CN106470001A - 一种变频器和电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制技术，尤其涉及一种变频器和电机控制系统，以提高再生电能的利用率。本发明实施例提供的变频器，包括主回路和控制回路，所述主回路包括整流电路和逆变电路，所述整流电路和逆变电路之间通过直流母线连接，三相交流电经所述整流电路转变为直流电后，再经所述逆变电路转变为三相交流电后输出给三相交流电动机，其中所述主回路还包括：可控开关部，所述可控开关部连接在所述直流母线的正向母线和负向母线之间，且将所述直流母线输出的直流电作为制动所述三相交流电动机时的直流电，通过可控开关部输出给制动绕组。

Description

一种变频器和电机控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术，尤其涉及一种变频器和电机控制系统。

背景技术

三相电动机运行性能好并可节省各种材料，按转子结构的不同可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。

电动机的制动，就是给电动机一个与转动方向相反的转矩使它迅速停转，或限制其转速。制动电机的方法一般有两类：机械制动和电气制动。机械制动是利用机械装置使电动机断开电源后迅速停转，机械制动常用的方法有电磁抱闸和电磁离合器制动。电气制动是使电动机产生一个与转子转速方向相反的电磁转矩，使电动机的转速迅速下降。三相交流电动机常用的电气制动方法有能耗制动、交流反接制动和回馈制动。能耗制动是电动机自行消耗减速过程中产生的电能。交流反接制动是当电动机断电后，立即使其制动绕组中接入一直流电，于是在定子绕组产生一个静止磁场，惯性转动的转子切割磁场感应电流产生的转矩阻碍了转子继续转动，产生制动作用，使电动机迅速停止。

三相电动机的再生发电制动方法也被称为回馈制动，主要应用于安装多速电动机的大型起重机械中。当电动机处于运行状态时，通过采用再生发电的制动方法，改变电动机转子的实际转速，达到迫使电动机处于回馈制动状态的效果。以再生发电制动方法在大型起重机械中的应用为例，当起重机上升到一定高度时，为了保证平稳安全的下放重物，必须对电动机进行电气制动。在发电运行状态下，电动机转子的运动方式相对于旋转磁场的切割磁感线发生了根本的转变，从而保证转子电流、电磁转矩与电动运行的方向完全相反，电动机产生的电磁力矩将转化为制动力矩，再对重物的下降速度进行有效控制。

发明内容

本发明提供一种变频器和电机控制系统，以提高再生电能的利用率。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种变频器，包括主回路和控制回路，所述主回路包括整流电路和逆变电路，所述整流电路和逆变电路之间通过直流母线连接，三相交流电经所述整流电路转换为直流电后，再经所述逆变电路转换为三相交流电后输出给三相交流电动机，其中：

所述主回路还包括：可控开关部，所述可控开关部连接在所述直流母线的正向母线和负向母线之间，且通过所述可控开关部将所述直流母线输出的由电动机减速而产生的直流电作为制动所述三相交流电动机时的直流电源，输出到所述三相交流电动机的制动绕组；以及

所述控制回路在所述三相交流电动机的制动过程中，通过控制所述可控开关部的通断，调整所述三相交流电动机制动所需的直流电。

上述变频器中，所述的可控开关部可以为绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所述三相交流电动机的制动绕组的绕组正负极两端中的一端通过所述绝缘栅双极型晶体管IGBT对应连接至所述直流母线的正向母线和负向母线中极性相同的一方，另一端对应连接至所述直流母线的正向母线和负向母线中极性相同的另一方。

并且，所述的控制回路可以包括：驱动部以及控制部，其中：所述控制部通过所述驱动部控制所述IGBT的通断。进一步所述的控制回路还包括：检测部，所述检测部检测所述正向母线和负向母线之间的电压，所述控制部基于所述检测部的检测结果控制所述可控开关部的通断。

本发明实施例的第二个方面，提供一种电机控制系统，包括三相交流电动机，以及上述的任何一种变频器。

本发明实施例中提供的变频器，将电动机减速中直流母线上产生的直流电作为制动所需要的直流电，供给到电动机中内置的制动绕组中，并由变频器的控制部控制制动过程，不再单独设置制动单元，既有效利用了电动机减速中直流母线上产生的直流电，节约了能源，又可以简化电路结构，降低电路成本和维护成本。本发明实施例可以用于任何一种电机控制系统中，尤其是大型机械起重设备中。

附图说明

图1为本发明实施例中所述一种现有电机控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种变频器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种变频器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种变频器的结构示意图。

