CN106230057A - 一种变频器的预充电和故障保护一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变频器的预充电和故障保护一体化装置，涉及变频器技术领域，将预充电电路和故障保护电路统一来实现变频器的预充电和故障保护功能，当系统发生故障后，断开主回路接触器，待故障清除以后，系统重新上电，又快速恢复预充电功能，从而恢复正常的工作状态，本发明将变频器预充电电路和故障保护电路统一考虑，相比于仅对逆变器开关管进行故障封锁发波的保护方法，增加了一级保护措施，更加安全、可靠；将预充电和故障保护电路与控制单元分离开来，降低了强的功率信号对弱的控制信号的电磁干扰；充电电阻受功率电开关和充电阈值信号的双重控制，不会出现支撑电容反复充电、放电的过程，利于保护充电电阻的寿命。

Description

一种变频器的预充电和故障保护一体化装置

技术领域

本发明涉及变频器技术领域，尤其是一种一体化控制电路。

背景技术

预充电电路是电压型交-直-交变频器的一个必备环节，系统上电时，首先对中间直流环节的支撑储能电容进行预充电保护，建立母线电压，避免上电瞬间巨大的冲击电流，达到对逆变器功率模块的保护。

传统的预充电电路一般在主回路接触器的两端跨接充电电阻R构成，通过实时检测支撑电容C两端的电压信号实现充电电阻R的接入、切除控制，其结构简单。但该类电路在系统发生故障时不能及时断开接触器，不能对后级逆变系统进行保护。在逆变器的控制中，系统的故障保护越来越重要，母线电压过压、母线电流过流、电机负载相电流过流、逆变器过热等故障会对系统造成毁灭性的损害。现行的一些变频器中，当发生故障时，通过封锁PWM波来关闭逆变桥开关管，同时手动按下功率电开关切除系统功率电源来进行保护，手动切除系统功率电源相比于电切除速度很慢，不及时。对于逆变器桥臂直通等严苛的故障保护要求，手动切除的速度是不够的，必须采取快速有效的保护措施。另外，由于充电电阻直接并在接触器两端，只要支撑电容两端电压低于所设预充电阈值电压，就会处于充电状态，不受控制；对于一些频繁启动的应用场合，由于频繁启动，便会发生反复充电、放电的过程，对充电电阻R的寿命造成影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种变频器的预充电和故障保护一体化装置，将预充电电路和故障保护电路统一考虑，实现变频器的预充电和故障保护功能，系统安全性、可靠性增强，当系统发生故障后，立即采取保护措施，断开主回路接触器，待故障清除以后，系统重新上电，又快速恢复预充电功能，从而恢复正常的工作状态。

本发明所述的一种预充电和故障保护一体化装置连接在整流桥与逆变器之间，该装置包括主回路接触器K、支撑电容滤波网络、预充电和故障保护电路、控制单元、母线电压传感器、母线电流传感器、温度传感器以及相电流传感器；其中，主回路接触器K串接在直流正母线上，支撑电容滤波网络并联在直流正、负母线上，预充电和故障保护电路跨接在主回路接触器K的两端，预充电和故障保护电路中预充电回路完成预充电，供电回路为主回路接触器K供电；母线电压传感器采集直流正、负母线之间的母线电压状态信号，母线电流传感器采集母线电流状态信号，温度传感器采集逆变器开关桥臂的温度状态信号，相电流传感器采集电机的三相电流的相电流状态信号；控制单元接收复位信号、预充电阈值信号、母线电压状态信号、母线电流状态信号、相电流状态信号和逆变器温度状态信号，当发生母线电流过流故障、母线电压过压故障、相电流过流故障或逆变器开关管过热故障时，控制单元向预充电和故障保护电路发出信号，断开主回路接触器K以及预充电和故障保护电路中的供电回路，从而切断母线电压，断开整流桥向后级逆变器的供电通道，同时断开预充电和故障保护电路中的预充电回路。

所述变频器预充电和故障保护一体化装置中预充电和故障保护电路包括：

(1)预充电回路：充电电阻R、开关管T串联，跨接在主回路接触器K触点左右两端的直流正母线上，所述的主回路接触器K采用由继电器所控制的接触器开关K1，与支撑电容滤波网络中的第一电容C1和第二电容C2组成预充电回路；

(2)开关管T的驱动电路：驱动电压U_gs、功率电开关S2的常开触点S2-2、继电器K2的常开触点、继电器K3的常闭触点K3-2依次串联后跨接在开关管T的门极和接触器K1远离整流桥一端的直流正母线之间，组成开关管T的驱动电路；

