CN105119501A - 一种低压变频器的预充电电路及预充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低压变频器的预充电电路和预充电方法，预充电电路连接在低压变频器的整流电路与逆变电路之间，预充电电路包括主控模块以及三组以上的预充电模块，各个预充电模块依次串联连接且分别与主控模块连接；预充电模块包括并联连接的预充电电阻以及充电控制开关，主控模块根据所需的充电电流、充电时间分别控制预充电过程中各个充电控制开关的开断，以接入或旁路对应的预充电电阻；该预充电方法是利用上述预充电电路的实施方法。本发明能够极大的减少低压变频器上电瞬间的冲击电流，同时兼顾预充电时间，具有结构单元、所需成本低，能够智能实现充电电流小、预充电时间短且充电过程稳定的优点。

Description

一种低压变频器的预充电电路及预充电方法

技术领域

本发明涉及低压变频器技术领域，尤其涉及一种低压变频器的预充电电路及预充电方法。

背景技术

预充电电路是电压源型交流变频器的一个重要环节，其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，避免上电时强大的冲击电流烧坏功率模块、以及对直流电容造成损伤而导致的直流电容寿命缩短、性能降低。

如图1所示，目前低压变频器中所采用的预充电电路（限流部分），一般是由主回路继电器触点旁跨接充电电阻构成以完成预充电，但该类预充电电路存在以下缺陷：

1）难以选择合适阻值的预充电电阻，若考虑使得充电时间少，则往往会使得充电电流过大，而考虑使得充电电流小时，又会导致充电时间慢，无法在充电电流和充电时间两个问题上达成平衡，这也一直是该类预充电电路中一个难解的问题；

2）由于该类预充电电路为单一充电电阻，因而在充电过程中，充电电阻的发热量大，会致使变频器的整体温度过高，降低了变频器的安全性，同时还会减小变频器的使用寿命；

3）对充电电阻的性能要求高，通常要求电阻的过载能力能达到大约几十倍到几百倍，因而所需成本高、体积大；

4）由于充电电阻极易被损坏，而当充电电阻损坏后，变频器不能正常运行，会进一步增加维护成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低廉、能够能够极大的减少低压变频器上电瞬间的冲击电流，同时兼顾预充电时间，智能实现充电电流小、预充电时间短且充电过程稳定的低压变频器的预充电电路及预充电方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种低压变频器的预充电电路，所述预充电电路连接在低压变频器的整流电路与逆变电路之间，其特征在于：所述预充电电路包括主控模块以及三组以上的预充电模块，各个所述预充电模块依次串联连接且分别与所述主控模块连接；所述预充电模块包括并联连接的预充电电阻以及充电控制开关，所述主控模块根据所需的充电电流、充电时间分别控制预充电过程中各个充电控制开关的开断，以接入或旁路对应的预充电电阻。

作为本发明电路的进一步改进：所述预充电模块还包括与所述预充电电阻连接的预充电反馈单元，所述预充电反馈单元实时采集预充电过程中所述预充电电阻两端的电压信号，根据采集到的电压信号发送充电电流是否达到预设条件的反馈信号至所述主控模块；当预充电过程开始时，断开所有所述预充电模块的充电控制开关，所述主控模块再根据每个所述预充电模块发送的反馈信号控制对应的充电控制开关闭合。

作为本发明电路的进一步改进：所述预充电反馈单元采用光耦隔离电路，所述光耦隔离电路包括相互连接的限流电组以及光电耦合器，所述限流电阻将所述预充电电阻两端的电压信号反馈至所述光电耦合器的输入端，所述光电耦合器根据反馈的所述电压信号生成高、低电平的反馈信号并发送至所述主控模块。

