网络中，来控制电气负载。它包含一个作为输入的电压整流模块，用于将电网络提供的交流电压转换为直流电压，并对下游提供带有正、负极线路的电源总线。一个滤波电容器，通常被称为总线电容器，安装在电源总线的正极端和负极端之间。作为输出，控制器包括一个由电源总线供电的逆变模块，使用电子开关(如：由脉宽调制(PMW)方式来控制的IGBT晶体管开关)将直流电压转换为幅度和频率可变的交流电压。
供电网络可能会受到不同类型的干扰，如过电压或欠电压。这种干扰可能是幅度高、持续时间短的低能量干扰，或者是幅度低、持续时间长的高能量的干扰。如果是高能量的干扰，控制器的一些元器件，如整流模块中的二极管、总线电容器或者逆变模块中的晶体管可能会被损坏。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种能够吸收电源网络中产生的干扰而免遭损坏的速度控制器。
此目的通过一速度控制器而达到，所述速度控制器包括：
-作为输入的整流模块，其将供电网络上可得的交流电压转换成电源总线上直流电压；
-连接在电源总线的正极线路和负极线路之间的总线电容器；和
-由电源总线供电的逆变模块，可受控传送交流电压到电气负载；
其特征在于：
-控制器包括一个保护装置，其用于对控制器进行保护以抵抗供电网络电压变化而引起的过电流；
并且其特征在于该保护装置包括：
-第一电子开关，其位于电源总线上、串联在整流模块和总线电容器之间；
-第一电阻器，与第一电子开关以并联方式配置；
-组合部件，包括串联配置的第二电子开关和第二电阻器，该组合部件与第一电子开关及第一电阻器并联配置；
-控制装置，用于控制第一电子开关和第二电子开关。
根据详细的特征，该保护装置配置在电源总线的正极线路上。
第一电子开关优选地是常导通JFET晶体管，由高带隙能量材料如碳化硅制成。
根据详细的特征，用于控制JFET晶体管的控制装置连接在电源总线的正极线路和负极线路之间。这些控制装置例如包括可向JFET晶体管施加控制电压的电荷泵电路。
第二电子开关优选地是常关断类型，控制第二电子开关的控制装置包括可向第二电子开关施加控制电压的电荷泵电路。
根据本发明，控制装置包括存储器装置，用于存储一个门限值，当在JFET晶体管端子处测得的电压超过该门限值时，JFET晶体管被控制装置关断。存储器装置同时保存一个预定的时间段，在预定的时间段的末端，如果JFET晶体管端子处测得的电压超过所述门限值，第二个电子开关被导通。存储器装置可以保存一个门限值，当在电源总线的正极线路和负极线路之间测得的电压超过该门限值时，第二电子开关被导通。
优选地，控制器还包括用于保护整流模块以抵抗过电压的装置。这个用于保护整流模块抵抗过电压的装置包括例如常导通的JFET限制晶体管和齐纳二极管，这两个器件并联连接在电源总线的正极线路和负极线路之间。在另一个形式中，保护整流模块抵抗过电压的装置包括连接在电源总线正极线路和负极线路之间的GMOV可变电阻器。
附图说明
参照以示例的方式给出的和由附图所描绘的实施方式，其他的特性和优点将在下面进行详细的描述，附图中的图1以一种简化的方式展示了本发明的配置了保护装置的速度控制器。
具体实施方式
参照附图1，速度控制器1包括为电源总线提供直流电压Vdc(例如200至800Vcc甚至更高，根据使用情况而定)的直流电压源，电源总线由正极线路10和负极线路11构成。总线电容器Cb通常用来维持电源总线上恒定的直流电压Vdc。这个总线电容器Cb连接在电源总线的正极端和负极端之间，且通常是电解电容器。
图1中，控制器1包括作为输入的整流模块12，用于整流来自于外部的供电网络A(如三相380Vac电源网络)的三相交流电压。有利的是，整流模块12使用比晶闸管更便宜、更可靠的二极管120
速度控制器1还包括作为输出的逆变模块13，由电源总线供电，能够使用可为可变幅度和频率的交流电压控制电气负载2。为实现此目的，逆变模块13采用脉宽调制(PWM)方式控制配置在每相上的电子功率开关130。这些开关是功率晶体管，如IGBT功率晶体管，它们由控制模块(未在图中示出)控制。在图1中，逆变模块13包括三个分支，用于给电气负载2传输三相交流电压，每个分支在电源总线的正极端和负极端之间串联配置了2个功率晶体管，共计6个功率晶体管。
