CN1042080C - 逆变器设备 - Google Patents

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Abstract

一种逆变器设备有一正向变换单元与一功率再生单元。功率再生单元有一些桥接的臂，每个臂由一开关元件与一二极管相并联。在正向变换单元的直流输出侧还有多个逆变换单元，每个逆变换单元有一些桥接的臂，每个臂由一开关元件与一二极管相并联。当把这样的逆变器设备用于例如自动化的存储/提取系统时，它可以改进正向变换单元的二极管桥路和功率再生单元的晶体管桥路的利用效率。

Description

逆变器设备
本发明涉及一种控制感应电动机的逆变器设备，特别涉及这一种逆变器设备，它能对诸如自动的存储/提取系统实现再生制动，该系统能独立地操纵若干个作移动或升降的被控对象。
图4是一系统结构图，图中，作为可选的功率再生设备与常规的通用逆变器设备相连。在此图中，标号1表示市电频率的交流电源；52表示通用逆变器设备，它输出所要电压和频率的交流电压；3表示感应电动机，它用作通用逆变器设备52的负载；以及54表示功率再生设备，它把在制动感应电动机3时产生的制动能量送回交流电源1。功率再生设备54装在一个与通用逆变器设备52无关的机壳中，并与通用逆变器设备52的直流电路和交流电源1相连。
在通用逆变器设备52中，5表示二极管桥路，它用作把由交流电源1提供的市电频率的交流电压变换为直流电压的变换器；6表示限流电阻器；7表示平滑滤波用的电解电容器；以及8表示开关触点，在通过电阻器6对平滑滤波电解电容器7充电的平滑滤波电解电容器起始充电时刻，触点断开，而在完成充电后，触点接通，以把电阻器6短路。逆向变换(inverse converting)电路9(它包括六条臂，每条臂由用作开关元件的晶体管和电流返回(current returning)二极管并联而成)把直流输入再变换为预定电压和频率的交流电压并以该交流电压供给感应电动机3。此外，15表示晶体管控制电路而40表示运算电路。根据由运算电路40算得的频率与电压，由晶体管控制电路控制逆向变换电路9。逆变器设备52包括在发生异常时输出异常信号用的输出端子19以及输入复位信号用的输入端子20。
在功率再生设备54中，60表示限流电阻器；11表示交流电抗器；以及12表示晶体管桥路，它由六组臂构成，在每组臂中，用作开关器件的晶体管12a和电流返回用的二极管12b相并联。用相位检测电路63来检测交流电源1的相位，用再生状态判别电路14来判别通用逆变器设备52是否处于再生状态，并且响应于运算电路80来的信号，根据再生状态判别电路14的输出，用一晶体管控制电路70来控制晶体管桥路12。为使晶体管桥路12起变换器的作用，晶体管控制电路70与交流电源1同步地切换晶体管12a接通/断开，由此在功率因数近于1的相位下，进行再生操作。
功率再生设备54还具有连至直流母线的电流检测器16，和过电流判别电路17，后者根据电流检测器16的输出来判别过电流，并把该过电流判别电路17的输出端连至晶体管控制电路70，以在发生过电流时停止控制输出。还有一交流电源有/无检测电路18，它以隔离的方式检测有/无交流电压1。最后，功率再生设备具有在功率再生设备54中产生异常时输出异常信号的输出端子19′，以及用于输入功率再生设备54的复位信号的输入端子20′。
图5是一系统结构图，图中画出二套常规的通用逆变器设备和功率再生设备。在此图中，3A和3B表示感应电动机，52A和52B表示通用逆变器设备，而54A和54B表示功率再生设备。
接下来，参照图4来描述通用逆变器设备52的工作。二极管桥路5把交流电源1提供的交流电压变换为直流电压，该电压首先通过限流电阻器6对电解电容器7充电。在充电结束后，触点8接通，允许电流绕过限流电阻器6。经电解电容器7平滑滤波的直流电压由逆向变换电路9再变换为预定电压和频率的交流电压，把该交流电压提供给用作负载的感应电动机3。