具体实施方式

在变频调速系统中，降速的基本方法就是通过逐步降低给定频率来实现。当拖动系统的惯性较大，电机的转速的下降将跟不上电机同步转速的下降，即电机的实际速度比其同步速度高，此时电机转子绕组切割旋转磁场磁力线的方向和电机恒速运行时正好相反，转子绕组的感应电动势和电流的方向也都相反，所产生的电磁转矩也就和电机旋转方向相反，电动机将出现负转矩，此时的电动机实际为发电机，系统处于再生制动状态，将拖动系统的动能回馈到变频器直流母线上，使直流母线之间的直流电不断上升，影响变频器的正常工作。

如图1所示，为一个电机控制系统结构示意图，其中包括作为负载的电动机IM，可以是任何电力拖动系统中的动力源，变频器1根据上位机的控制指令控制电动机的运行。变频器1为交直交变频器，其结构如图1所示，主要包括整流部11、逆变部12、检测部13、驱动部14和控制部15，整流部11和逆变部12属于变频器1的主回路，检测部13、驱动部14和控制部15属于变频器1的控制回路，其中：整流部11将交流电源输入的交流电转换为直流电，逆变部12将整流部11输出的直流电转变为设定频率或电压的交流电并输出给外部负荷，整流部11和逆变部12之间通过直流母线连接，从逆变部12获得交流电的外部负荷，通常是电力拖动系统中的三相电动机或者单相电机等，交流电源可以是电力系统的交流电网，也可以是交流发电机等。检测部13，检测整流部11输出的直流电的电压，并将检测结果反馈到控制部15。控制部15根据上位机的指令以及检测部13的检测结果，通过驱动部14控制逆变部12中各个绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的导通状态，从而输入预定电压和/或频率的交流电。

现有技术中的制动单元5主要用于控制机械负载比较重的、制动速度要求非常快的场合，将运行中的电动机从交流电源上切除并立即接通制动所需的直流电，制动单元一般分为两种，一种是能耗制动单元，另一种是能量回馈单元，能耗制动单元将电机所产生的再生电通过制动电阻转换成热能消耗掉，能量回馈单元可以将电动机制动过程中产生的再生电反馈回电网，通过自动检测变频器的直流母线电压，将变频器的直流母线上的直流电逆变成与电网电压同频同相的交流电压，经多重噪声滤波环节后连接到电网，从而达到能量回馈电网的目的。根据功率大小，制动单元可以内置在变频器中，也可以外置。

从图1可以看到，现有电动机减速过程中的产生的再生电，要么消耗掉，要么反馈回电网，而制动过程需要的直流电，需要通过制动单元单独供给，制动单元中需要独立设置整流回路和驱动回路，将交流电源供给的交流电整流为制动过程所需要的直流电，电路结构复杂度高，维护成本也大。

而本发明实施例中提供的变频器，可以将电动机减速过程中回馈到直流母线的直流电作为制动所需要的直流电，供给到电动机的制动绕组中，制动绕组一般是两相绕组。并由变频器的控制部控制制动过程，不需要单独设置制动单元，既有效利用了电动机减速过程中反馈的再生电，节约了能源，又可以简化电路结构，降低电路成本和维护成本。下面以具体实施例并结合附图详细说明本发明实施例提供的技术方案。

如图2所示，为本发明实施例提供的变频器2结构示意图，包括主回路和控制回路，其中：

主回路包括：整流部21、逆变部22、检测部23，以及可控开关部27；

控制回路包括：检测部23、第一驱动部24、控制部25和第二驱动部26；

其中：整流部21将交流电源输入的交流电转换为直流电，逆变部22将整流部21输出的直流电变换为设定频率或电压的交流电并输出给外部负荷，控制部25通过第一驱动部24控制逆变部22，以输出设定频率或电压的交流电。

本发明实施例中，整流部21和逆变部22之间通过直流母线连接，可控开关部27连接在直流母线的正向母线和负向母线之间，在电动机减速过程中，如果电机工作在发电状态下，会通过逆变部22反馈回直流电，这时，将直流母线输出的直流电作为三相交流电动机制动时的直流电源，并通过控制所述可控开关部的通断，调整所述三相交流电动机制动所需的直流电。

