CN102130616A - 一种变频器预充电控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频器预充电控制装置及其方法，包括：三相可控整流桥、储能电容、电压传感器、三相整流控制装置和同步变压器，三相可控整流桥交流侧与三相交流电源相连，将输入三相交流电经过整流转变成直流电，储能电容与三相可控整流桥直流侧相连，对储能电容充电，电压传感器连接在储能电容两端，同步变压器连接在三相交流侧，三相整流控制装置分别与三相可控整流桥、同步变压器、电压传感器相连，电压传感器检测储能电容两端电压，三相整流控制装置通过检测电压传感器的电压，结合三相交流同步信号，产生三相可控整流桥触发脉冲信号。该装置和方法降低了产品成本，简化了系统结构设计，减少了故障点，安全性和可靠性也大大增强。

Description

一种变频器预充电控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种预充电控制装置及其方法，尤其是涉及一种对变频器预充电电路进行控制的装置及其方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展和变频器技术研究的深入，变频器日益广泛地被应用到风机、水泵、压缩机等大功率机械设备的驱动系统中。但是变频器在每次开机运行时，需要先建立直流母线电压。因此整个系统在上电时，对巨大的输入冲击电流进行抑制是十分必要的，这时就迫切需要一种合适的预充电电路来减小冲击电流，即di/dt电流的变化率。使其对电网和本系统的冲击降低到合理的范围，从而提高系统的可靠度，也减小对电网的干扰。

目前，市面上的变频器在整流电路后边设置了预充电电路，这样做的好处是变频器启动时可以减少输入冲击电流。预充电电路的经典设计方法一般是在整流电路后接一个或者多个充电电阻，当直流环节电容充电完毕后，再将充电电阻短路掉，上电完成。但这种预充电电路存在充电电阻易烧损、接触器体积较大、成本较高等缺点。

预充电电路是变频器的一个重要环节，完成的主要功能是当系统上电时，先对直流环节的储能电容进行预充电，这样做的好处是：由于电容初始状态相当于短路，就会使储能电容在上电瞬间通过很大的电流，电容的寿命会大受影响，且会有爆炸的危险。

目前，变频器所采用的预充电电路一般是在整流电路后跨接充电电阻的模式完成预充电。预充电电路基本模式如下图1所示，预充电电路包括三相不控整流桥21、充电电阻22、接触器23和直流环节储能电容24。即当三相交流电源刚接通时，接触器23处于断开状态，此时三相交流电源通过充电电阻22，并经由二极管组成的三相不控整流桥21整流，给直流环节储能电容24充电。当电压达到一定程度时，接触器23吸合并把充电电阻22短路，此时变频器可以开始工作。

该方案目前应用比较广泛，但是缺点也比较明显：

（1）由于其结构复杂，特别是接触器、充电电阻等元件成本高、体积大，制约了变频器的生产成本和体积；

（2）充电电阻易损坏，且损坏后会造成变频器不启动；

（3）接触器在频繁启动的工作场合，寿命不仅会大大缩减，而且会影响变频器正常工作；

（4）由于充电电阻已经固定，因此电容的充电电流不可调整。

在现有技术中主要存在以下三篇文献：

现有技术1为由安徽颐和新能源科技股份有限公司于2009年3月5日申请，2010年1月20日公开，公开号为CN201388156的中国实用新型专利，具体公开了一种新型级联型高压变频器预充电电路，包括有同电源三相线相连接的导线，以及一个直流的母线电容，还包括三相半控桥式整流电路，RC吸收电路，充电支路，高频电容，平波电感。由于对比文件1是将级联型高压变频器功率单元的输入二极管整流桥改造为三相半控桥式整流，通过一个预充电电路使功率单元直流母线被预充至额定电压值，从而避免了上电时母线电容因承受极高的di/dt值，使其提前失效；也避免其整流二极管因承受超过其耐受能力的di/dt值而造成损坏，引起整个单元故障而退出。