交流电压还通过功率再生设备54(即通过电阻器60和交流电抗器11)由交流电源1提供给晶体管桥路12。该交流电压由晶体管桥路12的电流返回二极管12b变换为直流电压，并向通用逆变器设备52的电容器7充电。即，当由通用逆变器设备52使感应电动机3工作时，功率再生设备54的晶体管桥路12与二极管桥路5一起，用作正向变换器(forward converter)。
另一方面，当返回来自感应电动机3的能量而制动该电动机时，逆向变换电路9起正向变换器的作用，而再生功率使电解电容器7充电。电解电容器7的端电压升高由再生状态判别电路14检测，而使晶体管桥路12起逆向变换器的作用，以把功率返回至交流电源1。在此情况下，当对晶体管桥路12作相位控制时，交流电抗器11被用来限制电流改变率，即防止由于在交流电源1中出现突然变化或类似情况时产生的过电流。电阻器60用以限制电流的峰值。
在再生时，电流由电流检测器16检测。如果在提供过电流保护的功率再生设备54中诸如防止过电流的保护功能起了作用，则异常信号从输出端子19′输出。为进行复位，把复位信号加至输入端子20′。
图6是常规的功率再生设备54中的再生状态判别电路14的电路布置图。参看该图，用直流电压检测电路21以隔离的方式检测通用逆变器设备52的直流电路的输出电压，并且用相位/电压检测电路22以隔离的方式检测交流电源电压的全波整流输出。用平均值滤波器29来对相位/电压检测电路22的输出取平均。在每个检测电路21和22中都采用了隔离电路61。用加法电路23取直流电压检测电路21的输出与平均值滤波器29的输出之差值，并将此差值信号送至比较电路26，该电路把加法电路23的输出与一给定的参考值作比较。由放大器27和28提供用以匹配直流电压检测电路21与相位/电压检测电路22的输出电平的增益。
现在来描述再生状态判别电路14的工作。把以隔离的方式检测通用逆变器设备52直流电路输出电压的直流电压检测电路的输出VDC与检测交流电源电压全波整流输出的相位/电压检测电路22的输出VAC匹配。如果由比较电路26建立了下述表示式：         VDC＞VAC+常量，    (*1)
          *1：对于200伏系统为直流20伏
              对于400伏系统为直流40伏则判定通用逆变器设备52处于再生状态。
应注意，交流电源电压的全波整流输出(该输出实时地反映出电源电压的变化-降低、失真、瞬时电源故障、瞬时下跌)用包括一滤波器的平均值滤波器29来滤波以防止误操作，而由增益电路27、28来调节增益以调节直流电压检测电路21与相位/电压检测电路22的偏差。
图8是在常规的功率再生设备54中以隔离的方式检测交流电压有/无的电源有/无检测电路18的电路布置路。在此图中，31表示电压检测电阻器，32表示隔离电路，33表示用于操纵控制系统电压的电阻器，而34表示滤波电容器。
现在来描述电源有/无检测电路18的工作。交流电压施加在检测电阻器31两端，而交流电流在隔离装置32的初级电路内流动。结果，次级电路导通，由此电源电压的有/无转变为经过电阻器33和滤波电容器34的控制电压信号的低/高，而电阻器33操纵着控制系统的电压。
为把移动和升降操作作为一组来操纵(例如，在自动化的存储/提取系统中那样)而采用常规的通用逆变器时，需要两套逆变器设备52和功率再生设备54。又由于这两套设备互相独立地工作，因此总共需要四套设备。
然而，在自动化的存储/提取系统中(该系统把移动和升降作为一组动作来完成)，移动逆变器设备和升降逆变器设备并非总是同时处于再生状态或处于驱动状态的。因此，就整个系统而言，逆变器设备的二极管桥路5和功率再生设备的晶体管桥路12都没有分别被高效率地使用。