(3)接触器K1触点的左右两端串联在直流正母线上，接触器K1的内部励磁线圈供电回路为：接触器K1的励磁线圈、急停/复位开关S1的常闭触点S1-1，功率电开关S2的常开触点S2-1、继电器K3的常开触点K3-1、常闭继电器K4的触点依次串联后并接在AC/DC的输出直流端，构成接触器K1的励磁线圈供电回路。

控制单元工作后，预充电和故障保护电路中的充电电阻R与支撑电容滤波网络中的支撑电容形成一阶RC充电电路，整流桥的输出直流电压U_DC对支撑电容滤波网络中的支撑电容进行充电；当支撑电容滤波网络中的支撑电容两端电压U_C大于设定的预充电阈值电压U_Th时，即U_C≥U_Th，接触器K1吸合，充电电阻R被短路，此时直流电U_DC直接通过接触器K1加到支撑电容两端，直流母线电压U_DC通过接触器K1直接为支撑电容充电，其中，设定的预充电阈值电压U_Th为直流母线电压U_DC的90-95％；直至支撑电容两端电压达到直流母线电压U_DC，完成整个充电过程，系统进入工作状态；当发生母线电流过流故障、母线电压过压故障、相电流过流故障或逆变器开关管过热故障时，采取逻辑“或”保护，即只要所述的母线电流过流故障、母线电压过压故障、相电流过流故障或逆变器开关管过热故障发生，控制单元发出控制信号及时断开预充电和故障保护电路中的主回路接触器K1和预充电和故障保护电路中的继电器K4，切断母线电压，断开整流桥向后级逆变器的供电通道，同时断开预充电和故障保护电路中的预充电回路，防止支撑电容反复充电；急停/复位开关S1触发的复位信号经控制单元使继电器K4恢复为常闭状态，清除所发生的故障状态，待故障排除后，重复充电过程，为变频器进行下一次预充电做准备。

所述的支撑电容滤波网络中的第一电容C1和第一电阻R1并联，第二电容C2和第二电阻R2并联，并联后的电容、电阻再串联，最终并联在直流正、负母线上。

本发明的有益效果是将变频器预充电电路和故障保护电路统一考虑，相比于仅对逆变器开关管进行故障封锁发波的保护方法，增加了一级保护措施，更加安全、可靠；将预充电和故障保护电路与控制单元分离开来，降低了强的功率信号对弱的控制信号的电磁干扰；充电电阻受功率电开关和充电阈值信号的双重控制，不会出现支撑电容反复充电、放电的过程，利于保护充电电阻的寿命。

附图说明

图1为本发明的变频器预充电和故障保护一体化装置，其中，K为主回路接触器，第一电容C1和第二电容C2为支撑电容，与第一电阻R1和第二电阻R2组成滤波网络。

图2为本发明的变频器预充电和故障保护一体化装置的详细电路，其中，K1为接触器，K2为常开继电器，K3为具有常开触点K3-1、常闭触点K3-2的继电器，K4为常闭继电器；S1为具有常闭触点S1-1、常开触点S1-2的开关，S2为具有两组常开触点S2-1、S2-2的开关，S3为常开开关；R为充电电阻，T为开关管，U_gs为T的门极驱动电源，U_DC为整流桥的输出直流电压。

图3为本发明只考虑母线电流过流、相电流过流的预充电、故障保护逻辑关系，其中，PRE-BV为预充电控制信号，BUS-I为母线电流状态信号，PHASE-I为相电流状态信号，S1-RST为K4的复位信号；K2-RELAY为K2的触发信号，K3-RELAY为K3的触发信号，K4-RELAY为K4的触发信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为变频器的预充电和故障保护一体化装置，跨接在整流桥与逆变器之间，图2为预充电和故障保护一体化装置具体的预充电和故障保护电路拓扑，其电路详细描述为：

本发明所述的一种预充电和故障保护一体化装置连接在整流桥与逆变器之间，该装置包括主回路接触器K、支撑电容滤波网络、预充电和故障保护电路、控制单元、母线电压传感器、母线电流传感器、温度传感器以及相电流传感器；其中，主回路接触器K串接在直流正母线上，支撑电容滤波网络并联在直流正、负母线上，预充电和故障保护电路跨接在主回路接触器K的两端，预充电和故障保护电路中预充电回路完成预充电，供电回路为主回路接触器K供电；母线电压传感器采集直流正、负母线之间的母线电压状态信号，母线电流传感器采集母线电流状态信号，温度传感器采集逆变器开关桥臂的温度状态信号，相电流传感器采集电机的三相电流的相电流状态信号；控制单元接收复位信号、预充电阈值信号、母线电压状态信号、母线电流状态信号、相电流状态信号和逆变器温度状态信号，复位信号由急停/复位开关S1的触点S1-2触发送给控制单元，用于发生故障后清除故障状态，预充电阈值信号为母线电压传感器采集的母线电压状态信号与预充电阈值电压U_Th比较大小后得到的信号，当发生母线电流过流故障、母线电压过压故障、相电流过流故障或逆变器开关管过热故障时，控制单元向预充电和故障保护电路发出信号，断开主回路接触器K以及预充电和故障保护电路中的供电回路，从而切断母线电压，断开整流桥向后级逆变器的供电通道，同时断开预充电和故障保护电路中的预充电回路。

