CN107665009A - 用于实现安全力矩中断功能的装置和包含该装置的变频器 - Google Patents

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    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/569—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection

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Abstract

本发明涉及电力电子技术，特别涉及一种用于实现变频器的安全力矩中断功能的装置以及包含该装置的变频器。按照本发明一个实施例的用于实现变频器（10）的安全力矩中断功能的装置（140）包括m个通断控制单元（1411‑141m），每个通断控制单元（1411‑141m）被配置为根据施加其控制端口上的控制信号对n组驱动信号路径的其中一组的通断进行控制，所述n组驱动信号路径连接在所述变频器（10）的驱动信号源（130）与逆变器单元（120）之间，其中，施加至m个通断控制单元（1411‑141m）的控制信号由至少两个相互独立的控制信号源（STO1，STO2）提供。

Description

用于实现安全力矩中断功能的装置和包含该装置的变频器
技术领域
本发明涉及电力电子技术，特别涉及一种用于实现变频器的安全力矩中断功能的装置以及包含该装置的变频器。
背景技术
变频器是应用变频技术，通过改变电机工作频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要包含整流滤波单元、逆变单元、驱动单元和控制单元等部件。变频器通过控制逆变单元内诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)之类的开关器件的通断，向电机提供可变频率的电压，从而实现调速和转矩控制。在许多应用领域中，为了杜绝不希望或意外的旋转所导致的伤害，需要提供一种在紧急情况下能够停止电机工作的方法。题为“EN61800-5-2：2007”的技术标准将停止驱动电机运行的方法(以下又称为“安全力矩中断”)定义为“能够引起电机旋转的电能没有施加在电机上”。有关安全力矩中断进一步的内容可参见上述技术标准，该标准在此以全文引用方式包含在本说明书中。
在现有技术中，为了实现安全力矩中断，通常在逆变器的控制输入端提供安全力矩中断(STO)控制单元。该单元通过在紧急状态下阻断驱动信号向逆变单元内的开关器件的传输，从而中断能够产生转矩的电机电流的产生。为了满足较高的安全级别，需要以高度可靠的方式提供安全力矩中断功能，即，STO控制单元需要具有非常低的故障概率。
电磁继电器常被用于STO控制单元中的执行元件，其可以为驱动单元提供电气隔离和电平转换。但是电磁继电器存在机械磨损，因此寿命较短且失效概率高。为了克服上述缺点，业界也提出了采用数字电路和控制器来提供高可靠性的安全力矩中断功能的技术方案，但是这类技术方案以增加设计复杂性和设备成本为代价，而且也无法显著降低危险失效的概率。
因此提供一种能够克服上述诸多缺陷的安全力矩中断功能实现装置是一项极具挑战性的任务。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于实现变频器的安全力矩中断功能的装置，其具有实现成本低和可靠性高等优点。
按照本发明一个方面的用于实现变频器的安全力矩中断功能的装置包括m个通断控制单元，每个通断控制单元被配置为根据施加其控制端口上的控制信号对n组驱动信号路径的其中一组的通断进行控制，所述n组驱动信号路径连接在所述变频器的驱动信号源与逆变器单元之间，其中，施加至m个通断控制单元的控制信号由至少两个相互独立的控制信号源提供。
在上述装置中，可以在保持电路结构基本不变的前提下，通过采用不同数量的通断控制单元来提供所需的硬件故障裕度，因此具有良好的灵活性和可扩展性。
