CN103368370B - 逆变器零电荷启动和停止电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种逆变器零电荷启动和停止电路，它将逆变器的供电分为主回路供电和控制回路供电两部分，主回路供电是在电源与限流电阻之间连接由继电器RY1和RY2串联的电路，在电源与限流电阻和直流母线电容之间连接SSR静态开关，所述控制回路供电是在电源正负两端之间连接启动停止电路，在电源正端与逆变控制电路之间串接继电器RY4，启动停止电路通过外接启动按键和停止按键，经由继电器RY4控制逆变控制电路，启动停止电路接收逆变控制电路的状态回传信号，实现故障时序控制，在逆变器的输出端连接输出接触器MOUT实现逆变器的输出控制。本发明具有逆变控制先于主回路上电，逆变控制后于主回路失电，逆变控制电路不掉电的特征。

Description

逆变器零电荷启动和停止电路

技术领域

本发明属于逆变器安全操作控制领域，尤其是一种逆变器零电荷启动和停止电路。

背景技术

高压母线逆变技术具备低损耗、高效率的特点，因此目前绝大多数逆变器都采取高压直流母线逆变结构，即便是低压小功率逆变器，也往往采取先升压后逆变的方式，其中以DC300V-DC800V逆变技术最为常见，这是由于这一范围内电力电子器件选择范围宽广。

但是，高压母线的建立与撤离对于逆变控制又提出新的要求，人们过多关注逆变功能、效率、体积重量等等问题，而很少关注逆变启动、停止等边界过程和静态安全特性。目前，在逆变器领域由于缺乏严格的上电及撤电控制时序，使之在启动、停止、静态都存在隐患。主要问题有以下三点：第一，开机过程存在主回路与控制回路上电的冒险竞争。第二，停机过程存在电气拉弧，高压残留电荷控制失效现象。第三，在逆变器静态时，内部滞留的高压残留电荷难以在短时间泄放，给人机操作带来安全隐患。

图1为直接母线逆变简图。当输入空气开关K1闭合后，控制回路立刻上电工作，主回路通过限流电阻R1对直流母线电容C缓充电，待电容充满后，通过K2开关将电阻短接旁路，之后逆变器工作。图2为DC/DC隔离逆变结构简图。当输入开关K1闭合后，控制回路立刻上电工作，通过DC/DC变换器实现隔离，PWM控制逐步高压母线，待母线电容充满后，逆变电路工作。从中我们可以看出，逆变器的启动停止操作都是通过输入空气开关的分断实现，在断电后高压残留电荷泄放高过程中，逆变器件处于不受控状态，逆变桥臂容易出现干扰导通现象。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种逆变器零电荷启动和停止电路。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种逆变器零电荷启动和停止电路，包括逆变器的限流电阻、直流母线电容、逆变控制电路，本发明的创新是：它将逆变器的供电分为主回路供电和控制回路供电两部分，所述主回路供电是在电源正端与限流电阻之间的节点上连接由继电器RY1和RY2串联的电路，在电源正端与限流电阻和直流母线电容之间的节点上连接SSR静态开关实现主回路供电控制，所述控制回路供电是在电源正负两端之间连接启动停止电路，在电源正端与逆变控制电路之间串接继电器RY4，启动停止电路通过外接启动按键和停止按键，经由继电器RY4控制逆变控制电路，从而引导逆变器的整机启动和停止，启动停止电路还与逆变控制电路连接，接收逆变控制电路的状态回传信号，实现故障时序控制，同时，在逆变器的输出端连接输出接触器MOUT实现逆变器的输出控制。

而且，所述启动停止电路由第一至第五单元构成，其中第一单元为电源单元，是启动停止电路的工作电源，第二单元为启动停止操控单元，第三单元为主回路充电控制单元，第四单元为输出控制单元，第五单元为静态开关驱动单元。

