CN107689764B - 带安全转矩关断功能的变频器控制装置以及安全变频器系统 - Google Patents

带安全转矩关断功能的变频器控制装置以及安全变频器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种带安全转矩关断功能的变频器控制装置，包括控制信号发生模块11、逆变器PWM输出缓冲模块12、逆变桥驱动模块13、驱动电源14，控制信号发生模块11产生用于控制逆变桥2的控制信号，逆变器PWM输出缓冲模块12用于将所述控制信号输入到逆变桥驱动模块13，逆变桥驱动模块13由所述驱动电源14供电，根据所述控制信号，控制所述逆变桥2中桥臂的导通和关断，变频器的安全信号输入所述驱动电源14，并通过光电隔离模块15输入所述控制信号发生模块11和逆变器PWM输出缓冲模块12，安全信号为允许变频器驱动负载的信号，安全信号作为使能信号控制所述驱动电源14的供电，控制控制信号发生模块11和逆变器PWM输出缓冲模块12输出所述控制信号。

Description

带安全转矩关断功能的变频器控制装置以及安全变频器系统
技术领域
本发明属于变频器逆变电路的控制技术领域，尤其涉及防止电机等意外启动的安全转矩关断技术。
背景技术
在利用变频器驱动电机的应用中，为了避免电机意外启动，可以通过撤除电机的驱动电源来实现。根据EN 61800-5-2的要求，这类变频器应具备安全转矩关断功能。安全转矩关断功能要求此时能够禁止控制电源对逆变器中功率半导体的供电，以便阻止变频器输出电源而使电机发生意外旋转。
目前，大部分变频器中没有内置安全转矩关断功能，只是在变频器外部设置相关功能电路，比如增加安全转矩关断功能模块和变频器输出接触器，在需要时切断变频器输出接触器。这种解决方案在大功率电机，尤其是同步电机应用中可能存在缺陷，比如在变频器输出低频交流电流或直流电流时断开输出接触器，可能导致接触器拉弧或者损坏变频器。另外，这种解决方案也增加了系统成本。
一般变频器内置的安全转矩关断功能仅仅是停止逆变器中功率半导体的控制电源，而一般控制电源中都设置了较大容量的电容进行滤波，这就会导致门极电源掉电时间较长，进而加长了停机时间。
有一些变频器内置的安全转矩关断功能还需要2个输入信号，一个信号用来禁止功率半导体的控制电源，另一个信号用来禁止数字信号处理器的PWM输出，电路复杂，且需要软件参与控制，存在可靠性不高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带安全转矩关断功能的变频器控制装置以及安全变频器，旨在解决现有安全转矩关断电路存在的电路复杂、关断时间较长、硬件成本高等问题。
本发明的第一技术方案为带安全转矩关断功能的变频器控制装置，该变频器控制装置与变频器的逆变桥连接，通过控制逆变桥桥臂的导通和关断，使所述变频器驱动负载，其特征在于包括，控制信号发生模块(11)、缓冲模块(12)、逆变桥驱动模块(13)、驱动电源(14)，
所述控制信号发生模块(11)产生用于控制逆变桥(2)的控制信号，
所述缓冲模块(12)用于将所述控制信号输入到逆变桥驱动模块(13)，
所述逆变桥驱动模块(13)由所述驱动电源(14)供电，根据所述控制信号，控制所述逆变桥(2)中桥臂的导通和关断，
变频器的安全信号输入所述驱动电源(14)，并通过光电隔离模块(15)输入所述控制信号发生模块(11)和所述缓冲模块(12)，
所述安全信号为允许变频器驱动负载的信号，
所述安全信号作为使能信号控制所述驱动电源(14)的供电，控制所述控制信号发生模块(11)和所述缓冲模块(12)输出所述控制信号。
第二技术方案基于第一技术方案，其特征在于，所述驱动电源(14)包括第一稳压模块(141)、第二稳压模块(146)、PWM控制模块(142)、逆变电路模块(143)、高频隔离变压器模块(144)、整流模块(145)，
所述PWM控制模块(142)输出频率及占空比均固定的PWM信号，用所述PWM信号驱动所述逆变电路模块(143)桥臂的导通和关断，所述逆变电路模块(143)由所述第二稳压模块(146)供电，产生的高频交流电经所述高频隔离变压器模块(144)电气隔离后，由整流模块(145)整流成电压一定的直流电，用于对所述逆变桥驱动模块(13)供电，
所述PWM控制模块(142)由所述第一稳压模块(141)供电，
所述第一稳压模块(141)的输入电源由所述安全信号获取，
所述第二稳压模块(146)的输入电源由变频器内部的低压电源获取，
所述安全信号作为使能信号，控制所述第一稳压模块(141)和所述第二稳压模块(146)的供电。
第三技术方案基于第二技术方案，其特征在于，所述第二稳压模块(146)的输入电源由所述安全信号获取。
第四技术方案基于第二技术方案，其特征在于，逆变桥(2)的各个桥臂由对应的所述逆变桥驱动模块(13)驱动，各个逆变桥驱动模块(13)设置有单独的高频隔离变压器模块(144)和整流模块(145)，各个高频隔离变压器模块(144)的原边与所述逆变电路模块(143)的输出连接，由所述逆变电路模块(143)统一供电。
第五技术方案基于第四技术方案，其特征在于，所述第一稳压模块(141)为线性稳压模块或DC/DC稳压模块；所述第二稳压模块(146)线性稳压模块或DC/DC稳压模块。
第六技术方案基于第五技术方案，其特征在于，