本发明是将保护装置14放入控制器中，以保护控制器抵抗由供电网络A中电压变化而引起的过电流。
这些过电流可产生于两种不同的现象中：
-在过电压的时侯，总线电容器Cb产生的强电流浪涌，它可以损坏整流模块12中的二极管整流桥，以及电源总线上的高的过电压，可以损坏逆变模块13和总线电容器Cb；
-当发生欠电压后并返回正常电压时，总线电容器Cb也可产生强电流浪涌，其可能会损坏整流模块12中的二极管整流桥。
因此有必要限制整流模块12中的电流浪涌，从而在网络A中出现过电压期间或发生欠电压后进行防护。
为实现该目的，本发明的装置14特别地包括第一电子开关，例如一个常关断或常导通的JFET、MOSFET或者IGBT电子开关。
第一电子开关优选地由高带隙能量的材料(也被称作宽带隙材料)制成，即在导通状态下呈现低电阻Rdson，并且可以经受高电压(高于1000V)，例如炭化硅或者是氮化镓(GaN)。
第一电子开关优选是JFET类型。JFET晶体管是公知的电子功率开关，它包括一个控制栅极(G)，用于允许或禁止电流从漏极(D)和源极(S)之间流过。如果栅极和源极之间的电压VGS接近0，这种晶体管被称为“常导通”型。这意味着在没有控制电压VGS下，漏-源沟道导通。相反，如果在栅极和源极之间没有控制电压VGS下，漏-源沟道不导通，这样的JFET晶体管被称为“常关断”型。
另外，已经证明常导通的JFET晶体管可提供比其它压控电子功率开关更好的性能，如MOSFET，IGBT或甚至是常关断型的JFET开关。特定地，这种开关具有下列具体的优点：开关速度更快、导通状态下(导电状态下RDSon为低电阻)产生更少的传导损耗、更好的温度特性和拥有更小的尺寸。
因而，本发明的保护装置14优选地包括常导通JFET晶体管T1，由高带隙能量材料如炭化硅或氮化镓制成。晶体管T1配置在整流模块12和总线电容器Cb间的电源总线的正极线路10上。装置14还包括与晶体管T1并联配置的第一电阻器R1，以及由第二电阻器R2和第二电子开关串联构成的组合部件，这个组合部件与晶体管T1和第一电阻器R1并联配置。第二电子开关例如是常关断的IGBT晶体管T2。
第一电阻器具有几十欧姆量级的高阻值，如70欧姆(对于一个4kW的控制器阻值可从100欧姆到10欧姆)，而第二电阻器具有几个欧姆量级的低阻值，如3欧姆(对于4kW的控制器，阻值从5欧姆到0.5欧姆)。
此外，本发明的装置还包括控制装置140，用于控制晶体管T1和晶体管T2。这些控制装置140特别包括了用于决定晶体管T1和T2的开关动作的处理装置、用于存储不同门限值的存储装置、用于控制晶体管T1的电源和用于控制晶体管T2的电源。使用的电源例如是电荷泵电路，其包括在电路预充电时从电源总线充电的电容器和与电容器并联的齐纳二极管。用来控制电子晶体管T2的电荷泵电路的源是晶体管T1的漏极，同时晶体管T1的电荷泵电路的源是晶体管T1的源极。也可以使用单独的外部电源来控制晶体管T1和T2，但在这种情况下，控制装置140不再由电源总线直接供电，并且电路因此不再独立。这种情况下，可能要考虑使用常关断晶体管T1和将本发明的装置14配置在电源总线负极线11上，并位于整流模块12和总线电容器Cb之间。
控制器1还包括连接在电源总线的正极线路10和负极线路11之间的去耦电容器Cd，且位于整流模块12的下游，保护模块14的上游。这个去耦电容器Cd用于在限定的时间段内削减供电网络A中出现的高的过电压。
根据控制器1是否处于初始阶段的预充电、遭受网络的过电压或欠电压的情况，控制器1的保护装置14有如下几种工作方式：
-初始阶段：
晶体管T1初始是导通状态，其导通状态下的电阻(Rdson)非常小。因此，晶体管T1引脚处的电压V同样也非常低。晶体管T2初始为关断状态。