而且，所述第一单元包括DC300V电源供电给PWR端子，由PWR端子分为两路，一路输出至第五单元，另一路经过开关电源模块MK2，转换成+12V、GND、-12V供电输出，为整个电路提供电源，同时还在DCPWR端子处输出，用于扩展电路的供电,在电源模块MK2的+12输出与地之间并联褪耦电容CX1、CX2、CX3。

而且，所述第二单元通过启动和停止按键，控制继电器RY4触点的通断，建立逆变主板工作电源DC300V，并使逆变主板工作电源具备如下特点：建立同步于启动操作，撤离延迟于停止操作，屏蔽二次启动，第二单元中的输出信号STR=0传送至第三单元。

而且，所述第三单元接收到两路信号，一路为逆变故障回传信号FAULT=1，高电平表示故障态，低电平表示正常，另一路为信号STR=0，低电平表示启动，高电平表示停止，在启动状态并且回传无故障同时成立时，主回路充电开始启动工作：继电器RY1触点立刻闭合，主回路通过RY1、RY2、外接电阻R构成的限流通道，向母线电容充电，待延时8秒后，驱动信号DRV=1由低电平转为高电平，将驱动静态开关SSR导通，第三单元的输出信号DRV=1将分别传送第四单元和第五单元。

当信号STR=0转为高电平，则说明进行了停止操作，其执行结果为：继电器RY1释放，RY1常开触点切断限流通道，同时，信号DRV=1转为低电平，静态开关SSR关断；

当信号FAULT=1转为高电平，则逆变器存在故障，其执行结果为：继电器RY2吸合，RY2常闭触点切断限流通道，同时，信号DRV=1转为低电平，静态开关SSR关断。

而且，所述第四单元接收两路信号，一路为第五单元传送的DRV=1信号，高电平表示静态开关SSR导通，另一路为逆变运行回传信号RUN=1，当逆变器运行开启后，该信号转为高电平，在这两个条件同时成立时，延时5秒后，继电器RY5触点控制逆变输出接触器MOUT的动作，实现逆变输出，只要一个条件不满足，逆变输出立刻切断。

而且，所述第五单元接收来自第三单元的DRV=1信号，高电平时驱动静态开关SSR导通，低电则关断，开关电源模块MK1为隔离驱动电源，继电器RY8实现信号隔离。

本发明的优点和积极效果是：

1、从整体来看，本发明的启动停止电路相当于给普通逆变器安装了一个开关机操作系统，实现了逆变器运行由零电荷静止状态—逆变状态--零电荷静止状态的物理状态转换；实现了在逆变故障状态下主回路器件处于受控状态，避免故障对输入直流（蓄电池）和输出负载的关联损害，其控制理论与逆变拓扑结构无关，该技术具备普适性特点。

2、本发明在启动过程中，具备逆变控制先于主回路上电的特征；在停止过程中，具备逆变控制后于主回路失电的特征；具备逆变故障下，逆变控制电路不掉电，防止主回路失控的特征。

