CN107592018B - 模块化变频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化变频器，所述模块化变频器包括：功率硬件层，其包括整流功率模块、直流功率模块和逆变功率模块；控制硬件层，用于对所述功率硬件层进行状态监测和控制信号输出，其包括整流监控模块、直流监控模块和逆变监控模块；应用硬件层，其包括控制电源模块、MCU模块、I/O模块和通讯模块；系统总线层，用于连接所述控制硬件层和所述应用硬件层，以在所述控制硬件层和所述应用硬件层之间实现数据的交换和存储；以及散热层，用于对所述模块化变频器内产生的热量进行散热。本发明的模块化变频器可以实现系统应用扩展和设计优化。

Description

模块化变频器

技术领域

本发明涉及变频器技术领域，具体地涉及一种能够实现系统应用扩展的模块化变频器。

背景技术

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着变频高速技术的发展与综合利用，使变频器行业在通讯、交通、运输、电力、电子、环保、航空航天、自控系统、尖端武器、原子能、军队现代化等领域得到空前的发展和应用，几乎国民经济各行各业都与变频器密不可分。

如图1所示，传统变频器包括功率单元10和控制单元20。功率单元10包括前置滤波回路11，整流回路12，直流回路13，逆变回路14，散热器15和控制单元供电器16。控制单元20包括I/O端口21，扩展端口22，MCU(微控制单元)23，通讯端口24，以及控制与状态反馈器25。前置滤波回路11对从主电源输入端30输入的交流电进行滤波，并降低变频器产生的高频电压和电流分量对电网的干扰。整流回路12对经过滤波的交流电进行整流，以输出直流电。直流回路13使从整流回路12输出的直流电变得平滑或稳定，并对控制单元供电器16进行供电。逆变回路14对从直流回路输出的直流电进行直流-交流变换，然后将变换后的交流电从主电源输出端40输出。控制单元供电器16对控制单元20进行供电。

上述传统变频器是基于单机设计方式，即，控制单元和功率单元是一对一的方式，即使是在共直流或多传动模块中，也是如此。控制单元功能和接口类型是由制造商在设计的时候已经固定，每个控制单元包含一定数量的MCU、I/O端口、通讯端口和扩展端口，客户在应用时可能只能利用到其中的部分端口，而使另一部分端口空闲，且无法被其他变频器模块使用，造成系统中的浪费，并且系统扩展性受限。因此，在复杂应用场景中通常需要通过其他控制器(例如PLC)进行扩展。而且，不同控制单元中的MCU、I/O资源、通讯端口、扩展端口无法共用，在多机系统中难以针对应用优化配置。同时，单机独立散热设计，难以针对系统应用进行优化设计。

发明内容

为了克服传统变频器中的上述不足，本发明提供一种能够实现系统应用扩展的模块化变频器。

为了实现上述目的，本发明提供一种模块化变频器，所述模块化变频器包括：功率硬件层，包括用于对来自主电源的交流电进行整流以输出直流电的整流功率模块、用于使从所述整流功率模块输出的所述直流电稳定的直流功率模块和用于对从所述直流功率模块输出的直流电进行直流-交流变换以输出交流电的逆变功率模块；控制硬件层，用于对所述功率硬件层进行状态监测和控制信号输出，所述控制硬件层包括用于对所述整流功率模块进行状态监测的整流监控模块、用于对所述直流功率模块进行状态监测的直流监控模块和用于对所述逆变功率模块进行状态监测的逆变监控模块；应用硬件层，包括控制电源模块、MCU模块和I/O模块；系统总线层，用于连接所述控制硬件层和所述应用硬件层，以在所述控制硬件层和所述应用硬件层之间实现数据的交换和存储；以及散热层，用于对所述模块化变频器内产生的热量进行散热。所述控制电源模块用于向所述应用硬件层、所述系统总线层和所述控制硬件层提供低压直流控制电源。所述MCU模块是所述模块化变频器的中央处理单元，用于监测、分析、计算和控制所述模块化变频器中的其他模块运行。所述I/O模块是所述模块化变频器的输入输出端口。

优选地，所述整流监控模块可以根据内置参数触发软件保护指令，或向系统总线层发送状态信息并接收应用硬件层和控制硬件层中的其他模块对所述整流监控模块控制的指令，然后将所述指令转换成控制信号以发送给所述整流功率模块执行。