还有，由于常规的功率再生设备54对于R、S和T相需要三个电阻器60来限制再生电流的峰值，而这些电阻器要产生热量，因而使主电路的接线变得复杂了。
还有，在上述逆变器设备52和功率再生设备54的电路布置中，如图5所示，当一侧的逆变器设备52A和功率再生设备54A处于驱动状态(电容器7电压低)，而另一侧的逆变器设备52B和功率再生设备54B处于再生状态时，则处于驱动状态的逆变器设备52A的直流母线电流变得比处于再生状态的逆变器设备52B的直流母线电流小。因而，处于驱动状态的逆变器设备52A的电容器7将按箭头所指的路径A被流向交流电源1的剧增的电流充电，由此激励了功率再生设备54B的过电流判别电路17。
当电流突然改变或电容器7的电压下跌并且电力恢复时，由于有一股剧增的电流沿路径B对电容器7充电，而产生过电流。
因为常规的功率再生设备54是用作逆变器设备52的选用设备的，因此功率再生设备54的异常输出端子19不能用作逆变器设备52的输出端子。所以，为对系统进行控制，须对总共四个异常输出端子加以处理。由于同样的原因，功率再生设备54的复位输入端子20′也不能用作逆变器设备52的输入端子20。所以，为对系统进行控制，须对总共四个复位输入端子加以处理。
在常规的功率再生设备54的再生判别电路14中，逆变器设备52的直流电路的输出电压以及交流电源电压的全波整流输出由隔离电路61以隔离的方式提供并在硬件的基础上进行比较。所以，在电源接通后又在停止状态下把电源断开时，电容器7的电压不变，这是因为逆变器设备52处于无负载状态的缘故，但是包括滤波器的平均值滤波器29的输出却急剧地向零减小，如图7所示。因而，当在比较装置26中输出跌至比电容器7的电压低一个给定值时，再生判别装置14会把它误判为再生状态。
还有，由于硬件的性质而采取的结构也使电路复杂了。
在具有以隔离方式检测交流电源电压有/无的电源有/无检测电路18的常规的功率再生设备54中，如果在电源中发生了开路相(open phase)或电缆断开，则再生电流流进检测电路本身(见图9)，从而作出误检测而不能正确地检测出开路相或电缆断开。
为解决上述问题而作出本发明，其目的在于提供一种通用的逆变器设备，当逆变器设备用于将移动和升降是作为一组来操纵(例如自动化的存储/提取系统)的场合时，该设备不仅改进了逆变器设备二极管桥路和功率再生设备晶体管桥路的使用效率，而且还简化了功率再生设备限流电阻器的接线。
本发明的一个目的是提供一种通用逆变器设备，其中过电流操作不受在再生状态下由功率再生设备流至逆变器设备的电容器的充电电流和停止状态或驱动状态下的功率再生设备的影响。
本发明的另一个目的是提供一种通用逆变器设备，其中功率再生设备的异常输出集中于逆变器设备的异常输出上。
本发明的再一个目的是提供一种通用逆变器设备，其中功率再生设备的复位装置集中于逆变器设备的复位装置上。
本发明的还有一个目的是提供一种通用的逆变器设备，其中功率再生设备的再生状态判别装置设计得与断电协调。
本发明的一个目的是提供一种通用的逆变器设备，该设备能检测功率再生设备的开路相。
一种按照本发明的与多台电动机一起工作的逆变器设备包括正向变换装置，用于把在交流输入侧的来自交流电源的输入变换为直流电压，并在直流输出侧输出直流电压；多个逆向变换装置，每个逆向变换装置用各自的具有适当频率的电压独立地驱动多台电动机中的一台电动机，每个逆向变换装置耦合至正向变换装置的直流输出侧，并具有多条桥接的第二电路臂，每条第二电路臂包括开关元件和二极管的并联连接，其中，与多台电动机一起工作的逆变器设备还包括再生功率变换装置，用于把从正向变换装置输出的直流电压变换为交流电压，并将该交流电压送回至交流电源，再生功率变换装置耦合至正向变换装置，并具有多条桥接的第一电路臂，每条第一电路臂包括开关元件和二极管的并联连接；并且正向变换装置和再生功率变换装置起着多个逆向变换装置共有的变换器的作用。