3、本发明直流主回路的控制半导体静态开关形式，消除电气拉弧，灼烧触点现象。

4、本发明通过启动时序使逆变控制先于主回路上电，实现主回路受控上电过程，避免了冒险竞争对功率器件带来的冲击。

5、本发明逆变器耗尽高压残留电荷后逆变控制才停机，消除器件失控的现象。

6、本发明实现了逆变零电荷停机功能，对人员提供了安全保证。

7、本发明在逆变故障条件下，保持功率器件最大受控效能并防止逆变故障对输入直流侧及负载侧关联损害。

附图说明

图1为现有直接母线逆变简图；

图2为现有DC/DC隔离逆变结构简图；

图3为本发明具备零电荷启动和停止控制的逆变器电路结构简图；

图4为本发明启动停止电路的第一单元电路结构图；

图5为本发明启动停止电路的第二单元电路结构图；

图6为本发明启动停止电路的第三单元电路结构图；

图7为本发明启动停止电路的第四单元电路结构图；

图8为本发明启动停止电路的第五单元电路结构图；

图9为本发明启动停止电路的电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述，

一种逆变器零电荷启动和停止电路，如图3所示，包括逆变器的限流电阻、直流母线电容、逆变控制电路，本发明的创新点是，它将逆变器的供电分为主回路供电和控制回路供电两部分，所述主回路供电是在电源正端与限流电阻之间的节点上连接由继电器RY1和RY2串联的电路，在电源正端与限流电阻和直流母线电容之间的节点上连接SSR静态开关实现主回路供电控制，所述控制回路供电是在电源正负两端之间连接启动停止电路，在电源正端与逆变控制电路之间串接继电器RY4，启动停止电路通过外接启动按键和停止按键，经由继电器RY4控制逆变控制电路，从而引导逆变器的整机启动和停止，启动停止电路还与逆变控制电路连接，接收逆变控制电路的状态回传信号，实现故障时序控制，同时，在逆变器的输出端连接输出接触器MOUT实现逆变器的输出控制。

在本发明的具体实施中，如图9所示，所述启动停止电路由第一至第五单元构成，其中第一单元为电源单元，是启动停止电路的工作电源，第二单元为启动停止操控单元，第三单元为主回路充电控制单元，第四单元为输出控制单元，第五单元为静态开关驱动单元。

如图5或9所示，在第二单元中，通过启动和停止按键，控制继电器RY4触点的通断，建立逆变主板工作电源DC300V，并使逆变主板工作电源具备如下特点：建立同步于启动操作，撤离延迟于停止操作，屏蔽二次启动，第二单元中的输出信号STR=0传送至第三单元。

如图6或9所示，第三单元接收到两路信号，一路为逆变故障回传信号FAULT=1，高电平表示故障态，低电平表示正常，另一路为信号STR=0，低电平表示启动，高电平表示停止，在启动状态并且回传无故障同时成立时，主回路充电开始启动工作：继电器RY1触点立刻闭合，主回路通过RY1、RY2、外接电阻R构成的限流通道，向母线电容充电，待延时8秒后，驱动信号DRV=1由低电平转为高电平，将驱动静态开关SSR导通，第三单元的输出信号DRV=1将分别传送第四单元和第五单元。

当信号STR=0转为高电平，则说明进行了停止操作，其执行结果：继电器RY1释放，RY1常开触点切断限流通道。同时，信号DRV=1转为低电平，静态开关SSR关断。

当信号FAULT=1转为高电平，则说明逆变器存在故障，其执行结果：继电器RY2吸合，RY2常闭触点切断限流通道。同时，信号DRV=1转为低电平，静态开关SSR关断。

如图7或9所示，第四单元为输出控制单元，它接收两路信号，一路为第五单元传送的DRV=1信号，高电平表示静态开关SSR导通，另一路为逆变运行回传信号RUN=1，当逆变器运行开启后，该信号转为高电平，在这两个条件同时成立时，延时5秒后，继电器RY5触点控制逆变输出接触器MOUT的动作，实现逆变输出，只要一个条件不满足，逆变输出立刻切断。

如图8或9所示，第五单元为静态开关驱动单元，接收来自第三单元的DRV=1信号，高电平时驱动静态开关SSR导通，低电则关断，开关电源模块MK1为隔离驱动电源，继电器RY8实现信号隔离。

在本发明的具体电路中，如图4所示，所述第一单元包括DC300V电源供电给PWR端子，由PWR端子分为两路，一路输出至第五单元，另一路经过开关电源模块MK2，转换成+12V、GND、-12V供电输出，为整个电路提供电源，同时还在DCPWR端子处输出，用于扩展电路的供电,在电源模块MK2的+12输出与地之间并联褪耦电容CX1、CX2、CX3，