优选地，所述直流监控模块可以根据内置参数触发软件保护指令，或向系统总线层发送状态信息并接收应用硬件层和控制硬件层中的其他模块对所述直流监控模块控制的指令，然后将所述指令转换成控制信号以发送给所述直流功率模块执行。

优选地，所述逆变监控模块可以根据内置参数触发软件保护指令，或向系统总线层发送状态信息并接收应用硬件层和控制硬件层中的其他模块对所述逆变监控模块控制的指令，然后将所述指令转换成控制信号以发送给所述逆变功率模块执行。

优选地，所述功率硬件层还可包括位于所述整流功率模块之前的前置滤波模块，用于抑制由于所述模块化变频器的非线性工作造成的电压和电流谐波分量对主电源电网的污染，从而提高电能质量。

优选地，所述功率硬件层还可包括位于所述逆变功率模块之后的后置滤波模块，用于对所述逆变功率模块输出的交流电进行波形整形和滤波，从而降低所述的交流电输出对电机绝缘性能的损坏，并减小电机的热损耗。

优选地，所述功率硬件层还可包括位于所述整流功率模块之前的前置滤波模块和位于所述逆变功率模块之后的后置滤波模块，用于对所述模块化变频器的输入和输出交流电进行波形整形和滤波，从而抑制所述模块化变频器对电网的干扰以及对电机性能的损害。

优选地，所述散热层可以为包括散热器和散热风机的散热模块/模块组，用于与所述功率硬件层的散热基板配合，加强所述功率硬件层中的各功率模块的散热能力，从而防止所述各功率模块内部器件过热损坏。

优选地，所述应用硬件层还可以包括用于接入模块化变频器之外的系统网络以实现智能应用的通讯模块。

优选地，所述系统网络可以是Profibus、以太网或无线网。

优选地，所述整流功率模块、所述直流功率模块和所述逆变功率模块各可具备硬件保护功能。

优选地，所述MCU模块可以对与所述系统总线层连接的其他模块进行柔性配置，以实现系统优化。

优选地，所述逆变监控模块或所述逆变功率模块可以是包括变频控制器和伺服控制器的一组或多组电机控制模块/功率模块

本发明的模块化变频器基于系统功能进行模块化设计，能够根据应用场景需求通过系统总线对变频器中所含的模块(例如，MCU模块、监控模块、I/O模块、通讯模块)的数量和种类进行扩展，从而方便地拼成完整的变频器(单传动系统)或多变频器系统(多传动系统)。相比于传统变频器，本发明的模块化变频器更适用于多电机控制系统，例如CNC数控机床、多轴机器人以及其它使用多电机系统的机械装备。本发明模块化变频器的I/O模块、通讯模块等都直接连接到变频器系统总线上，并通过MCU分配给系统中的电机控制单元使用，这种配置可以由软件完成，避免了传统变频器中IO端口/通讯端口不能共享的问题，在多电机系统中应用更为灵活，并且端口的数量和种类可以通过系统总线进行扩展而无须增加其他控制器(例如PLC)。

此外，监控模块/功率模块可以成对或成组出现，单轴逆变监控模块可以控制一个逆变功率模块，多轴逆变监控模块可以控制多个逆变功率模块，每个逆变功率模块控制一个电机或一组并联的电机(这取决于应用类型)。而且，各监控模块/功率模块类型可根据应用系统进行选型，硬件系统的变更会更加灵活。例如，当系统中的某个电机从交流电机变更为伺服电机的时候，可以只变更其中的监控模块和功率模块，而不需要变更其他硬件接口模块，反之亦然。另外，本发明的模块化变频器具有独立的变频器系统总线，所以功率模块的监控模块、I/O模块、通讯模块都连接到变频器系统总线上，由MCU模块通过变频器系统总线进行控制。因此，I/O端口和通讯端口的数量和类型可以通过MCU模块的嵌入式软件平台进行柔性配置，从而实现系统优化。此外，散热器独立于功率模块之外设计，可根据所选用的功率模块数量、尺寸及功耗总量进行整体设计及优化。而且，由于散热器设计独立于变频器的其它模块，因此模块化变频器可以更加紧凑，并灵活适用于机械装备厂家的散热系统上，例如防爆产品等，且成本更低。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是示出传统变频器的系统构架的框图。

图2是示出根据本发明的一个实施例的模块化变频器的系统构架的框图。

图3示出将本发明的模块化变频器的系统构架应用于伺服控制器的示例。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