一旦流经T1的电流超过它的限制电流，晶体管T1变成限制状态。限制电流足以对晶体管T1和T2的电荷泵电路的两个电容器进行充电。一旦晶体管T1的电荷泵电路的电容器被充电，控制装置140施加电压以控制T1的开关动作，以通过第一电阻器R1对总线电容器Cb充电。第一电阻器R1具有高值，可以使得总线电容器Cb缓慢充电并实现预充电电路的功能。如果总线电容器端子的电压Vdc超过了存储的第一门限值S1，如250伏，这样会控制晶体管T2导通来加速对总线电容器Cb进行充电，与T2串联的第二电阻器R2比第一电阻器R1的阻值低。后面的功能在本发明的装置中是可选的。在总线电容器Cb具有高电容值情况下才有意义。
当晶体管T1引脚处测得的电压V再次为0时，也意味着初始阶段结束。更详细地，如果晶体管T1引脚处测得的电压为0，意味着此时电流不再流过第一电阻器R1或者是第二电阻器R2，因此总线电容器Cb充电完成。控制装置能够通过断开其电源来控制晶体管T1处于导通状态，并且在采用了“总线电容器快速充电”方式下，控制T2处于关断状态。
-网络过电压
当供电网络A中产生过电压时，在总线电容器Cb上产生强电流浪涌。因此流过晶体管T1的电流快速上升，直到晶体管T1变为限制状态为止。晶体管T1的电阻增大来限制电流，这引起晶体管T1引脚处测得的电压V的升高。如果晶体管T1引脚处的电压V超过了存储的第二门限值S2，例如，定为3伏，此时控制装置对晶体管T1施加一控制电压控制来使其截止。在这种状况下，电流接着流过第一电阻器R1，此时第一电阻器R1会遭受过电压产生的影响。当过电压结束时，晶体管T1引脚处测得的电压返回到低于第二门限值S2，控制装置通过切断其电源来导通晶体管T1。可以通过降低第二门限值S2来降低最大的限制电流。晶体管T1接着在变为限制状态前辈关断，它的引脚处的电压与在导通状态下它的电阻和流过它的电流的乘积成比例。
-网络欠电压
在控制器的供电网络处于欠电压期间，晶体管T1导通，如果电气负载2在逆变器上则总线电容器Cb放电，或者如果电气负载2不在逆变器上则总线电容器Cb不放电。在欠电压结束之后，当它返回正常值过程中，如果总线电容器Cb没有放完电，则不会有电流浪涌产生。相反，如果总线电容器Cb在欠电压期间给电气负载2供电而放电完毕，总线电容器在电压返回正常前就必须进行重新充电，这样会产生强电流浪涌。为了保护控制器元件，晶体管T1转变为限制状态，且它会引起晶体管T1引脚处测得的电压V升高。当晶体管T1引脚处的电压V超过了上面定义的第二门限值S2，如3伏时，控制装置将晶体管T1关断。此时电流流过第一电阻器R1。如果电气负载2在逆变器上，则给负载2供电的电流和向总线电容器Cb重新充电的电流一起流过第一电阻器R1，这会造成第一电阻器R1持续发热。如果晶体管T1引脚处测得的电压V保持高于第二门限值S2至少一个预存储时间段t，如2-3毫秒，则控制装置140将晶体管T2导通，从而通过流过第二个电阻器R2的电流来加速对总线电容器Cb的充电过程。这是由于晶体管T1引脚处的电压V保持高于第二门限值S2一段时间，这意味着控制器没有遇到常见的暂态过电压，而是处于欠电压后并返回正常值的过程中。当晶体管T1引脚处测量的电压V回归到第二门限值S2之下时，控制装置140将晶体管T1导通。
上述不同的控制顺序实现了安装常导通晶体管T1的保护装置的启动。然而，也应当以相同的思路来理解使用常关断晶体管T1下的情况。但是在这种情况下，控制装置中需要一个特殊的隔离电源来控制常关断晶体管T1。
根据本发明，这个装置比较适合如下场合，当控制器1不包括电源总线上的任何滤波扼流圈(DC扼流圈)，以及当总线电容器具有高电容器值(如，超过80uF/kW)时。
然而，这种单独的方法还是有缺点，当晶体管T1在过电压期间被关断时，在整流模块12上会产生很大的电流强度变化(高的di/dt)。控制器1的输入电感或是线路电感(附图1未示出)会受到很强的瞬态过电压，它可能会损坏整流模块12中的二极管整流桥。