现有技术2为由上海新时达电气有限公司于2006年12月13日申请，2007年8月8日公开，公开号为CN101013855A的中国发明专利申请，具体公开了一种变频器的预充电电路，包括：电解电容、充电电阻、继电器、第一整流桥、三相380V输入；还包括一个电源接口；所述电源接口的二端分别通过第一热敏电阻或者第一铝壳电阻器、第二热敏电阻或者第二铝壳电阻器与第二整流桥的交流端相连；第二整流桥的直流端分别通过第一二极管和第二二极管与电解电容二端相连。

现有技术3为由上海新时达电气有限公司，上海新格林纳新时达电机有限公司于2009年2月13日申请，2010年1月20日公开，公开号为CN201388162的中国实用新型专利，具体公开了一种变频器的预充电控制电路，由可控硅组成的整流桥上通入三相交流电压时，由于可控硅触发控制模块还没有足够的工作电源，整流桥上的可控硅处于未触发状态，此时，系统将通过预充电模块给电解电容充电，当充电至一定电压后，可控硅触发控制模块开始有了工作电源并开始工作；可控硅触发控制模块开始工作后，就持续不断地采样三相交流输入电压，并与预定的参考值进行比较，当采样值大于预定参考值时，将输出开通触发信号给可控硅，实现三相整流输出，此后，电流几乎不再流经预充电电路，从而实现变频器的预充电控制功能。

上述现有技术1、2、3仅通过优化整流环节主电路设计完成预充电电路设计，均存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种变频器预充电控制装置及其方法，该装置和方法使变频器的电路更加精简，降低了产品的成本，简化了系统结构设计，减少了故障点，同时安全性和可靠性也大大增强。

本发明具体提供了一种变频器预充电控制装置的具体实施方式，包括：三相可控整流桥、储能电容、电压传感器、三相整流控制装置和同步变压器，三相可控整流桥交流侧与三相交流电源相连，将输入三相交流电经过整流转变成直流电，储能电容与三相可控整流桥直流侧相连，对储能电容进行充电，电压传感器连接在储能电容的两端，同步变压器连接在三相交流侧，三相整流控制装置分别与三相可控整流桥、同步变压器、电压传感器相连，电压传感器检测储能电容两端的电压，三相整流控制装置通过检测电压传感器的电压，结合同步变压器上的三相交流同步信号，产生三相可控整流桥的触发脉冲信号。

作为本发明一种变频器预充电控制装置进一步的实施方式，三相整流控制装置包括处理器模块、直流电压转换模块、同步信号处理模块和脉冲形成模块，直流电压转换模块与电压传感器相连，将电压传感器传送的电压信号转换成处理器模块读取的电压信号；同步变压器与处理器模块相连，将三相交流电源同步信号转换成处理器模块识别的同步过零方波信号；脉冲形成模块与处理器模块相连，将处理器模块形成的触发脉冲列转换成可驱动三相可控整流桥的脉冲列。

作为本发明一种变频器预充电控制装置进一步的实施方式，同步变压器包括第一同步变压器和第二同步变压器，第一同步变压器和第二同步变压器分别连接在三相交流侧的UV相和VW相。

作为本发明一种变频器预充电控制装置进一步的实施方式，三相可控整流桥为三相半控整流桥或三相全控整流桥。

作为本发明一种变频器预充电控制装置进一步的实施方式，三相整流控制装置检测三相交流侧UV相和VW相的同步信号，确定三相整流半控桥控制模式，根据同步信号计算晶闸管的开放角和开放角变化速率，并形成晶闸管触发脉冲列，开放三相可控整流桥中的晶闸管。

作为本发明一种变频器预充电控制装置进一步的实施方式，三相整流控制装置通过控制三相可控整流桥中晶闸管的开放角来限制直流环节储能电容的充电电流变化速率di/dt。

作为本发明一种变频器预充电控制装置进一步的实施方式，电压传感器检测到储能电容充电完成，三相可控整流桥中的晶闸管触发角维持为0度，晶闸管按二极管模式工作，变频器进入正常工作模式。