优选地，在上述装置中，每个通断控制单元包含多个三态驱动器，每个三态驱动器被设置在一组驱动信号路径的其中一条上，并且该多个三态驱动器共用一个使能端作为控制端口。在上述优选方式中，利用三态驱动器作为控制驱动信号路径的开关器件，既避免了电磁继电器使用寿命短、可靠性差的缺点，又未增加电路的复杂度和制造成本。
优选地，在上述装置中，进一步包括m个光电耦合电路，每个光电耦合电路被设置在各自对应的通断控制单元的控制端与其中一个所述控制信号源之间。
优选地，在上述装置中，每个所述光电耦合电路包含接入所述控制信号源回路的发光二极管和接入各自对应的通断控制单元的控制端所在回路的光耦晶体管。
优选地，在上述装置中，m和n为大于或等于2的整数，并且m的取值根据硬件故障裕度设定。
本发明的另一个目的是提供一种变频器，其具有实现成本低和可靠性高等优点。
按照本发明一个方面的变频器包含：
逆变器单元；以及
驱动信号源，其配置为向所述逆变器单元提供驱动信号，
进一步包含实现变频器的安全力矩中断功能的装置，所述装置包括m个通断控制单元，每个通断控制单元被配置为根据施加其控制端口上的控制信号对n组驱动信号路径的其中一组的通断进行控制，所述n组驱动信号路径连接在驱动信号源与逆变器单元之间，其中，施加至m个通断控制单元的控制信号由至少两个相互独立的控制信号源提供。
附图说明
本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示，附图包括：
图1为按照本发明一个实施例的变频器的框图。
图2为按照本发明另一个实施例的STO控制单元的电路原理图。
图3为按照本发明还有一个实施例的STO控制单元的电路原理图。
图4为按照本发明还有一个实施例的STO控制单元的电路原理图。
具体实施方式
下面参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的上述各实施例旨在使本文的披露全面完整，从而使对本发明保护范围的理解更为全面和准确。
诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。
诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。
以下借助附图具体描述本发明的实施例。
图1为按照本发明一个实施例的变频器的示意图。
图1所示的变频器10包括整流单元110、逆变器单元120、驱动信号源130和用于实现变频器的安全力矩中断功能的装置140，其中整流单元110对交流电源输送的交流电进行整流变换以得到脉动直流电流，逆变器单元120则在来自驱动信号源130的脉宽调制(PWM)驱动信号的控制下，借助于内部的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的闭合和断开操作向电机提供所需电压和频率的电能。在图1所示的变频器10中，逆变器单元120包含6个以三相桥式方式连接在一起的IGBT，每个IGBT的栅极经一条驱动信号路径与驱动信号源130相连，每条驱动信号路径的通断则由用于实现变频器的安全力矩中断功能的装置140控制。在本实施例中，将逆变器单元120与驱动信号源130之间的驱动信号路径分为若干组。以图1所示的实施例为例，逆变器单元120与驱动信号源130之间共计有6条驱动信号路径，这些路径被均分为2组，即图1所示的驱动信号路径组PH和PL。
以下对用于实现变频器的安全力矩中断功能的装置140作进一步的描述。
参见图1，用于实现变频器的安全力矩中断功能的装置140包括m个通断控制单元1411-141m，每个通断控制单元对n组驱动信号路径(图1所示实例中为驱动信号路径组PH和PL)的其中一组的通断独立地进行控制。优选地但非必需的，通断控制单元的数量m可以是驱动信号路径组的数量n的整数倍。从下面将要描述的实施例可以看到，通过改变通断控制单元的数量m能够提供不同的硬件故障裕度。