在具体电路中，褪耦电容CX1、CX2、CX3为1206封装的1U贴片电容，电源模块MK2为上海三基电源有限公司之产品AC/DC模块，型号MSPS-12D3。

在本发明的具体电路中，如图5所示，所述第二单元包括在端子CN1的1,2引脚外接启动按键，在端子CN1的3,4引脚外接停止按键，当按下启动键时，继电器RY9进入自保持吸合状态，同时继电器RY7吸合，继电器RY7的触点回传将断开启动按键回路，无法进行二次启动，在继电器RY9吸合后，信号STR=0立刻由高电平转为低电平，并传送至第三单元。同时，信号STR=0经U1F输出反相信号，然后通过二极管D2、电阻R8、电阻R11及电解电容E1构成的延迟网络，经U1E、U1D实现阻抗变换，由U1D输出，再经发光管LED2及电阻R2最终驱动三极管Q3的基极，Q3的集电极驱动继电器RY4和RY7的线圈，D4为续流二极管。继电器RY4的触点由端子CN3引出，继电器RY7的触点用于屏蔽回传。由于延时网络二极管D2、电阻R8、电阻R11及电解电容E1仅对停止操作延迟，不对启动操作延时，在按动启动键后，RY9吸合，RY7、RY4也同步吸合，RY7吸合后将屏蔽启动操作。端子CN3-1外接直流输入DC300V，端子CN3-2为直流输出端。随着RY4的吸合，在CN3-2将产生DC300V直流输出，此直流输出即为逆变主板工作电源。这一过程称为逆变主板工作电源的建立。

在按动停止键后，RY9立刻释放，由于延时网络二极管D2、电阻R8、电阻R11及电解电容E1仅对停止操作延迟，RY4依旧保持吸合大约13秒，在这一过程中逆变主板电路依旧工作，而逆变器的主回路电通道被切断，直流母线上的高压残留电荷将被逆变器以自耗电的方式消耗干净，最终RY7、RY4释放，端子CN3-2直流输出变为零，逆变主板失电而停止工作，逆变器进入冷待机状态，RY7屏蔽解锁，等待再次启动。这一过程称为逆变主板工作电源的撤离。

在具体实施中，所述启动按键为常开自复位型，所述停止按键为常闭合自复位型，所述U1D、U1E、U1F均采用集成电路MC140106，所述继电器RY9型号为DS2Y/D12，继电器RY7型号为HRAH-SD12,继电器RY4型号为13F-D12/2P。

在本发明的具体电路中，如图6所示，所述第三单元包括，端子CN6为接收来自逆变控制电路的状态回传信号，其中CN6-1，2传送逆变故障信号FAULT=1，高电平表示故障态，低电平表示正常。信号FAULT=1直接驱动继电器RY6、RY2的线圈和蜂鸣器BELL，D5为续流二极管，R17串联LED5构成状态显示支路。

输入信号STR=0，经U1A、二极管D1、电阻R7、电阻R10及电解电容E2构成的延时网络，再U1B、U1C及继电器RY6的常闭点NC--公共点COM，最终产生输出信号DRV=1，其中R5为输出下拉电阻。另外，信号STR=0经串接的触发器U1A、发光二极管LED1、电阻R4，最终驱动三极管Q4基极,Q4集电极驱动继电器RY1的线圈，D6为续流二极管。

在逆变器正常时，继电器RY6处于释放状态。但如果发生逆变故障，由于继电器RY6立刻吸合，蜂鸣器BELL报警，DRV=1信号也将同步转为低电平。换句话说，一旦发生逆变故障，DRV=1信号立刻转为低电平，经第五单元电路同步关闭SSR静态开关，经第四单元同步切断逆变输出接触器MOUT。

在按动启动键后，信号STR=0立刻由高电平转为低电平，三极管Q4驱动继电器RY1吸合；逆变器的输入正将通过继电器RY1的常开点--公共点、继电器RY2的常闭合--公共点、端子CN5外连的限流电阻R对直流母线电容充电。大约延时8秒后，待直流母线电容充满后，信号DRV=1由低电平转为高电平，驱动静态开关SSR导通。这一过程称为直流主电回路的建立。