按照本发明的再生功率变换装置包括用以限制再生电流峰值的限流电阻器和电流返回二极管，两者互相并联；以及连接在再生功率变换装置的直流母线与连至逆向变换装置的直流母线之间，并在检测装置一侧，用以检测直流母线电流的检测装置。
在本发明的逆变器设备中，把来自再生功率变换装置的异常输出输入至多个逆向变换装置的各自的控制装置。
在本发明的逆变换设备中，允许用于多个逆向变换装置的各自的控制装置的复位信号进入再生功率变换装置的复位装置的“或”门。
按照本发明的再生功率变换装置包括以隔离方式检测正向变换装置直流输出的检测装置；以隔离方式检测交流电源电压的全波整流输出的检测装置；以隔离方式检测交流电源电压有/无的检测装置；以及接收这三个检测输出并进行运算的运算装置。
再生功率变换装置是这样构成的，使得以隔离方式检测交流电源电压全波整流输出的电压检测装置与接收检测输出并进行运算的运算装置互相直接连接，而没有滤波器插在这两个装置之间。
在本发明的变换装置中，再生功率变换装置既起着正向变换装置的作用又起着再生功率变换装置的作用，这两个装置是多个逆向变换装置所共有的，每个逆向变换装置输出任意的电压和频率，再生功率变换装置把直流电压逆向变换为交流电压，直流电压由正向变换装置的直流输出侧输入，正向变换装置把交流电源的输入变换为直流电压。如果把用来限制直流母线中的再生电流峰值的限流电阻器的电阻值取作向交流电源提供时每一相时所需电阻值的两倍，则再生功率变换装置就具有与后一种情形相同的功能。
在本发明的再生功率变换装置中，在限制再生电流峰值的限流电阻器一侧串接有检测直流母线电流的检测器，而电流返回二极管与该串联电路并联。结果，另一逆变器的电容器的充电电流将绕过电流返回二极管，从而避免了过电流工作。
在本发明的逆变器设备中，把再生功率变换装置的异常输出输入至多个逆向变换装置的各自的控制装置。指明再生功率变换装置异常的信号由多个逆向变换装置各自的控制装置输出。
在本发明的逆变器设备中，允许用于多个逆向变换装置各自的控制装置的复位信号进入再生功率变换装置的复位装置的“或”门。结果，可以从多个逆向变换装置的一个控制装置自外部对再生功率变换装置的异常进行复位。
在本发明的再生功率变换装置中，正向变换装置的直流输出和交流电源电压的全波整流输出，以及交流电源电压的有/无都是以隔离方式加以检测的，并且输出至判别再生状态的运算装置。
此外，在本发明的再生功率变换装置中，以隔离方式检测交流电源电压的全波整流输出，并且直接输入到检测电源开路相的运算装置。
图1是按照本发明实施例的一种逆变器设备的电路布置图。
图2是图1的逆变器设备中的再生状态判别电路和电源开路相检测电路的布置图。
图3是示出本发明实施例中的直流电压检测电路21的输出VPN与相位/电压检测电路22的输出VAC之间关系的一些示意图。
图4是系统结构图，其中把常规的通用逆变器设备与一选用的功率再生设备相连。
图5是系统结构图，其中有二组常规的通用逆变器设备和功率再生设备，后者是作为选用设备与前者相连的。
图6是在常规的功率再生设备4中的再生状态判别电路14的布置图。
图7是示出在再生状态判别电路14中的直流电压检测电路21的输出VDC与相位/电压检测电路22的输出VAC之间关系的示意图。
图8是在通常的功率再生设备中的交流电压有/无检测电路的布置图。
图9是示出当在电源有/无检测电路1 8中发生开路相或电缆断开情形时，再生电流是怎样流进检测电路本身的示意图。
实施例1
图1是按照本发明实施例的逆变器设备的布置图。在此图中，2表示逆变器设备；4表示再生功率变换电路；9A和9B表示逆向变换电路；10表示再生电流限流电阻器；71表示电流返回二极管，使由交流电抗器产生的恢复电流经它流过；以及72表示用以输入复位信号的“或”门。在此图中，用与在常规设备例中相同的标记表示相同或等价的部分。