如图1所示，对于m个通断控制单元，其控制信号由两个相互独立的控制信号源STO1和STO2提供以增加冗余度。需要指出的是，这里所示的控制信号源的数量仅仅是示例性的，1个或多于2个的控制信号源也是可行的。
图2为按照本发明另一个实施例的STO控制单元的电路原理图，该STO控制单元可作为图1所示实施例中的用于实现变频器的安全力矩中断功能的装置140。
图2所示的STO控制单元240包括通断控制单元2411-2414和光电耦合电路2421-2424。如图2所示，控制信号源提供两个独立的输入回路2431和2432。光电耦合电路2421-2424的每一个都包含发光二极管与光耦晶体管，其中，光电耦合电路2421和2422的发光二极管以串联方式接入输入回路2431，光电耦合电路2423和2424的发光二极管以串联方式接入输入回路2432；另一方面，光电耦合电路2421-2424的光耦晶体管的输出信号CH21-CH24分别被输出至相应的通断控制单元的控制端E。
如图2所示，通断控制单元2411-2414的每一个包含3个三态驱动器(图中以三角形示出)，每个三态驱动器包含输入端、输出端和使能端。在本实施例中，优选地但是并非必需地，每个通断控制单元的3个三态驱动器共用一个使能端以简化电路结构。
表1为这种三态驱动器的功能表，其中，H表示高电平状态，L表示低电平状态，Z表示高阻状态。对于每个三态驱动器，当使能端为高电平时，输出端与输入端的电平相同；当使能端为低电平时，三态驱动器则处于高阻状态。
表1
使能端 输入端 输出端
H H H
H L L
L H或L Z
参见图2，三态驱动器的使能端E与各自对应的光电耦合电路中的光耦三极管的集电极相连，输入端和输出端则被接入逆变器单元120与驱动信号源130之间的其中一条驱动信号路径内，由此可通过在使能端E施加低电平信号来阻断驱动信号路径，从而实现安全力矩中断功能。具体而言，在图1所示的变频器10中，逆变器单元120与驱动信号源130之间的6条驱动信号路径被均分为2组驱动信号路径组PH和PL，相应地，如图2所示，通断控制单元2411的每个三态驱动器与通断控制单元2412中对应的三态驱动器串联接入驱动信号路径组PH的其中一条驱动信号路径内，类似地，通断控制单元2413的每个三态驱动器与通断控制单元2414中对应的三态驱动器串联接入驱动信号路径组PL的其中一条驱动信号路径内。
如图2所示,光耦合电路2421-2424的光耦晶体管的输出信号CH21-CH24分别被输出至通断控制单元2411-2414的三态驱动器的使能端E上，每个使能端与接地之间连接有下拉电阻器(图2中以R1、R2、R3、R4示出)。在变频器正常运行期间，STO控制单元240的输入信号使得4个光耦合电路的发光二极管处于正向偏置状态，因此光耦晶体管的输出信号CH21-CH24为高电平，此时通断控制单元2411-2414的三态驱动器全部处于开通状态，驱动信号源130的PWM驱动信号经由各自的驱动信号路径传输到逆变器单元120的相应IGBT。反之，当需要实施安全力矩中断功能时，STO控制单元240的输入信号使得4个光耦合电路的发光二极管中的至少一个处于截止状态，因此光耦晶体管的输出信号CH21-CH24中的至少一个为低电平，此时通断控制单元2411-2414的三态驱动器中至少有一组处于高阻状态，驱动信号源130的PWM驱动信号被阻断。在本实施例中，采用4个独立的光耦合电路以及4个独立的通断控制单元来控制驱动信号路径的通断，硬件故障裕度HFT＝3，也就是说，即使有3个通断控制单元发生故障，仍然可以确保安全力矩中断功能的实现，因此能够完全满足PL e Cat.4和SIL 3的要求。
图3为按照本发明还有一个实施例的STO控制单元的电路原理图，该STO控制单元可作为图1所示实施例中的用于实现变频器的安全力矩中断功能的装置140。
图3所示的STO控制单元340包括通断控制单元3411-3416和光电耦合电路3421-3426。与图2所示的实施例相同，控制信号源提供两个独立的输入回路3431和3432。光电耦合电路3421-3423的发光二极管以串联方式接入输入回路3431，光电耦合电路3424-3426的发光二极管以串联方式接入输入回路3432；另一方面，光电耦合电路3421-3426的光耦晶体管的输出信号CH31-CH36分别被输出至相应的通断控制单元的控制端。