作为本发明电路的进一步改进：所述光耦隔离电路的输入端还设置有光耦前级滤波电路；所述光耦前级滤波电路包括并联连接的电阻和电容。

作为本发明电路的进一步改进：所述充电控制开关为继电器开关。

作为本发明电路的进一步改进：还包括分别与所述继电器开关、主控模块连接的三极管开关，通过所述三级管开关控制所述继电器开关的开断。

本发明进一步提供一种利用上述预充电电路的预充电方法，步骤包括：

1）根据所需的充电电流、充电时间依次接入多组预充电模块，并预先设置多个依次减小的充电电流阈值；

2）断开接入的各个所述预充电模块中充电控制开关，以接入所有所述预充电电阻开始预充电过程；

3）预充电过程中，主控模块依次判断充电电流是否达到各个所述充电电流阈值，且每次判断到达到一个所述充电电流阈值时，闭合一个充电控制开关以旁路一个预充电模块，直至旁路所有的预充电模块，完成预充电过程。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤3）的具体步骤为：

3.1）预先为每组预充电模块对应设置一个依次减小的所述充电电流阈值，以控制旁路对应的预充电模块；预充电过程中，每组所述预充电模块通过一个预充电反馈单元实时采集预充电过程中所述预充电电阻两端的电压信号，根据采集到的电压信号发送充电电流是否达到所述充电电流阈值的反馈信号至所述主控模块；

3.2）所述主控模块接收各个所述预充电模块发送的反馈信号，并根据接收到的反馈信号依次控制各个充电控制开关闭合以旁路对应的预充电模块，完成预充电过程。

作为本发明电路的进一步改进，所述步骤3.1）的具体步骤为：预充电过程中，每组所述预充电模块通过一个限流电阻实时采集所述预充电电阻两端的电压信号并反馈至一个隔离光耦的输入端，所述隔离光耦根据反馈的所述电压信号生成高、低电平的反馈信号并发送至所述主控模块，其中当充电电流达到所述充电电流阈值时对应高电平的反馈信号。

作为本发明电路的进一步改进，所述步骤3.1）中还包括预先按照下式计算每个预充电模块中限流电阻的阻值以设置对应充电电流阈值的步骤；

Rf=R*If/IC

其中Rf为限流电阻的阻值，R为预充电电阻的阻值，If为隔离光耦的最低工作电流，IC为对应预充电模块的充电电流阈值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明预充电电路通过设置多组预充电模块，在变频器上电过程中串联多个预充电电阻到主回路中，并通过主控模块根据所需的充电电流、充电时间控制接入或旁路各个预充电电阻，来控制接入变频器主回路中预充电电阻的总阻值，可以灵活控制充电电流、充电时间，实现最大程度减少变频器在上电瞬间的冲击电流，同时兼顾预充电时间；

2）本发明预充电电路采用多个预充电电阻串联的模式，由多个预充电电阻联合工作实现预充电过程，预充电电阻的电阻功率小、性能要求低、成本低，同时工作发热量少；

3）本发明通过主控模块可以灵活控制各个预充电电阻的旁切，使得在需要减少充电时间时可以通过旁路预充电电阻进行提速，或在预充电电阻损坏时旁路该预充电电阻，以使得变频器能够正常运行，降低所需的维护成本，延长预充电电路的使用寿命，同时提高了变频器的可靠性以及冗余度；

4）本发明进一步采用光耦隔离电路的预充电反馈单元，可以准确采集充电电流并自动判断充电电流的状态，从而结合主控模块可以实现充电电流、充电时间的自动化和智能化控制。

附图说明

图1是传统的低压变频器中预充电电路的原理示意图。

图2是本实施例预充电电路在低压变频器中的接入原理示意图。

图3是本实施例预充电电路的结构原理示意图。

图4是本实施例预充电电路中一组预充电模块的具体结构以及连接原理示意图。

图5是本发明具体实施例中预充电电路的具体结构以及连接原理示意图。

图6是应用本发明预充电电路得到的充电时间以及充电电流曲线示意图。

图7是应用传统预充电电路得到的充电时间以及充电电流曲线示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图2、3所示，本实施例低压变频器的预充电电路连接在低压变频器的整流电路与逆变电路之间，预充电电路包括主控模块（本实施例表示为主控中心）以及三组以上的预充电模块（本实施例对应为A组、B组模块等），各个预充电模块依次串联连接且分别与主控模块连接；预充电模块包括并联连接的预充电电阻以及充电控制开关，各个预充电电阻相互独立，主控模块根据所需的充电电流、充电时间分别控制预充电过程中各个充电控制开关的开断，以接入或旁路对应的预充电电阻。本实施例充电控制开关具体采用继电器开关（旁路继电器），旁路继电器的触点旁接在预充电电阻的两端，控制预充电电阻的旁路、切入。