本发明还提供了一种变频器预充电控制方法的具体实施方式，一种对变频器预充电装置进行控制的方法，包括以下步骤：

S10：当变频器三相交流电源接通时，三相整流控制装置根据系统指示进入充电模式状态；

S11：三相整流控制装置检测到三相交流电源UV相和VW相的同步信号后，开放三相可控整流桥中相应的晶闸管，使晶闸管的触发从120度逐渐减少到0度；

S12：当直流环节电压达到一定程度时，三相可控整流桥中晶闸管的触发角维持为0度，晶闸管按二极管工作，变频器进入正常工作模式。

作为本发明一种变频器预充电控制方法进一步的实施方式，变频器预充电控制方法还包括以下步骤：

S110：直流电压转换模块将电压传感器传送的电压信号按比例转换成处理器模块读取的电压采样信号；

S111：同步信号处理模块通过第一同步变压器和第二同步变压器将三相交流电源的同步信号转换成处理器模块识别的同步过零方波信号；

S112：三相整流控制装置确定三相可控整流桥的控制模式，根据同步信号计算晶闸管开放角和晶闸管开放角变化速率，形成晶闸管触发脉冲列；

S113：脉冲驱动模块将处理器模块形成的晶闸管触发脉冲列转换成可驱动晶闸管的脉冲列。

作为本发明一种变频器预充电控制方法进一步的实施方式，通过控制所述三相可控整流桥晶闸管的开放角来控制直流侧储能电容的充电电流，进而限制储能电容两端的di/dt。

通过实施本发明一种变频器预充电控制装置及其方法的具体实施方式，具有以下技术效果：

（1）变频器省去了接触器和充电电阻，降低了产品成本，简化了系统结构设计，减少了故障点；

（2）直流环节储能电容的充电电流不再承受较大的di/dt，使系统安全性和可靠性大大增强；

（3）针对具体变频器的应用，其充电速率可通过程序进行优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术变频器预充电电路的电路结构示意图；

图2是本发明变频器预充电控制装置一种具体实施方式的电路结构示意图；

图3是本发明变频器预充电控制装置一种具体实施方式的系统结构框图；

图4是本发明变频器预充电控制方法一种具体实施方式的程序流程示意图。

其中：21-三相不控整流桥，22-充电电阻，23-接触器，24-直流环节储能电容，11-三相可控整流桥，12-储能电容，13-电压传感器，14-三相整流控制装置，15-第一同步变压器，16-第二同步变压器，17-处理器模块，18-直流电压转换模块，19-同步信号处理模块，20-脉冲形成模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合相应的附图将本发明一种变频器预充电控制装置及其方法的具体实施方式介绍如下：

如图2所示的一种变频器预充电控制装置，包括：三相可控整流桥11、储能电容12、电压传感器13、三相整流控制装置14和同步变压器，三相可控整流桥11交流侧与三相交流电源相连，将输入三相交流电经过整流转变成直流电，储能电容12与三相可控整流桥11直流侧相连，对储能电容12进行充电，电压传感器13连接在储能电容12的两端，同步变压器连接在三相交流侧，三相整流控制装置14分别与三相可控整流桥11、同步变压器、电压传感器13相连，电压传感器13检测储能电容12两端的电压，三相整流控制装置14通过检测电压传感器13的电压，结合同步变压器上的三相交流同步信号，产生三相可控整流桥11的触发脉冲信号。其中，同步变压器包括第一同步变压器15和第二同步变压器16，第一同步变压器15和第二同步变压器16分别连接在三相交流侧的UV相和VW相。三相可控整流桥11在具体实施方式当中采用了三相半控整流桥，也可以采用三相全控整流桥。