通断控制单元3411-3416的每一个的内部结构和功能表与图2所示实施例的相同，此处不再赘述。
参见图3，与图2所示实施例类似，每个三态驱动器的使能端E与各自对应的光电耦合电路中的光耦三极管的集电极相连，输入端和输出端则被接入逆变器单元120与驱动信号源130之间的其中一条驱动信号路径内。具体而言，通断控制单元3411的每个三态驱动器与通断控制单元3412和3413中对应的三态驱动器串联接入驱动信号路径组PH的其中一条驱动信号路径内，类似地，通断控制单元3414的每个三态驱动器与通断控制单元3415和3416中对应的三态驱动器串联接入驱动信号路径组PL的其中一条驱动信号路径内。
在图3所示的实施例中,光耦合电路3421-3426的光耦晶体管的输出信号CH31-CH36分别被输出至通断控制单元3411-3416的三态驱动器的使能端E上，每个使能端与接地之间连接有下拉电阻器(图3中以R1、R2、R3、R4、R5、R6示出)。在变频器正常运行期间，STO控制单元340的输入信号使得6个光耦合电路的发光二极管处于正向偏置状态，因此光耦晶体管的输出信号CH31-CH36为高电平，此时通断控制单元3411-3416的三态驱动器全部处于开通状态，驱动信号源130的PWM驱动信号经由各自的驱动信号路径传输到逆变器单元120的相应IGBT。反之，当需要实施安全力矩中断功能时，STO控制单元340的输入信号使得6个光耦合电路的发光二极管中的至少一个处于截止状态，因此光耦晶体管的输出信号CH31-CH34中的至少一个为低电平，此时通断控制单元3141-3416的三态驱动器中至少有一组处于高阻状态，驱动信号源130的PWM驱动信号被阻断。在本实施例中，采用6个独立的光耦合电路以及6个独立的通断控制单元来控制驱动信号路径的通断，硬件故障裕度HFT＝5，也就是说，即使有5个通断控制单元发生故障，仍然可以确保安全力矩中断功能的实现，完全能够满足PL e Cat.4和SIL 3的要求。
图4为按照本发明还有一个实施例的STO控制单元的电路原理图，该STO控制单元可作为图1所示实施例中的用于实现变频器的安全力矩中断功能的装置140。
图4所示的STO控制单元440包括通断控制单元4411、4412和光电耦合电路4421、4422。与图2和3所示的实施例相同，控制信号源提供两个独立的输入回路4431和4432。光电耦合电路4421的发光二极管接入输入回路4431，光电耦合电路4422的发光二极管接入输入回路4432；另一方面，光电耦合电路4421-4422的光耦晶体管的输出信号CH41、CH42分别被输出至相应的通断控制单元的控制端。
通断控制单元4411、4412的每一个的内部结构和功能表与图2所示实施例的相同，此处不再赘述。
参见图4，与图2和3所示实施例类似，每个三态驱动器的使能端E与各自对应的光电耦合电路中的光耦三极管的集电极相连，输入端和输出端则被接入逆变器单元120与驱动信号源130之间的其中一条驱动信号路径内。具体而言，通断控制单元4411的每个三态驱动器接入驱动信号路径组PH的其中一条驱动信号路径内，类似地，通断控制单元4412的每个三态驱动器接入驱动信号路径组PL的其中一条驱动信号路径内。