为了使本发明的技术方案更加清楚、明白，下面将参照附图并结合本发明的各实施例对本发明的模块化变频器进行详细描述。

图2示出根据本发明的一个实施例的模块化变频器的系统构架。如图2所示，根据本实施例的模块化变频器包括散热层100、功率硬件层200、控制硬件层300、系统总线层400和应用硬件层500。

散热层100对模块化变频器内产生的热量进行散热，并且可以包括散热模块/模块组101。散热模块/模块组101可以是自冷式或强制冷却式，并且可以包括散热器和散热风机。散热模块/模块组101与功率硬件层的散热基板配合，加强功率硬件层中的各功率模块的散热能力，从而防止各功率模块内部器件过热损坏。

功率硬件层200对从主电源输入端600供应的交流电进行交流-直流-交流变换，即为模块化变频器的主电源变换部分。功率硬件层200包括整流功率模块202、直流功率模块203和逆变功率模块204。整流功率模块202对来自主电源的交流电进行整流，以输出直流电。直流功率模块203使从整流功率模块输出的直流电变得稳定或平滑。此外，直流功率模块203可以具备斩波功能以耗能的方式消减电机制动的时候反馈回来的能量。逆变功率模块204对从直流功率模块输出的直流电进行直流-交流变换，以通过主电源输出端700输出交流电。功率硬件层200可以包括位于整流功率模块202之前的前置滤波模块201。前置滤波模块201对从主电源输入端600供应的交流电进行滤波，以便抑制由于所述模块化变频器的非线性工作造成的电压和电流谐波分量对主电源电网的污染，从而提高电能质量。在另一个实施例中，功率硬件层200还可包括位于逆变功率模块之后的后置滤波模块(未示出)。该后置滤波模块对逆变功率模块输出的交流电进行波形整形和滤波，从而降低该交流电输出对电机绝缘性能的损坏，并减小电机的热损耗。或者，功率硬件层200可以同时包括位于整流功率模块之前的前置滤波模块和位于逆变功率模块之后的后置滤波模块两者，用于对所述模块化变频器的输入和输出交流电进行波形整形和滤波，从而抑制所述模块化变频器对电网的干扰以及对电机性能的损害。

控制硬件层300总体上对功率硬件层进行状态监测和控制信号输出，并通过功率硬件层200实现预期的控制功能。控制硬件层300包括整流监控模块301、直流监控模块302和逆变监控模块303。整流监控模块301对整流功率模块202进行状态监测，并且可以根据内置参数触发软件保护指令，或向系统总线层400发送状态信息并接收应用硬件层500和控制硬件层300中的其他模块对整流监控模块301控制的指令，然后将所述指令转换成控制信号以发送给整流功率模块202执行。直流监控模块302对直流功率模块203进行状态监测，并且可以根据内置参数触发软件保护指令，或向系统总线层400发送状态信息并接收应用硬件层500和控制硬件层300中的其他模块对直流监控模块302控制的指令，然后将所述指令转换成控制信号以发送给直流功率模块203执行。逆变监控模块303对逆变功率模块204进行状态监测，并且可以根据内置参数触发软件保护指令，或向系统总线层400发送状态信息并接收应用硬件层500和控制硬件层300中的其他模块对逆变监控模块303控制的指令，然后将所述指令转换成控制信号以发送给逆变功率模块204执行。

系统总线层400包括变频器系统总线401，其连接控制硬件层300和应用硬件层500，以在它们之间实现数据的交换和存储。变频器系统总线401是应用硬件层和控制硬件层各模块之间的公用通信通道，且可支持系统扩展。变频器系统总线是应用硬件层和控制硬件层之间的统一总线结构，MCU模块、I/O模块、通讯模块和/或控制电源模块都可以通过这个总线交换和存储数据。

应用硬件层500包括控制电源模块501、MCU模块502和I/O模块503。控制电源模块501向模块化变频器的应用硬件层、系统总线层以及控制硬件层提供低压直流控制电源(例如24V)。例如，控制电源模块501可以是其进线经由变压器与主电源输入端连接的模块，也可以是从与主电源完全不同的电源接入的模块。MCU模块502是模块化变频器的中央处理单元(CPU)，其可运行嵌入式软件系统，并通过嵌入式软件系统配置并监测、分析、计算和控制其他模块运行。此外，MCU模块502可以对与系统总线层连接的其他模块进行柔性配置，以实现系统优化。应用硬件层500还可以包括用于接入所述模块化变频器之外的系统网络以实现智能应用的通讯模块504。这里，系统网络可以是Profibus、以太网或无线网等。I/O模块503是模块化变频器的输入输出端口，例如，模拟量输入/输出端口、数字量输入/输出端口、开关量输出端口或编码器输入端口等。