所述变频器预充电和故障保护一体化装置中预充电和故障保护电路包括：

(1)预充电回路：充电电阻R、开关管T串联，跨接在接触器K1触点左右两端的直流正母线上，所述的主回路接触器K采用由继电器所控制的接触器开关K1，与支撑电容滤波网络中的第一电容C1和第二电容C2组成预充电回路。

(2)开关管T的驱动电路：驱动电压U_gs、功率电开关S2的常开触点S2-2、继电器K2的常开触点、继电器K3的常闭触点K3-2依次串联后跨接在开关管T的门极和接触器K1远离整流桥一端的直流正母线之间，组成开关管T的驱动电路；

(3)接触器K1触点的左右两端串联在直流正母线上，接触器K1的内部励磁线圈供电回路为：接触器K1的励磁线圈、急停/复位开关S1的常闭触点S1-1，功率电开关S2的常开触点S2-1、继电器K3的常开触点K3-1、常闭继电器K4的触点依次串联后并接在AC/DC的输出直流端，构成接触器K1的励磁线圈供电回路。

控制单元工作后，预充电和故障保护电路中的充电电阻R与支撑电容滤波网络中的支撑电容形成一阶RC充电电路，预充电和故障保护一体化装置整流桥的输出直流电压U_DC对支撑电容滤波网络中的支撑电容进行充电；当支撑电容滤波网络中的支撑电容两端电压U_C大于设定的预充电阈值电压U_Th时，即U_C≥U_Th，接触器K1吸合，充电电阻R被短路，此时直流电U_DC直接通过接触器K1加到支撑电容两端，直流母线电压U_DC通过接触器K1直接为支撑电容充电，其中，设定的预充电阈值电压U_Th为直流母线电压U_DC的90-95％；直至支撑电容两端电压达到直流母线电压U_DC，完成整个充电过程，系统进入工作状态；当发生母线电流过流故障、母线电压过压故障、相电流过流故障或逆变器开关管过热故障时，采取逻辑“或”保护，即只要所述的母线电流过流故障、母线电压过压故障、相电流过流故障或逆变器开关管过热故障发生，控制单元发出控制信号及时断开预充电和故障保护电路中的主回路接触器K1和预充电和故障保护电路中的继电器K4，切断母线电压，断开整流桥向后级逆变器的供电通道，同时断开预充电和故障保护电路中的预充电回路，防止支撑电容反复充电；急停/复位开关S1触发的复位信号经控制单元使继电器K4恢复为常闭状态，清除所发生的故障状态，待故障排除后，重复充电过程，为变频器进行下一次预充电做准备。

所述的支撑电容滤波网络中的第一电容C1和第一电阻R1并联，第二电容C2和第二电阻R2并联，并联后的电容、电阻再串联，最终并联在直流正、负母线上。

接触器开关K1作为主回路的元器件之一，当对支撑电容完成预充电时，K1被接通，从而切除充电电阻R，将整流桥后级电压U_DC供给逆变器。

充电电阻R与开关管T、支撑电容C1、C2组成一阶RC预充电回路，通过充电电阻R限制上电瞬间的电流冲击，预充电电路的时间常数为按照充电时间t＝(2.3～5)τ设置R、C1、C2的大小来控制充电时间。开关管T的开通与关断控制充电电阻R的工作状态，只有当S2和K2同时闭合，T才会导通，充电电阻R的工作状态受控，开关管T选用MOSFET、IGBT和三极管。

继电器K2的触点、功率电开关S2的常开触点S2-2、K3的常闭触点K3-2和驱动电压U_gs串联，一起控制开关管T的开通与关断，实现预充电过程的控制；常闭触点K3-2的一端直接接在直流正母线上，由于直流母线电压等级高，利用继电器K2将手动开关S2与直流正母线隔离开，提高安全性。