如图3所示，三相整流控制装置14进一步包括处理器模块17、直流电压转换模块18、同步信号处理模块19和脉冲形成模块20，直流电压转换模块18与电压传感器13相连，将电压传感器13传送的电压信号转换成处理器模块17读取的电压信号；同步变压器与处理器模块17相连，将三相交流电源同步信号转换成处理器模块17识别的同步过零方波信号；脉冲形成模块20与处理器模块17相连，将处理器模块17形成的触发脉冲列转换成可驱动三相可控整流桥11的脉冲列。三相整流控制装置14检测三相交流侧UV相和VW相的同步信号，确定三相整流半控桥控制模式，根据同步信号计算晶闸管的开放角和开放角变化速率，并形成晶闸管触发脉冲列，开放三相可控整流桥11中的晶闸管。

三相整流控制装置14进一步通过控制三相可控整流桥11中晶闸管的开放角来限制直流环节的储能电容12的充电电流变化速率di/dt。当电压传感器13检测到储能电容12充电完成时，三相可控整流桥11中的晶闸管触发角维持为0度，晶闸管按二极管模式工作，变频器进入正常工作模式。其中，三相可控整流桥11中的功率开关器件晶闸管也可以采用其他类似的功率开关器件。

本发明具体实施方式所描述的变频器预充电控制装置在变频器整流环节采用三相半控整流桥代替现有技术采用的三相不控整流桥，这样可通过控制晶闸管的开放角来限制储能电容的充电电流。由于三相半控整流桥11需要被控制和驱动，因此需新增一个三相整流控制装置14，该控制装置需要完成三相交流电源同步信号的检测、晶闸管脉冲形成、晶闸管脉冲形成、直流电压传感器电压信号检测等功能。在三相交流侧新增两个同步变压器为三相整流控制装置提供控制用的同步信号。在直流环节增加一个电压传感器13用于直流电压检测。

作为本发明一种变频器预充电控制方法的具体实施方式，如图4所示，变频器预充电上电步骤如下：

S10：当变频器三相交流电源刚接通时，三相整流控制装置14根据系统指示进入充电模式状态；

S11：三相整流控制装置检测14到三相交流电源UV间、VW间的同步信号后，开放三相半控整流桥11中相应的晶闸管，使晶闸管的触发从120度逐渐减少到0度；

S12：当直流环节电压达到一定程度时，三相半控整流桥11中的晶闸管触发角维持为0度，晶闸管按二极管工作，变频器进入正常工作模式，可启动后部逆变环节投入工作。

三相整流控制装置是完成变频器预充电功能的核心控制装置，其主要控制步骤包括：

S110：直流电压转换模块18将电压传感器13传送的电压信号按比例转换成处理器模块17读取的电压采样信号；

S111：同步信号处理模块19通过第一同步变压器15和第二同步变压器16将三相交流电源的同步信号转换成处理器模块17识别的同步过零方波信号；

S112：三相整流控制装置14确定三相可控整流桥11的控制模式，根据同步信号计算晶闸管开放角和晶闸管开放角变化速率，形成晶闸管触发脉冲列；

S113：脉冲驱动模块20将处理器模块17形成的晶闸管触发脉冲列转换成可驱动晶闸管的脉冲列。

通过控制三相可控整流桥11晶闸管的开放角可以控制直流侧储能电容12的充电电流，进而限制储能电容12两端的di/dt。三相整流控制装置14可通过程序设定储能电容充电速率，灵活性非常高、通用型强。本发明具体实施方式所描述的变频器预充电控制装置及其方法使现有变频器省去了接触器和充电电阻，降低了产品成本，简化了系统结构设计，减少了故障点。使直流环节储能电容的充电电流不再承受较大的di/dt，系统安全性和可靠性大大增强。同时，针对具体变频器的应用，其充电速率可通过程序进行优化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种变频器预充电控制装置，其特征在于，包括：三相可控整流桥（11）、储能电容（12）、电压传感器（13）、三相整流控制装置（14）和同步变压器，三相可控整流桥（11）交流侧与三相交流电源相连，将输入三相交流电经过整流转变成直流电，储能电容（12）与三相可控整流桥（11）直流侧相连，对储能电容（12）进行充电，电压传感器（13）连接在储能电容（12）的两端，同步变压器连接在三相交流侧，三相整流控制装置（14）分别与三相可控整流桥（11）、同步变压器、电压传感器（13）相连，电压传感器（13）检测储能电容（12）两端的电压，三相整流控制装置（14）通过检测电压传感器（13）的电压，结合同步变压器上的三相交流同步信号，产生三相可控整流桥（11）的触发脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的一种变频器预充电控制装置，其特征在于：所述的三相整流控制装置（14）包括处理器模块（17）、直流电压转换模块（18）、同步信号处理模块（19）和脉冲形成模块（20），直流电压转换模块（18）与电压传感器（13）相连，将电压传感器（13）传送的电压信号转换成处理器模块（17）读取的电压信号；同步变压器与处理器模块（17）相连，将三相交流电源同步信号转换成处理器模块（17）识别的同步过零方波信号；脉冲形成模块（20）与处理器模块（17）相连，将处理器模块（17）形成的触发脉冲列转换成可驱动三相可控整流桥（11）的脉冲列。