现在来描述其工作情况。逆变器设备2的逆向变换电路9A和9B和再生功率变换电路4的基本工作情况与常规的设备例中的工作情况完全相同。
要注意，应该选择二极管桥路5，从而使逆向变换电路9A和9B能承受满负荷，还应该选择再生功率变换电路4的晶体管桥路12，从而即使作为逆向变换电路9A和9B负载的感应电动机3A和3B处于100％的再生负载状态下，该桥路仍能返回功率。在上述布置中，二极管桥路5和再生功率变换电路4起着逆向变换电路9A和9B所共有的变换器的作用。换句话说，该单个逆变器设备不仅能控制两个或多个电动机，还具有再生制动能力。
还有，与在常规的功率再生设备54中要为R、S和T相提供三个再生电流限流电阻器60不同，在本发明中只需对直流母线提供一个再生电流限流电阻器10。所以，虽然它的阻值比通常情况下阻值大二倍，它的允许的瓦特数比常规情况下瓦特数大三倍，但是主电路的接线简化了。
电流检测器16设在再生电流限流电阻器10的一侧，而电流返回二极管71与该串联电路并联，从而再生电流不流经电流返回二极管而流经再生电流限流电阻器10。此外，电流返回二极管71有由交流电抗器1产生而对电容器7充电的恢复电流以及由逆向变换电路9A和9B的驱动负载产生的驱动电流流过。所以，电流检测器16除了检测再生电流外不检测任何其他电流。
还有，即使当电容器7的电压下跌，并在电流突变时恢复，对电容器7充电的电流仍流经电流返回二极管，从而不发生过电流。
藉助于把来自再生功率变换电路4的运算电路80的异常输出提供至各自的逆向变换电路9A和9B的运算电路，从各自的逆向变换电路9A和9B的运算电路40将有异常输出。类似地，把复位信号送入逆变换电路9A和9B的任何一个运算电路40，就允许系统与再生功率变换装置4同时复位。
实施例2
图2示出在按照本发明第二个实施例的逆变器设备中的再生功率变换电路4的再生状态判别与电源开路相检测电路。在此图中，用与常规的例子中相同的标记来表示相同或等价的部分。
对于正向变换部分的直流输出、交流电源电压的全波整流输出以及交流电源有/无加以检测并进入运算电路80。在有电源电压的条件下，计算下式：
ΔV＝(VPN-VAC)×100/VAC这里VPN是直流电压检测电路2l的输出而VAC是交流电源电压检测电路22的输出。结果，不用基于硬件的比较装置就能判别再生状态。
如图2所示的布置使全波整流输出实时地进入VAC。基于这样的事实，即在驱动状态或在普通状态下，VAC的平均值是VAC＝VPN，而在开路相状态下该值不超过
Figure C9510312300171
，从而能检测出用电源有/无检测电路18发现不了的开路相。
如上所述，按照本发明的逆变器设备，因为对正向变换装置和再生功率变换装置加以选择以补偿两个逆变换装置的负载，它们起着一个共用变换器的作用。所以，变换器的利用率可以改进，并能成为价格低的系统。还有，按照本发明的再生功率变换装置把限流电阻器接至直流母线，由此只需要一个电阻器，因而简化了主电路的接线。
按照本发明的逆变器设备的再生功率变换装置，把限流电阻器设置在直流母线上并向电流检测器提供电流，而把电流返回二极管与电阻器并联，从而除再生电流之外的任何电流不能被电流检测器检测。
在本发明的逆变器设备中，由再生功率变换装置输出的异常输出进入两个逆向变换装置的多个控制装置，从而可以由逆向变换装置的控制装置对再生功率变换装置的异常输出进行复位。
在本发明的逆变器设备中，使进入所述逆向变换装置的控制装置的复位信号进入一个“或”门，从而由多个逆向变换装置的任一个控制装置都可以进行复位。
在本发明的逆变器设备的再生功率变换装置中，在隔离方式下检测变换装置的直流输出、交流电源电压的全波整流输出以及交流电源的有/无，并进入运算装置，从而可判别再生状态，检测装置可做得很紧凑，并可避免在断电时的误检测。