本实施例中，还包括分别与继电器开关、主控单元连接的三极管开关，通过三级管开关控制继电器开关的开断。主控中心通过控制三极管开关，进而控制继电器线圈的吸合。

如图2所示，变频器中整流部分是把三相(或单相)50Hz、380V(220V)的交流电源，通过整流模块的桥式电路整流成脉动直流电；在变频器上电瞬间由于电容相当于短路，则会有一个很大的充电电流，限流部分（本实施例预充电电路）即是通过对电流控制保护变频器元器件，减小冲击电流；滤波部分将整流电路输出的脉动直流电压滤波为波动较小的直流电压，由滤波电解电容对整流电路的输出进行平滑；逆变部分在驱动信号的控制下，将直流电源转换成频率和电压可以任意调节的交流电源。

本实施例预充电电路通过设置多组预充电模块，在变频器上电过程中串联多个预充电电阻到主回路中，并通过主控模块根据所需的充电电流、充电时间控制接入或旁路各个预充电电阻，来控制接入变频器主回路中预充电电阻的总阻值，一方面可以灵活控制充电电流、充电时间，实现最大程度减少变频器在上电瞬间的冲击电流，同时兼顾预充电时间；另一方面，预充电电路采用多个预充电电阻串联的模式，电阻功率小、性能要求低、成本低，同时工作发热量少。

本实施例各组预充电电阻采用串联方式连接，预充电电阻的取值具体由所应用的低压变频器决定，由于内部电容器数量和容值不同，所采用的预充电电阻各不相同，因而不同功率型号的变频器通常采用不同阻值的预充电电阻。预充电电阻的具体取值可根据所需的充电电流、充电时间进行确定，本实施例具体由以下两个限制条件共同决定：1）预充电的最大电流需要小于20A；2）未加速的预充电时间RC（R为预充电电阻，C为主回路电容）小于30S。例如15KW的低压变频器，可选择三组15欧预充电电阻串联构成预充电电路。

如图3、4所示，预充电模块还包括与预充电电阻连接的预充电反馈单元，预充电反馈单元实时采集预充电过程中预充电电阻两端的电压信号，根据采集到的电压信号发送充电电流是否达到预设条件的反馈信号至主控模块；当预充电过程开始时，断开所有预充电模块的充电控制开关，主控模块再根据每个预充电模块发送的反馈信号控制对应的充电控制开关闭合。本实施例通过预充电电阻对充电电流实时采样监测，并转换为电压信号，预充电反馈单元则根据该电压信号判断当前充电电流是否达到预设条件，在达到预设条件时，通过主控中心控制旁路继电器动作，使得在需要减少充电时间时可以通过旁路预充电电阻进行提速，或在预充电电阻损坏时旁路该预充电电阻，以使得变频器能够正常运行，降低维护成本、延长预充电电路的使用寿命，同时提高了变频器的可靠性以及冗余度。

在低压变频器中采用上述预充电电路进行试验，由试验结果可知采用上述预充电电路与采用传统预充电电路相比，变频器故障率能够减小55%，表明了本实施例上述预充电电路可以有效降低变频器的故障率，提高变频器运行的稳定性。

本实施例中，预充电反馈单元具体采用光耦隔离电路，光耦隔离电路包括相互连接的限流电组以及光电耦合器，限流电阻将预充电电阻两端的电压信号反馈至光电耦合器的输入端，光电耦合器根据反馈的电压信号生成高、低电平的反馈信号并发送至主控模块。如图3、4所示，本实施例通过预充电电阻进行电流电压转换，将充电电流转换为电压信号输出，由光电耦合器采集并进行判断，反馈至主控中心，通过光电耦合器实现了主控中心工作电压与电流反馈电压的隔离，保证主控中心工作不受外围采样影响，同时能实现采样数据的快速反馈，将模拟信号转换成数字信号反馈至主控中心，实现光耦隔离反馈。