继电器K3具有常开触点K3-1和常闭触点K3-2。预充电过程中，触点K3-1处于断开状态，触点K3-2处于吸合状态；当预充电过程完成，触点K3-1处于吸合状态，触点K3-2处于断开状态，从而将充电电阻R切除，同时接通接触器K1的励磁线圈供电回路。

继电器K4正常工作于常闭状态，当有母线电流、母线电压、相电流或开关管温度故障发生时，控制单元发送控制信号触发继电器K4及时断开，接触器K1的励磁线圈供电回路被断开，接触器K1的触点断开，切断母线电压U_DC，从而起到保护作用。

开关S1、S2、S3的配合使用实现便变频器的预充电、故障状态保护功能，开关S1的触点S1-2向控制单元发送触发信号，该信号作为继电器K4的复位信号，在发生故障采取保护措施以后，将继电器K4恢复为常闭状态。

母线电压传感器、母线电流传感器、相电流传感器、逆变电路模块的温度传感器实时采集母线电压、电流，电机相电流，逆变电路模块温度信号，将这些信号经过处理以后送给控制单元进行预充电阈值的设定，母线过压、过流，相电流过流，逆变器模块温度过热的保护逻辑运算，控制接触器K1、继电器K2、K3、K4，从而完成系统预充电、故障保护的一体化控制。

图2中控制单元的主控芯片选用DSP、单片机、FPGA或者CPLD。如采用DSP、单片机或者FPGA，由于这些芯片可以采集模拟量，对母线电压、逆变器温度故障实现不同等级的电压阈值、过压、过热分段控制，控制逻辑设置灵活；如果采用CPLD，因CPLD只能接收数字量，充电阈值信号、各种保护信号都是靠模拟电路去采集，然后经比较器输出开关量，如果要做分段逻辑控制，控制电路会复杂一些。

进一步，以考虑母线电流过流故障、相电流过流故障的情况为例，设计以CPLD为控制芯片的逻辑控制算法，但并不局限于过流故障、相电流故障的保护，以及CPLD控制芯片的使用。

电路的工作状态分为初始状态、充电状态、正常工作状态、正常断电状态和故障状态，各工作状态下开关、接触器、继电器的闭合(吸合)、断开情况如表1所示。

用“0”和“1”表示预充电控制信号、故障信号、继电器励磁线圈触发信号的状态，详细的定义及状态说明如表2所示。

表1各种工作状态下，开关、接触器、继电器的闭合(吸合)、断开情况

表2预充电阈值信号、故障状态信号、继电器励磁线圈触发信号名称定义及说明

如图3所示，结合图2、表1和表2，所述实施例的预充电、故障保护逻辑描述如下：

母线电压传感器采集的母线电压信号与充电阈值U_Th电压通过控制电路作比较，设置逻辑条件为

$\left\{\begin{array}{cc}PRE-BV=0,& U_C<U_{Th}\\ PRE-BV=1,& U_C\&GreaterEqual;U_{Th}\end{array}\right.$

继电器K3的励磁线圈触发信号为：

K3-RELAY＝PRE-BV

继电器K2的励磁线圈触发逻辑与K3的励磁线圈触发逻辑相反，满足

$K2-RELAY=\stackrel{\&OverBar;}{PRE-BV}$

实施例中仅考虑母线电流故障和相电流故障，采用“或”逻辑，即只要发生其中的任何一个故障，继电器K4都会被触发断开。如图3所示，故障处理逻辑采用锁存逻辑，S1-RST为来自开关S1常开触点S1-2产生的复位信号，在下一次电路运行前，清除故障状态。

锁存逻辑工作原理：规定t为足够小的单位时间，t＝1，2，3……其中E(t)为t时刻的故障状态，P(t)为保护逻辑的状态函数，P(0)为初始化状态。如公式(1)(2)所示，系统开始工作时，整个保护函数进行初始化。初始化完毕后，P(t)输出为“1”，开始正常工作；一旦故障发生，即E(t)＝0，P(t)便会锁死输出为0，直至故障清除并将保护函数重新初始化。

$\left\{\begin{array}{c}P\left(0\right)=1\\ P\left(t\right)=E\left(t\right)\&CenterDot;P(t-1)\end{array}\right.,t=1,2,3...---\left(2\right)$

图3中复位信号S1-RST对整个锁存逻辑进行初始化，一旦故障信号BUS-I或PHASE-I为高电平，逻辑末端输出信号K4-RELAY就会变成高电平，触发继电器K4断开。此时即使故障信号BUS-I或PHASE-I变为低电平，K4-RELAY仍为高电平，直至复位信号S1-RST对锁存逻辑重新复位，K4-RELAY才会变为低电平，K4恢复常闭状态，等待排除故障，系统重新上电工作。