在本发明的逆变器设备中，在隔离方式下检测交流电源电压或全波整流输出，并进入运算装置，以允许对开路相进行检测。
通过列为参考，如同完全陈述那样，把每件外国专利申请(在本申请中对由这些申请而来的外国优先权利益提出了权利要求)揭示的全部内容都包括在此。
虽然本发明通过对至少一个多少带有特殊性的较佳实施例作了描述，然而应该明白，这里对于较佳实施例的揭示只是作为举例，因而可进行细节方面以及元件布置方面的各种改变而不偏离下述权利要求的精神和范围。

Claims (6)

1.一种与多台电动机一起工作的逆变器设备，包括：
正向变换装置，用于把在交流输入侧的来自交流电源的输入变换为直流电压，并在直流输出侧输出所述直流电压；
多个逆向变换装置，所述多个逆向变换装置的每个逆向变换装置用各自的具有适当频率的电压独立地驱动所述多台电动机中的一台电动机，每个所述逆向变换装置耦合至所述正向变换装置的所述直流输出侧，并具有多条桥接的第二电路臂，每条所述第二电路臂包括开关元件和二极管的并联连接，
其特征在于，所述与多台电动机一起工作的逆变器设备还包括：再生功率变换装置，用于把从所述正向变换装置输出的直流电压变换为交流电压，并将所述交流电压送回至所述交流电源，所述再生功率变换装置耦合至所述正向变换装置，并具有多条桥接的第一电路臂，每条所述第一电路臂包括开关元件和二极管的并联连接；并且
所述正向变换装置和所述再生功率变换装置起着所述多个逆向变换装置共有的变换器的作用。
2.如权利要求1所述的逆变器设备，其特征在于，所述再生功率变换装置包括：
限制再生电流峰值的限流电阻器；
用于检测直流母线中的再生电流的检测装置，所述检测装置与所述限流电阻器串联连接；以及
电流返回二极管，用于通过由交流电抗器产生的恢复电流和由所述多个逆向变换装置的驱动负载产生的驱动电流，所述电流返回二极管与所述限流电阻器和所述检测装置的串联电路并联连接，并且
所述限流电阻器和所检测装置的所述串联电路与所述电流返回二极管的并联电路连接在所述再生功率变换装置的直流母线与连接至所述反向变换装置的直流母线之间。
3.如权利要求1所述的逆变器设备，其特征在于，所述再生功率变换装置能产生异常输出而每个所述逆向变换装置包括控制装置，将所述异常输出送入所述多个逆向变换装置的各自的控制装置，并由所述多个反向变换装置的各自的控制装置输出指出所述再生功率变换装置异常的信号。
4.如权利要求1所述的逆变器设备，其特征在于，每个所述逆向变换装置包括控制装置，所述控制装置可以用复位信号来复位，而所述再生功率变换装置包括具有“或”门的复位装置，而把用于所述多个逆向变换装置的所述控制装置的所述复位信号送入所述再生功率变换装置的所述复位装置的所述“或”门，从而可以从所述多个逆向变换装置的任一个所述控制装置由外部来对所述再生功率变换装置的异常进行复位。
5.如权利要求1所述的逆变器设备，其特征在于，所述再生功率变换装置可以判别再生状态，并包括：以隔离方式检测所述正向变换装置的直流输出并产生第一输出的电压检测装置；以隔离方式检测交流电源电压的全波整流输出并产生第二输出的电压检测装置；以隔离方式检测交流电源电压有/无并产生第三输出的检测装置；以及用以接收所述第一、第二和第三检测输出并对它们作运算处理的运算装置。
6.如权利要求1所述的逆变器设备，其特征在于，所述再生功率变换装置包括以隔离方式检测交流电源电压全波整流输出并产生检测输出的电压检测装置；以及接收所述检测输出并进行运算处理的运算装置，所述检测装置和所述运算装置可以互相直接连接而在它们之间不插入滤波器，从而所述再生功率变换装置能检测出电源开路相。
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