如图5所示，本发明具体实施例中包括A、B、C三组预充电模块，三组预充电模块结构相同且相互独立，以A组预充电模块为例，预充电电阻RA1与旁路继电器KA1并联连接，旁路继电器KA1通过一个三极管开关、电阻R6A连接主控中心，预充电电阻RA1通过限流电阻R3A连接光电耦合器U1A的输入二极管，输出极的光敏三极管发射极接地，集电极作为电压反馈的输出端连接至主控中心，通过上拉电阻R5A保证光电耦合器U1A的正常工作；主控中心以DSP为核心，控制三组预充电模块的旁路、切入。预充电电阻RA1将充电电流Ic转换为电压信号UR1，电压信号UR1经过限流电阻R3A反馈到光电耦合器U1A输入级发光二极管；通过光电耦合器U1A实现前级输入与后级输出工作电压的隔离，同时将限流电阻R3A反馈的电压信号转换为高、低电平的数字反馈信号发送至主控中心。

光电耦合器U1A正常工作有两个重要参数：最小导通电压Vf和最小工作电流If，其中在变频器预充电工程中，当采样电压UR1≥R3A*If时，隔离光耦U1A发光二极管导通，通过集电极输出低电平；当采样电压UR1<Vf或UR1<R3A*If时，隔离光耦U1A发光二极管截止，通过集电极输出高电平。本实施例DSP主控中心在检测到隔离光耦发送的低电平信号时，不控制旁接继电器KA1动作；检测到高电平信号时，输出高电平信号使三极管导通，从而旁接旁路继电器KA1线圈吸合，旁路继电器KA1常开触点变常闭，A组预充电电阻被旁路，即A组电阻从主回路中切换出来。

由上述可知，单组预充电电阻的临界工作条件为：UR1=R3A*If；UR1=Ic*R1A，其中Ic为充电电流，也即预充电过程中变频器主回路电流，则可得：

Ic=R3A*If/R1A（1）

当充电电流Ic≥R3A*If/R1A，主控中心判定为充电电流足够大，控制旁接路继电器KA1不动作；当充电电流Ic<R3A*If/R1A时，主控中心判定需要提速或者预充电电阻损坏，控制旁路继电器KA1动作，使得预充电电阻R1A被旁路而切出主回路。根据式（1）可知，通过选择各组预充电模块中限流电阻R3A、R3B以及R3C的阻值，即可设置各组预充电模块的电流触发动作条件（旁路继电器动作条件），即：

Rf=R*If/IC（2）

其中Rf为限流电阻（R3A、R3B以及R3C）的阻值，R为预充电电阻（R1A、R1B以及R1C）的阻值，If为隔离光耦（U1A、U1B以及U1C）的最低工作电流，IC为对应预充电模块的充电电流阈值。

由式（2）设定的限流电阻，在充电电流Ic达到充电电流阈值IC时，使得光电耦合器工作并发出高电平信号至主控中心，由主控中心控制旁路对应的预充电模块，从而实现充电电流、充电时间的自动控制。

本实施例中，隔离光耦的输入端还设置有光耦前级滤波电路，光耦前级滤波电路由R4A、C1A组成，由光耦前级滤波电路对输入电压信号进行滤波，保证隔离光耦的稳定运行。

如图6、7所示，应用本实施例上述预充电电路（包括三组预充电模块）与应用传统的预充电电路相比，应用本实施例上述预充电电路时，充电时间由4RC缩短为2RC（R为预充电电阻的阻值、C为充电电容的电容值），同时兼顾充电电流Ic，即在充电电流和充电时间上都得以优化。