上述只是本发明的较佳实施例之一，并非对本发明作任何形式上的限制。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术所作的任何简单修改、等同变化及修饰均应落在本发明的技术方案保护范围内。

Claims (4)

1.一种变频器的预充电和故障保护一体化装置，其特征在于：所述的一种预充电和故障保护一体化装置连接在整流桥与逆变器之间，该装置包括主回路接触器K、支撑电容滤波网络、预充电和故障保护电路、控制单元、母线电压传感器、母线电流传感器、温度传感器以及相电流传感器；其中，主回路接触器K串接在直流正母线上，支撑电容滤波网络并联在直流正、负母线上，预充电和故障保护电路跨接在主回路接触器K的两端，预充电和故障保护电路中预充电回路完成预充电，供电回路为主回路接触器K供电；母线电压传感器采集直流正、负母线之间的母线电压状态信号，母线电流传感器采集母线电流状态信号，温度传感器采集逆变器开关桥臂的温度状态信号，相电流传感器采集电机的三相电流的相电流状态信号；控制单元接收复位信号、预充电阈值信号、母线电压状态信号、母线电流状态信号、相电流状态信号和逆变器温度状态信号，当发生母线电流过流故障、母线电压过压故障、相电流过流故障或逆变器开关管过热故障时，控制单元向预充电和故障保护电路发出信号，断开主回路接触器K以及预充电和故障保护电路中的供电回路，从而切断母线电压，断开整流桥向后级逆变器的供电通道，同时断开预充电和故障保护电路中的预充电回路。

2.根据权利要求1所述的一种变频器的预充电、故障保护一体化装置，其特征在于：所述变频器预充电和故障保护一体化装置中预充电和故障保护电路包括预充电回路、开关管T的驱动电路和接触器K1的内部励磁线圈供电回路，其中预充电回路由充电电阻R、开关管T串联，跨接在主回路接触器K触点左右两端的直流正母线上，所述的主回路接触器K采用由继电器所控制的接触器开关K1，与支撑电容滤波网络中的第一电容C1和第二电容C2组成预充电回路；开关管T的驱动电路为驱动电压U_gs、功率电开关S2的常开触点S2-2、继电器K2的常开触点、继电器K3的常闭触点K3-2依次串联后跨接在开关管T的门极和接触器K1远离整流桥一端的直流正母线之间；接触器K1触点的左右两端串联在直流正母线上，接触器K1的内部励磁线圈供电回路为接触器K1的励磁线圈、急停/复位开关S1的常闭触点S1-1，功率电开关S2的常开触点S2-1、继电器K3的常开触点K3-1、常闭继电器K4的触点依次串联后并接在AC/DC的输出直流端。

3.根据权利要求1所述的一种变频器的预充电、故障保护一体化装置，其特征在于：

控制单元工作后，预充电和故障保护电路中的充电电阻R与支撑电容滤波网络中的支撑电容形成一阶RC充电电路，整流桥的输出直流电压U_DC对支撑电容滤波网络中的支撑电容进行充电；当支撑电容滤波网络中的支撑电容两端电压U_C大于设定的预充电阈值电压U_Th时，即U_C≥U_Th，接触器K1吸合，充电电阻R被短路，此时直流电U_DC直接通过接触器K1加到支撑电容两端，直流母线电压U_DC通过接触器K1直接为支撑电容充电，其中，设定的预充电阈值电压U_Th为直流母线电压U_DC的90-95％；直至支撑电容两端电压达到直流母线电压U_DC，完成整个充电过程，系统进入工作状态；当发生母线电流过流故障、母线电压过压故障、相电流过流故障或逆变器开关管过热故障时，采取逻辑“或”保护，即只要所述的母线电流过流故障、母线电压过压故障、相电流过流故障或逆变器开关管过热故障发生，控制单元发出控制信号及时断开预充电和故障保护电路中的主回路接触器K1和预充电和故障保护电路中的继电器K4，切断母线电压，断开整流桥向后级逆变器的供电通道，同时断开预充电和故障保护电路中的预充电回路，防止支撑电容反复充电；急停/复位开关S1触发的复位信号经控制单元使继电器K4恢复为常闭状态，清除所发生的故障状态，待故障排除后，重复充电过程，为变频器进行下一次预充电做准备。

4.根据权利要求1所述的一种变频器的预充电、故障保护一体化装置，其特征在于：所述的支撑电容滤波网络中的第一电容C1和第一电阻R1并联，第二电容C2和第二电阻R2并联，并联后的电容、电阻再串联，最终并联在直流正、负母线上。