当按动停止键后，信号STR=0立刻由低电平转为高电平，继电器RY1同步释放，RY1触点切断限流充电通道；同时，信号DRV=1也转为低电平，静态开关SSR关闭。这一过程称为直流主电回路的撤离。

当信号FAULT=1转为高电平，则说明逆变器存在故障，继电器RY2将同步吸合，其触点切断限流充电通道。同时，信号DRV=1转为低电平，静态开关SSR关断。这一过程称为故障处理动作。

在具体实施中，所述继电器RY1、RY2均型号为SLC/DC12，RY6型号为HRAHSD12，所述三极管Q4型号为TIP122，所述端子CN6为IDD10，所述端子CN5、CN4均采用CH762/2P，所述U1A、U1B、U1C均采用集成电路MC140106，所述SSR静态开关为双极绝缘栅三极管IGBT。

在本发明的具体电路中，如图7所示，如上文所述，所述第四单元的端子CN6为接收来自逆变控制电路的状态回传信号，其中端子CN6-3，4传送逆变运行回传信号RUN=1，高电平时表示逆变器处于开机,低电平表示逆变器处于热待机状态。

信号RUN=1与来自第三单元的输出信号DRV=1共同作用于U2D的两个输入端，并经U2C、由二极管D7、电阻R9、电阻R12、电解电容E3构成的延迟网络，再经U2A串接U2B实现阻抗变换，最后通过发光二极管LED4、电阻R13，到达三极管Q1基极，Q1的集电极驱动继电器RY5的线圈，D8为续流二极管、CB5为灭弧电容。另外，RY5的触点由端子CN8引出。外部DC300V串接接触器MOUT的线圈，再串接CN8的端子，最后到达DC0V。很显然RY5的触点的通断将控制接触器MOUT的吸合状态。MOUT为逆变输出接触器，承接逆变与负载之间通断关系。只有在信号RUN=1转为高电平以及信号DRV=1也为高电平，这两个条件同时成立时，表示逆变开机并且无故障情况，延迟5秒后，RY5吸合，RY5的触点将接通MOUT的线圈供电回路，逆变器实现输出。只要一个条件不满足，输出立刻切断。从而保证在四种情况下，逆变与负载之间的切离关系。这四种情况包括：逆变冷待机状态下、热待机状态下、故障状态下、逆变启动过程状态下等情况，

在具体实施中，所述U2A、U2B、U2C均采均采用集成电路MC14093，所述三极管Q1型号为TTP122，所述继电器RY5型号为13F-D12/2P，所述端子CN8型号为CH7.62/2P。

在本发明的具体电路中，如图8所示，所述第五单元包括，输入信号DRV=1,通过串联的发光二极管LED3、电阻R3驱动三极管Q2，三极管Q2输出控制继电器RY3、继电器RY8的吸合与释放，其中继电器RY3的触点由端子CN2引出，用于扩展级联控制；继电器RY8通过其触点选择偏置电压，实现对于静态开关的驱动，静态开关为双极绝缘栅三极管IGBT。端子CN7外连接双绞线，驱动IGBT的。另外，由于IGBT必须为隔离电源驱动，所以MK1采用上海三基电源有限公司之产品AC/DC模块，单路24V,型号MSPS-24D3。通过R15、E5、ZD1、E4产生双极绝缘栅三极管IGBT驱动的偏置电位。