本实施例进一步提供上述预充电电路的预充电方法，步骤包括：

1）根据所需的充电电流、充电时间依次接入多组预充电模块，并预先设置多个依次减小的充电电流阈值；

2）断开接入的各个预充电模块中充电控制开关，以接入所有预充电电阻开始预充电过程；

3）预充电过程中，主控单元依次判断充电电流是否达到各个充电电流阈值，且每次判断到达到一个充电电流阈值时，闭合一个充电控制开关以旁路一个预充电模块，直至旁路所有的预充电模块，完成预充电过程。

通过初始时接入所有预充电电阻进行预充电，可以最大限度的限制充电电流，再依次旁路各个预充电电阻，使得充电电流减少到一定值时能够进行提升，以缩短充电时间，因而能够同时兼顾充电电流以及充电时间，实现充电电流以及充电时间的自动控制。

本实施例中，步骤3）的具体步骤为：

3.1）预先为每组预充电模块对应设置一个依次减小充电电流阈值，以控制旁路对应的预充电模块；预充电过程中，每组预充电模块通过一个预充电反馈模块实时采集预充电过程中预充电电阻两端的电压信号，根据采集到的电压信号发送充电电流是否达到充电电流阈值的反馈信号至主控单元；

3.2）主控单元接收各个预充电模块发送的反馈信号，并根据接收到的反馈信号依次控制各个充电控制开关闭合以旁路对应的预充电模块，完成预充电过程。

本实施例中，步骤3.1）的具体步骤为：预充电过程中，每组预充电模块通过一个限流电阻实时采集预充电电阻两端的电压信号并反馈至一个隔离光耦的输入端，隔离光耦根据反馈的电压信号生成高、低电平的反馈信号并发送至主控单元，其中当充电电流达到充电电流阈值时对应高电平的反馈信号。

本实施例中，步骤3.1）中还包括预先按照式（2）计算每个预充电模块中限流电阻的阻值以设定对应充电电流阈值的步骤；

Rf=R*If/Ic（2）

其中Rf为限流电阻的阻值，R为预充电电阻的阻值，If为隔离光耦的最低工作电流，Ic为对应预充电模块的充电电流阈值。

如图5所示，A、B、C三组预充电模块采用串联方式连接，各组模块工作相互独立，本实施例通过对三组预充电模块对应不同的充电电流阈值以触发旁路继电器动作，且充电电流阈值：ICA>ICB>ICC，ICA、ICB以及ICC分别对应A、B、C三组预充电模块的充电电流阈值，本实施例主控中心控制各预充电电阻进行预充电过程的流程为：

变频器上电前旁路继电器KA1、KA2、KA3默认断开，预充电电阻R1A、R1B、R1C默认串联到主回路；

变频器上电后，三相交流电UA、UB、UC经过三相整流桥后经过预充电电阻给电容充电，充电电流Ic=（3/π）UA/(R1A+R1B+R1C)=1.35UA/(R1A+R1B+R1C)，能够最大程度限制充电电流；经过约0.5RC（其中R为预充电电阻阻值，C为充电电容）时间后，电容电压上升、充电电流减小，充电时间变慢；当电流Ic下降到A组预充电模块对应的充电电流阈值ICA时，主控中心控制A组的旁接继电器KA1闭合，A组的预充电电阻R1A从主回路中切出，此时总预充电电阻为R1B+R1C，通过减小充电电阻阻值来提升充电电流、缩短充电时间，充电时间由R*（R2A+R2B+R2C)提升为R*（R2B+R2C)；当充电电流Ic下降到B组预充电模块对应的充电电流阈值ICB时，主控中心控制B组的旁路继电器KA2闭合，B组的预充电电阻R1B从主回路中切出，此时总预充电电为R1C，进一步减小了充电电阻，以再一次对减小的电流进行提升控制，实现对充电时间的二次加速；当充电电流Ic下降到C组预充电模块对应的充电电流阈值ICC时，主控中心控制C组的旁路继电器KA3闭合，C组的预充电电阻R1C从主回路中切出，此时预充电结束，变频器正常工作。