请注意，应用硬件层500可以包括控制电源模块、MCU模块、I/O模块和通讯模块中的一部分或全部，这部分硬件模块的类型和数量由系统应用决定，并可通过MCU的软件平台实现柔性配置。

此外，除了接收整流监控模块的控制信号来执行相应的操作以外，整流功率模块还可以具备硬件保护功能。类似地，除了接收直流监控模块的控制信号来执行相应的操作以外，直流功率模块也可以具备硬件保护功能。除了接收逆变监控模块的控制信号来执行相应的操作以外，逆变功率模块也可以具备硬件保护功能。

另外，模块化变频器系统架构上的逆变监控单元/功率单元可以是一组或多组电机控制单元/功率单元，其包括变频控制器、伺服控制器等。图3示出这种情况下的示例。如图3所示，辅助供电单元801、MCU单元802、I/O单元803和通讯单元804经由系统总线与通用变频控制单元807和伺服控制单元809连接，整流控制单元808对整流功率单元806进行控制，通用变频控制单元807和伺服控制单元809分别控制通用变频逆变单元808和伺服逆变单元810。此外，通用变频(伺服)控制单元和通用变频(伺服)逆变单元也可以是多轴控制单元和多轴逆变单元。在图3中，总线下面可以根据系统应用接入不同数量和类型的模块。功率单元可以根据系统应用，使用不同的控制单元和功率单元，而I/O端口等则可以通过系统分配的方式复用。假如客户原本使用的是两个通用变频单元，现在有一个需要替换成同功率的伺服单元，那么只需要把控制单元和逆变单元替换，然后针对新应用添加一些编码器接口之类的I/O模块即可，原有的数字量、模拟量等接口可以通过配置变更直接让伺服单元使用。在这种结构下，很方便扩展成多变频器结构。当然，对于小功率模块，由于功率器件的集成结构的原因，也可以把整流、逆变功率单元做在一起，在这种情况下，这种设计的优势更多的体现在接口应用的灵活性上面。

本发明的模块化变频器基于系统功能进行模块化设计，能够根据应用场景需求通过系统总线对变频器中所含的模块(例如，MCU模块、监控模块、I/O模块、通讯模块)的数量和种类进行扩展，从而方便地拼成完整的变频器(单传动系统)或多变频器系统(多传动系统)。相比于传统变频器，本发明的模块化变频器更适用于多电机控制系统，例如CNC数控机床、多轴机器人以及其它使用多电机系统的机械装备。本发明模块化变频器的I/O模块、通讯模块等都直接连接到变频器系统总线上，并通过MCU分配给系统中的电机控制单元使用，这种配置可以由软件完成，避免了传统变频器中IO端口/通讯端口不能共享的问题，在多电机系统中应用更为灵活，并且端口的数量和种类可以通过系统总线进行扩展而无须增加其他控制器(例如PLC)。

在本发明的模块化变频器中，I/O模块的配置类似于PLC等控制器的软件分配方式。例如，在两变频器系统中，选用一个8个DI(数字量输入)和4个AI(模拟量输入)的I/O模块，可以将其中的3个DI和3个AI分配给变频器1，其他分配给变频器2，也可以将4个DI和1个AI分配给变频器1，其他分配给变频器2。也就是说，单个变频器对外的端口功能可以是不固定的，可以按照系统应用来进行配置。这样在多变频器系统中，就可以充分利用端口的使用率，其他端口类型的配置也类似。

此外，监控模块/功率模块可以成对或成组出现，单轴逆变监控模块可以控制一个逆变功率模块，多轴逆变监控模块可以控制多个逆变功率模块，每个逆变功率模块控制一个电机或一组并联的电机(这取决于应用类型)。而且，各监控模块/功率模块类型可根据应用系统进行选型，硬件系统的变更会更加灵活。例如，当系统中的某个电机从交流电机变更为伺服电机的时候，可以只变更其中的监控模块和功率模块，而不需要变更其他硬件接口模块，反之亦然。另外，本发明的模块化变频器具有独立的变频器系统总线，所以功率模块的监控模块、I/O模块、通讯模块都连接到变频器系统总线上，由MCU模块通过变频器系统总线进行控制。因此，I/O端口和通讯端口的数量和类型可以通过MCU模块的嵌入式软件平台进行柔性配置，从而实现系统优化。