根据本发明提供的上述实施例，可以不需要单独设置制动单元，并且既有效利用了电动机减速过程中反馈的电能，又可以简化电路结构。

如图3所示，为本发明实施例提供的一个变频器3的具体示例，其中，可控开关部可以是大功率IGBT，驱动IGBT_T的第二驱动部则为IGBT驱动电路36。IGBT_T的栅极g为控制端，连接到IGBT驱动电路36，IGBT_T的集电极C通过一个二极管连接至直流母线的正向母线，其中，IGBT_T的集电极C与二极管的阳极连接，直流母线的正向母线与二极管的阴极连接，IGBT_T的发射极e连接至直流母线的负向母线，三相交流电动机的制动绕组的正极连接至直流母线的正向母线，制动绕组的负极连接至IGBT_T的集电极C。

在电动机减速过程中，电动机再生的交流电通过逆变部22转变为直流电，这时直流母线之间具有一定的直流电压。

当IGBT驱动电路36控制IGBT_T导通时，通过IGBT_T，制动绕组的负极连接至直流母线的负向母线，由交流电动机减速而产生的直流电作为制动所需的直流电，经直流母线输出到交流电动机的制动绕组。

IGBT驱动电路36以给定的占空比控制大功率IGBT_T的导通时间，以调整交流电动机制动所需的直流电。

在图3所示实施例中，控制部35可以根据预先给定的控制参数确定输入IGBT驱动电路36的占空比，也可以根据检测部的检测结果和需要的直流电确定输入IGBT驱动电路36的占空比，IGBT驱动电路36根据输入的占空比根据输出控制IGBT_T的通断，使得制动绕组获得制动所需的直流电。

再例如图4所示，另一个实施例中，可控开关部包括IGBT和至少两个电阻，以两个电阻(R₁，R₂)为例，IGBT_T和两个电阻(R₁，R₂)串联，三相交流电动机的制动绕组的正负极两端分别对应连接至其中一个电阻的两端，例如图4中R₁的两端。也就是说，两个电阻(R₁，R₂)形成分压电路，其中任何一个电阻上的分压都可以作为制动所需的直流电压。

上述实施例中，如何具体实现IGBT驱动电路，以及如果计算所需的占空比，为本领域技术人员所熟知，这里不再详细赘述。

本发明实施例中，交流异步电动机可以是同步电机也可以是非同步电机。非同步电机的例如诱导电动机(Induction Motor，IM)，而同步电动机例如永磁电动机(Permanent Magnetic Motor，PMM)。

本发明实施例提供的上述方案，可以用于如图2或图3所示的电机控制系统中，其中主要可以应用于安装多速三相交流电动机的大型起重机械中，可以很好的利用再生能源，达到节约电能并简化控制电路的目的。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种变频器，包括主回路和控制回路，所述主回路包括整流电路和逆变电路，所述整流电路和逆变电路之间通过直流母线连接，三相交流电经所述整流电路转变为直流电后，再经所述逆变电路转变为三相交流电后输出给三相交流电动机，其特征在于：

所述主回路还包括：可控开关部，所述可控开关部连接在所述直流母线的正向母线和负向母线之间，且通过所述可控开关部将三相交流电动机减速而产生的直流电作为制动所述三相交流电动机时的直流电，经所述直流母线输出到所述三相交流电动机的制动绕组；以及

所述控制回路在所述三相交流电动机的制动过程中，通过控制所述可控开关部的通断，调整所述三相交流电动机制动所需的直流电。

2.如权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述的可控开关部为绝缘栅双极型晶体管IGBT，所述三相交流电动机的制动绕组的绕组正负极两端中的一端通过所述绝缘栅双极型晶体管IGBT对应连接至所述直流母线的正向母线和负向母线中极性相同的一方，另一端对应连接至所述直流母线的正向母线和负向母线中极性相同的另一方。

3.如权利要求2所述的变频器，其特征在于，所述的控制回路包括：驱动部以及控制部，其中：所述控制部通过所述驱动部控制所述IGBT的通断。

4.如权利要求3所述的变频器，其特征在于，所述的控制回路还包括：检测部，所述检测部检测所述正向母线和负向母线之间的电压，所述控制部基于所述检测部的检测结果控制所述可控开关部的通断。

5.如权利要求3或4所述的变频器，其特征在于，所述驱动部为IGBT驱动电路，所述控制部确定所述IGBT驱动电路的占空比，所述IGBT驱动电路根据所述占空比控制所述IGBT的通断。

6.一种电机控制系统，包括三相交流电动机，其特征在于，还包括如权利要求1～5任一所述的变频器。

7.如权利要求6所述的电机控制系统，其特征在于，所述的电机控制系统为用于控制起重机械中三相交流电动机的电机控制系统。