上述只是本发明的较佳实施例，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。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种低压变频器的预充电电路，所述预充电电路连接在低压变频器的整流电路与逆变电路之间，其特征在于：所述预充电电路包括主控模块以及三组以上的预充电模块，各个所述预充电模块依次串联连接且分别与所述主控模块连接；所述预充电模块包括并联连接的预充电电阻以及充电控制开关，所述主控模块根据所需的充电电流、充电时间分别控制预充电过程中各个充电控制开关的开断，以接入或旁路对应的预充电电阻。

2.根据权利要求1所述的低压变频器的预充电电路，其特征在于：所述预充电模块还包括与所述预充电电阻连接的预充电反馈单元，所述预充电反馈单元实时采集预充电过程中所述预充电电阻两端的电压信号，根据采集到的电压信号发送充电电流是否达到预设条件的反馈信号至所述主控模块；当预充电过程开始时，断开所有所述预充电模块的充电控制开关，所述主控模块再根据每个所述预充电模块发送的反馈信号控制对应的充电控制开关闭合。

3.根据权利要求2所述的低压变频器的预充电电路，其特征在于：所述预充电反馈单元采用光耦隔离电路，所述光耦隔离电路包括相互连接的限流电组以及光电耦合器，所述限流电阻将所述预充电电阻两端的电压信号反馈至所述光电耦合器的输入端，所述光电耦合器根据反馈的所述电压信号生成高、低电平的反馈信号并发送至所述主控模块。

4.根据权利要求3所述的低压变频器的预充电电路，其特征在于：所述光电耦合器的输入端还设置有光耦前级滤波电路；所述光耦前级滤波电路包括并联连接的电阻和电容。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的低压变频器的预充电电路，其特征在于：所述充电控制开关为继电器开关。

6.根据权利要求5所述的低压变频器的预充电电路，其特征在于：还包括分别与所述继电器开关、主控模块连接的三极管开关，通过所述三级管开关控制所述继电器开关的开断。

7.利用权利要求1～5中任意一项所述的预充电电路的预充电方法，其特征在于，步骤包括：

1）根据所需的充电电流、充电时间依次接入多组预充电模块，并预先设置多个依次减小的充电电流阈值；

2）断开接入的各个所述预充电模块中充电控制开关，以接入所有所述预充电电阻开始预充电过程；

3）预充电过程中，主控模块依次判断充电电流是否达到各个所述充电电流阈值，且每次判断到达到一个所述充电电流阈值时，闭合一个充电控制开关以旁路一个预充电模块，直至旁路所有的预充电模块，完成预充电过程。

8.根据权利要求7所述的预充电方法，其特征在于，所述步骤3）的具体步骤为：

3.1）预先为每组预充电模块对应设置一个依次减小的所述充电电流阈值，以控制旁路对应的预充电模块；预充电过程中，每组所述预充电模块通过一个预充电反馈单元实时采集预充电过程中所述预充电电阻两端的电压信号，根据采集到的电压信号发送充电电流是否达到所述充电电流阈值的反馈信号至所述主控模块；

3.2）所述主控模块接收各个所述预充电模块发送的反馈信号，并根据接收到的反馈信号依次控制各个充电控制开关闭合以旁路对应的预充电模块，完成预充电过程。

9.根据权利要求8所述的预充电方法，其特征在于，所述步骤3.1）的具体步骤为：预充电过程中，每组所述预充电模块通过一个限流电阻实时采集所述预充电电阻两端的电压信号并反馈至一个隔离光耦的输入端，所述隔离光耦根据反馈的所述电压信号生成高、低电平的反馈信号并发送至所述主控模块，其中当充电电流达到所述充电电流阈值时对应高电平的反馈信号。

10.根据权利要求9所述的预充电方法，其特征在于，所述步骤3.1）中还包括预先按照下式计算每个预充电模块中限流电阻的阻值以设置对应充电电流阈值的步骤；

Rf=R*If/IC

其中Rf为限流电阻的阻值，R为预充电电阻的阻值，If为隔离光耦的最低工作电流，IC为对应预充电模块的充电电流阈值。