另外，散热器独立于功率模块之外设计，可根据所选用的功率模块数量、尺寸及功耗总量进行整体设计及优化。而且，由于散热器设计独立于变频器的其它模块，因此模块化变频器可以更加紧凑，并灵活适用于机械装备厂家的散热系统上，例如防爆产品等，且成本更低。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种模块化变频器，其特征在于，所述模块化变频器包括：

功率硬件层，包括用于对来自主电源的交流电进行整流以输出直流电的整流功率模块、用于使从所述整流功率模块输出的所述直流电稳定的直流功率模块和用于对从所述直流功率模块输出的直流电进行直流-交流变换以输出交流电的逆变功率模块；

控制硬件层，用于对所述功率硬件层进行状态监测和控制信号输出，所述控制硬件层包括用于对所述整流功率模块进行状态监测的整流监控模块、用于对所述直流功率模块进行状态监测的直流监控模块和用于对所述逆变功率模块进行状态监测的逆变监控模块；

应用硬件层，包括控制电源模块、MCU模块和I/O模块；

系统总线层，用于连接所述控制硬件层和所述应用硬件层，以在所述控制硬件层和所述应用硬件层之间实现数据的交换和存储；以及

散热层，用于对所述模块化变频器内产生的热量进行散热，

其中，所述控制电源模块用于向所述应用硬件层、所述系统总线层和所述控制硬件层提供低压直流控制电源，

所述MCU模块是所述模块化变频器的中央处理单元，用于监测、分析、计算和控制所述模块化变频器中的其他模块运行，并且

所述I/O模块是所述模块化变频器的输入输出端口，

其中，所述整流监控模块根据内置参数触发软件保护指令，或向系统总线层发送状态信息并接收应用硬件层和控制硬件层中的其他模块对所述整流监控模块控制的指令，然后将所述指令转换成控制信号以发送给所述整流功率模块执行，

所述直流监控模块根据内置参数触发软件保护指令，或向系统总线层发送状态信息并接收应用硬件层和控制硬件层中的其他模块对所述直流监控模块控制的指令，然后将所述指令转换成控制信号以发送给所述直流功率模块执行，

所述逆变监控模块根据内置参数触发软件保护指令，或向系统总线层发送状态信息并接收应用硬件层和控制硬件层中的其他模块对所述逆变监控模块控制的指令，然后将所述指令转换成控制信号以发送给所述逆变功率模块执行，

所述功率硬件层还包括位于所述整流功率模块之前的前置滤波模块，用于抑制由于所述模块化变频器的非线性工作造成的电压和电流谐波分量对主电源电网的污染，从而提高电能质量。

2.根据权利要求1所述的模块化变频器，其特征在于，所述功率硬件层还包括位于所述逆变功率模块之后的后置滤波模块，用于对所述逆变功率模块输出的交流电进行波形整形和滤波，从而降低所述的交流电输出对电机绝缘性能的损坏，并减小电机的热损耗。

3.根据权利要求1所述的模块化变频器，其特征在于，所述散热层为包括散热器和散热风机的散热模块/模块组，用于与所述功率硬件层的散热基板配合，加强所述功率硬件层中的各功率模块的散热能力，从而防止所述各功率模块内部器件过热损坏。

4.根据权利要求1所述的模块化变频器，其特征在于，所述应用硬件层还包括用于接入所述模块化变频器之外的系统网络以实现智能应用的通讯模块。

5.根据权利要求4所述的模块化变频器，其特征在于，所述系统网络是Profibus、以太网或无线网。

6.根据权利要求1所述的模块化变频器，其特征在于，所述整流功率模块、所述直流功率模块和所述逆变功率模块各具备硬件保护功能。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的模块化变频器，其特征在于，所述MCU模块对与所述系统总线层连接的其他模块进行柔性配置，以实现系统优化。

8.根据权利要求1至6中的任一项所述的模块化变频器，其特征在于，所述逆变监控模块或所述逆变功率模块是包括变频控制器和伺服控制器的一组或多组电机控制模块/功率模块。