3.根据权利要求1或2所述的一种变频器预充电控制装置，其特征在于：所述的同步变压器包括第一同步变压器（15）和第二同步变压器（16），第一同步变压器（15）和第二同步变压器（16）分别连接在三相交流侧的UV相和VW相。

4.根据权利要求3所述的一种变频器预充电控制装置，其特征在于：所述的三相可控整流桥（11）为三相半控整流桥或三相全控整流桥。

5.根据权利要求4所述的一种变频器预充电控制装置，其特征在于：所述的三相整流控制装置（14）检测三相交流侧UV相和VW相的同步信号，确定三相整流半控桥控制模式，根据同步信号计算晶闸管的开放角和开放角变化速率，并形成晶闸管触发脉冲列，开放三相可控整流桥（11）中的晶闸管。

6.根据权利要求4所述的一种变频器预充电控制装置，其特征在于：所述的三相整流控制装置（14）通过控制三相可控整流桥（11）中晶闸管的开放角来限制直流环节储能电容（12）的充电电流变化速率di/dt。

7.根据权利要求4、5、6中任一权利要求所述的一种变频器预充电控制装置，其特征在于：电压传感器（13）检测到储能电容（12）充电完成，三相可控整流桥（11）中的晶闸管触发角维持为0度，晶闸管按二极管模式工作，变频器进入正常工作模式。

8.一种对权利要求1或2所述的变频器预充电控制装置进行控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：当变频器三相交流电源接通时，三相整流控制装置（14）根据系统指示进入充电模式状态；

S11：三相整流控制装置（14）检测到三相交流电源UV相和VW相的同步信号后，开放三相可控整流桥（11）中相应的晶闸管，使晶闸管的触发从120度逐渐减少到0度；

S12：当直流环节电压达到一定程度时，三相可控整流桥（11）中晶闸管的触发角维持为0度，晶闸管按二极管工作，变频器进入正常工作模式。

9.根据权利要求8所述的一种变频器预充电控制方法，其特征在于：所述的变频器预充电控制方法包括以下步骤：

S110：直流电压转换模块（18）将电压传感器（13）传送的电压信号按比例转换成处理器模块（17）读取的电压采样信号；

S111：同步信号处理模块（19）通过第一同步变压器（15）和第二同步变压器（16）将三相交流电源的同步信号转换成处理器模块（17）识别的同步过零方波信号；

S112：三相整流控制装置（14）确定三相可控整流桥（11）的控制模式，根据同步信号计算晶闸管开放角和晶闸管开放角变化速率，形成晶闸管触发脉冲列；

S113：脉冲驱动模块（20）将处理器模块（17）形成的晶闸管触发脉冲列转换成可驱动晶闸管的脉冲列。

10.根据权利要求9所述的一种变频器预充电控制方法，其特征在于：通过控制所述三相可控整流桥（11）晶闸管的开放角来控制直流侧储能电容（12）的充电电流，进而限制储能电容（12）两端的di/dt。

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