如前文描述，在逆变无故障的情况下，随着按下启动键，逆变主板立刻得电工作，RY1吸合，限流充电回路对直流母线电容缓缓充电，避免了主回路大电流冲击。之后，延迟大约8秒，信号DRV=1由低电平转为高电平，驱动SSR静态开关导通,直流主电回路建立完成。在接收到逆变运行回传信号RUN=1后，再延时5秒，待逆变器运行彻底稳定后，逆变输出接触器MOUT吸合，实现对负载的供电。参看第三、第四单元电路和逆变结构图3。当按下停止键后，RY1释放，限流充电回路切断，静态开关关闭，直流主电回路的撤离。逆变主板供电将延时13秒停止，这段时间内，将利用自耗电的方式耗尽直流母线的残留电荷，并且屏蔽二次启动，参看第二单元。一旦逆变故障，信号DRV=1将立刻转为低电平，静态开关关闭，逆变输出关闭。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种逆变器零电荷启动和停止电路，包括逆变器的限流电阻、直流母线电容、逆变控制电路，其特征在于：它将逆变器的供电分为主回路供电和控制回路供电两部分，所述主回路供电是在电源正端与限流电阻之间的节点上连接由继电器RY1和RY2串联的电路，在电源正端与限流电阻和直流母线电容之间的节点上连接SSR静态开关实现主回路供电控制，所述控制回路供电是在电源正负两端之间连接启动停止电路，在电源正端与逆变控制电路之间串接继电器RY4，启动停止电路通过外接启动按键和停止按键，经由继电器RY4控制逆变控制电路，从而引导逆变器的整机启动和停止，启动停止电路还与逆变控制电路连接，接收逆变控制电路的状态回传信号，实现故障时序控制，同时，在逆变器的输出端连接输出接触器MOUT实现逆变器的输出控制；

所述启动停止电路由第一至第五单元构成，其中第一单元为电源单元，是启动停止电路的工作电源，第二单元为启动停止操控单元，第三单元为主回路充电控制单元，第四单元为输出控制单元，第五单元为静态开关驱动单元；

其中，所述第二单元通过启动和停止按键，控制继电器RY4触点的通断，建立逆变主板工作电源DC300V，并使逆变主板工作电源具备如下特点：建立同步于启动操作，撤离延迟于停止操作，屏蔽二次启动，第二单元中的输出信号STR＝0传送至第三单元；

其中，所述第三单元接收到两路信号，一路为逆变故障回传信号FAULT＝1，高电平表示故障态，低电平表示正常，另一路为信号STR＝0，低电平表示启动，高电平表示停止，在启动状态并且回传无故障同时成立时，主回路充电开始启动工作：继电器RY1触点立刻闭合，主回路通过RY1、RY2、外接电阻R构成的限流通道，向母线电容充电，待延时8秒后，驱动信号DRV＝1由低电平转为高电平，将驱动静态开关SSR导通，第三单元的输出信号DRV＝1将分别传送第四单元和第五单元，

当信号STR＝0转为高电平，则说明进行了停止操作，其执行结果为：继电器RY1释放，RY1常开触点切断限流通道，同时，信号DRV＝1转为低电平，静态开关SSR关断，

当信号FAULT＝1转为高电平，则逆变器存在故障，其执行结果为：继电器RY2吸合，RY2常闭触点切断限流通道，同时，信号DRV＝1转为低电平，静态开关SSR关断；

其中，所述第四单元接收两路信号，一路为第五单元传送的DRV＝1信号，高电平表示静态开关SSR导通，另一路为逆变运行回传信号RUN＝1，当逆变器运行开启后，该信号转为高电平，在这两个条件同时成立时，延时5秒后，继电器RY5触点控制逆变输出接触器MOUT的动作，实现逆变输出，只要一个条件不满足，逆变输出立刻切断；

其中，所述第五单元接收来自第三单元的DRV＝1信号，高电平时驱动静态开关SSR导通，低电平则关断，开关电源模块MK1为隔离驱动电源，继电器RY8实现信号隔离。

2.根据权利要求1所述的逆变器零电荷启动和停止电路，其特征在于：所述第一单元包括DC300V电源供电给PWR端子，由PWR端子分为两路，一路输出至第五单元，另一路经过开关电源模块MK2，转换成+12V、GND、-12V供电输出，为整个电路提供电源，同时还在DCPWR端子处输出，用于扩展电路的供电,在电源模块MK2的+12输出与地之间并联褪耦电容CX1、CX2、CX3。