在图4所示的实施例中,光耦合电路4421、4422的光耦晶体管的输出信号CH41、CH42分别被输出至通断控制单元4411、4412的三态驱动器的使能端E上，每个使能端与接地之间连接有下拉电阻器(图4中以R1、R2示出)。在变频器正常运行期间，STO控制单元440的输入信号使得2个光耦合电路的发光二极管处于正向偏置状态，因此光耦晶体管的输出信号CH41、CH42为高电平，此时通断控制单元4411、4412的三态驱动器全部处于开通状态，驱动信号源130的PWM驱动信号经由各自的驱动信号路径传输到逆变器单元120的相应IGBT。反之，当需要实施安全力矩中断功能时，STO控制单元440的输入信号使得2个光耦合电路的发光二极管中的至少一个处于截止状态，因此光耦晶体管的输出信号CH41、CH42中的至少一个为低电平，此时通断控制单元4411、4412的三态驱动器中至少有一组处于高阻状态，驱动信号源130的PWM驱动信号被阻断。在本实施例中，采用2个独立的光耦合电路以及2个独立的通断控制单元来控制驱动信号路径的通断，硬件故障裕度HFT＝1，也就是说，有1个通断控制单元发生故障时仍然可以确保安全力矩中断功能的实现，完全能够满足PL d Cat.3和SIL 2的要求。
需要指出的是，上面所述实施例中的通断控制单元的数量以及每个单元内的三态驱动器的数量仅仅是示例性的，其可以是大于或等于2任意整数。有上面所述的实施例可见，可以通过选取合适数量的通断控制单元，提供具有所需硬件故障裕度的用于实现变频器的安全力矩中断功能的装置。
虽然已经展现和讨论了本发明的一些方面，但是本领域内的技术人员应该意识到：可以在不背离本发明原理和精神的条件下对上述方面进行改变，因此本发明的范围将由权利要求以及等同的内容所限定。

Claims (10)

1.一种用于实现变频器(10)的安全力矩中断功能的装置(140)，其特征在于，所述装置(140)包括m个通断控制单元(1411-141m)，每个通断控制单元(1411-141m)被配置为根据施加其控制端口上的控制信号对n组驱动信号路径的其中一组的通断进行控制，所述n组驱动信号路径连接在所述变频器(10)的驱动信号源(130)与逆变器单元(120)之间，其中，施加至m个通断控制单元(1411-141m)的控制信号由至少两个相互独立的控制信号源(STO1，STO2)提供。
2.如权利要求1所述的装置，其中，每个通断控制单元(1411-141m)包含多个三态驱动器，每个三态驱动器被设置在一组驱动信号路径的其中一条上，并且该多个三态驱动器共用一个使能端(E)作为控制端口。
3.如权利要求1所述的装置，进一步包括m个光电耦合电路，每个光电耦合电路被设置在各自对应的通断控制单元的控制端与其中一个所述控制信号源(STO1，STO2)之间。
4.如权利要求3所述的装置，其中，每个所述光电耦合电路包含接入所述控制信号源回路的发光二极管和接入各自对应的通断控制单元的控制端所在回路的光耦晶体管。
5.如权利要求1所述的装置，其中，m和n为大于或等于2的整数，并且m的取值根据硬件故障裕度设定。
6.一种变频器(10)，包含：
逆变器单元(120)；以及
驱动信号源(130)，其配置为向所述逆变器单元(120)提供驱动信号，
其特征在于，进一步包含实现变频器的安全力矩中断功能的装置(140)，所述装置(140)包括m个通断控制单元(1411-141m)，每个通断控制单元被配置为根据施加其控制端口上的控制信号对n组驱动信号路径的其中一组的通断进行控制，所述n组驱动信号路径连接在驱动信号源(130)与逆变器单元(120)之间，其中，施加至m个通断控制单元(1411-141m)的控制信号由至少两个相互独立的控制信号源(STO1，STO2)提供。
7.如权利要求6所述的变频器，其中，每个通断控制单元(1411-141m)包含多个三态驱动器，每个三态驱动器被设置在一组驱动信号路径的其中一条上，并且该多个三态驱动器共用一个使能端(E)作为控制端口。
8.如权利要求6所述的变频器，其中，所述装置进一步包括m个光电耦合电路，每个光电耦合电路被设置在各自对应的通断控制单元的控制端与其中一个所述控制信号源(STO1，STO2)之间。
9.如权利要求8所述的变频器，其中，每个所述光电耦合电路包含接入所述控制信号源回路的发光二极管和接入各自对应的通断控制单元的控制端所在回路的光耦晶体管。
10.如权利要求6所述的变频器，其中，m和n为大于或等于2的整数，并且m的取值根据硬件故障裕度设定。
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