为了消散所产生的能量，可以使用具有晶体管T1的雪崩特性。晶体管T1在当它引脚处的电压V超过其雪崩门限时，可自动变成导通状态。如果在总线电容器引脚处的电压到达700伏以及当整流模块的二极管可耐受1600伏电压时，晶体管T1必须设计成例如雪崩门限值为800伏。然而，晶体管T1也必须要设计成能够吸收来自网络A中大量的能量。
在一个变型中，为了消散产生的能量，可以优选在去耦电容器Cd处，并联一个Gmov可变电阻器M1(以虚线画出)或者是增加与齐纳二极管Z1并联提供的常关断JFET晶体管T3。晶体管T3例如可使用它的雪崩特性或使用特殊控制来进行导通。

Claims (15)

1、一种速度控制器，包括：
-作为输入的整流模块(12)，从供电网络(A)中获取交流电压，在电源总线(10，11)上产生直流电压；
-总线电容器(Cb)，连接在电源总线的正极线路和负极线路之间；和
-逆变模块(13)，由电源总线供电，受控传递交流电压到电气负载(2)；
其特征在于：
-控制器(1)包括保护装置(14)，用于保护控制器抵抗供电网络(A)中由于电压变化而产生的过电流；
并且，其特征在于保护装置包括：
-第一电子开关，位于电源总线上，串联在整流模块(12)和总线电容器(Cb)之间；
-第一电阻器(R1)，与第一电子开关并联配置；
-组合部件，包括串联配置的第二电子开关(T2)和第二电阻器(R2)，该组合部件和第一电子开关及第一电阻器(R1)以并联的方式配置；
-控制装置(140)，用于控制第一电子开关(T1)和第二电子开关(T2)。
2、根据权利要求1所述的控制器，其特征在于：所述保护装置(14)配置在电源总线的正极线路(10)上。
3、根据权利要求1或2所述的控制器，其特征在于：所述第一电子开关是JFET晶体管(T1)。
4、根据权利要求3所述的控制器，其特征在于：所述JFET晶体管(T1)由碳化硅制成。
5、根据权利要求3或4所述的控制器，其特征在于：所述JFET晶体管(T1)是常导通的。
6、根据权利要求3至5之一所述的控制器，其特征在于：用于控制所述JFET晶体管(T1)的所述控制装置(140)连接在所述电源总线的正极线路(10)和负极线路(11)之间。
7、根据权利要求6所述的控制器，其特征在于：这些控制装置(140)包含可向所述JFET晶体管施加控制电压的电荷泵电路。
8、根据权利要求3至7之一所述的控制器，其特征在于：第二电子开关为常关断型。
9、根据权利要求8所述的控制器，其特征在于：用于控制第二电子开关的控制装置包括可对向第二电子开关(T2)施加控制电压的电荷泵电路。
10、根据权利要求3至9之一所述的控制器，其特征在于：控制装置(140)包括存储装置，用于存储一个门限值(S2)，当所述JFET晶体管(T1)引脚处测得的电压(V)超过该门限制(S2)时，所述JFET晶体管(T1)被控制装置(140)关断。
11、根据权利要求10所述的控制器，其特征在于：存储装置存储预先设定的时间段，在该时间段的末端，如果在JFET晶体管(T1)引脚处测量的电压(V)保持高于所述门限值(S2)，第二电子开关(T2)被导通。
12、根据权利要求3至11之一所述的控制器，其特征在于：控制装置(140)包括存储装置，用于存储一个门限值(S1)，当在电源总线的正极线路(10)和负极线路(11)之间测得的电压超过该门限值时，第二电子开关(T2)被导通。
13、根据权利要求1至12之一所述的控制器，其特征在于：它还包括了保护整流模块(12)抵抗过电压的装置。
14、根据权利要求13所述的控制器，其特征在于：用于保护整流模块(12)抵抗过电压的所述装置包括常导通的JFET限制晶体管(T3)和齐纳二极管(Z1)，这两个器件并联连接在电源总线的正极线路(10)和负极线路(11)之间。
15、根据权利要求13所述的控制器，其特征在于：用于保护整流模块抵抗过电压的装置包括GMOV可变电阻器(M1)，它连接在电源总线的正极线路(10)和负极线路(11)之间。
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