所述PWM控制模块(142)为半桥PWM控制模块，所述逆变电路模块(143)为半桥电路模块。
第七技术方案基于第五技术方案，其特征在于，
所述PWM控制模块(142)为全桥PWM控制模块，所述逆变电路模块(143)为全桥电路模块。
第八技术方案基于第一至第七技术方案中的任一项，其特征在于，
所述逆变桥驱动模块(13)为带电气隔离的驱动模块。
第九技术方案为安全变频器系统，其特征在于，包括变频器和变频器控制装置，所述变频器控制装置为第一至第八技术方案中的任一带安全转矩关断功能的变频器控制装置(1)。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为带安全转矩关断功能的变频器控制装置的结构框图；
图2是实施例的结构框图。
具体实施方式
本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。
图1为带安全转矩关断功能的变频器控制装置的结构框图。如图1所示，带安全转矩关断功能的变频器控制装置1与变频器的IGBT逆变桥2连接，控制IGBT逆变桥2各桥臂的导通和关断驱动负载的电机。作为变频器可以是普通的三相变频器或由多个功率单元串联构成的级联型多电平变频器，对变频器的形式没有限制。
变频器控制装置1具有数字信号处理器模块(控制信号发生模块)11、逆变器PWM输出缓冲模块(缓冲模块)12、IGBT隔离驱动及保护模块(逆变桥驱动模块)13、驱动电源14、光电隔离模块15。
数字信号处理器模块11为变频器数字化控制的核心，产生和输出用于控制IGBT逆变桥2的控制信号。控制信号由逆变器PWM输出缓冲模块12输入IGBT隔离驱动及保护模块13。IGBT隔离驱动及保护模块13与IGBT逆变桥2连接，驱动IGBT逆变桥2各桥臂的导通和关断，IGBT隔离驱动及保护模块13的高压驱动电源由驱动电源14提供。
驱动电源14包括线性稳压模块(第一稳压模块)141、DC/DC稳压模块(第二稳压模块)146、半桥PWM控制模块(PWM控制模块)142、半桥电路模块(逆变电路模块)143、高频隔离变压器模块144、整流模块145。
半桥PWM控制模块142输出频率及占空比均固定的2路互补的PWM信号用于驱动半桥电路模块143中的2只MOSFET(桥臂)的导通和关断，
半桥电路模块143由DC/DC稳压模块146供电，产生的高频交流电经高频隔离变压器模块144电气隔离后，由整流模块145整流成电压一定的直流电，为IGBT隔离驱动及保护模块13供电。
半桥PWM控制模块142由线性稳压模块141供电。由于半桥PWM控制模块142所需的电流较小，线性稳压模块141既可以以变频器内部的低压电源作为其输入电源也可以利用安全信号作为其输入电源。
DC/DC稳压模块146以变频器内部的低压电源为输入电源，通过电压调整，为半桥电路模块143提供电源。
DC/DC稳压模块146也可用线性稳压电源替代。
线性稳压模块141和DC/DC稳压模块146输入变频器的安全信号，该安全信号作为使能信号控制线性稳压模块141和DC/DC稳压模块146的电源输出。
安全信号通过光电隔离模块(15)转换为低压安全信号送往数字信号处理器模块11和逆变器PWM输出缓冲模块12，由低压安全信号控制数字信号处理器模块11和逆变器PWM输出缓冲模块12输出IGBT逆变桥2的控制信号。
以上是本发明的带安全转矩关断功能的变频器控制装置的具体实施方式，由上可知，安全信号输入变频器控制装置1时，线性稳压模块141和DC/DC稳压模块146输出电压，半桥PWM控制模块142产生输出频率及占空比均固定的2路互补的PWM信号驱动半桥电路模块143中的2只MOSFET(桥臂)的导通和关断，在高频隔离变压器模块144的原边产生交流供电，该交流供电高频隔离变压器模块144电气隔离和整流模块145整流后，对IGBT隔离驱动及保护模块13供电。同时，安全信号作为使能信号使数字信号处理器模块11和逆变器PWM输出缓冲模块12输出控制信号，控制IGBT隔离驱动及保护模块13驱动IGBT逆变桥2中桥臂的导通和关断。
安全信号的输入中断时，数字信号处理器模块11和逆变器PWM输出缓冲模块12停止输出控制信号，并且线性稳压模块141和DC/DC稳压模块146停止输出电压，半桥PWM控制模块142和半桥电路模块143停止工作，IGBT隔离驱动及保护模块13停止对IGBT逆变桥2的驱动，电机停止转动，实现了安全转矩关断功能。与仅仅停止逆变器中功率半导体的控制电源相比，本发明的关断时间可以控制在100us左右，实现了快速关断转矩的目的；同时，本发明的装置采用电源和控制信号双封锁的结构，并且每种封锁结构中均有2个不同的回路，即共有4个冗余设计，有效的保证了可靠关断。解决现有的安全转矩关断电路存在的电路复杂、关断时间较长、硬件成本高、可靠性低等问题。
由于门极开关电源采用稳压电源+固定占空比方案来实现高频隔离变压器144次边电压的间接控制，电路形式简单可靠。
在以上实施方式中，驱动电源14的电路中采用了半桥PWM控制模块142和半桥电路模块143，但也可以用全桥PWM控制模块和全桥电路模块143替代半桥PWM控制模块142和半桥电路模块143，其效果是一样的。
带安全转矩关断功能的变频器控制装置1与变频器结合能够构成安全变频器系统。
以下对本发明的实施例进行说明。
图2是实施例的结构框图。
在图2的实施例中，由三端稳压器141替代图1中的线性稳压模块；由使能电路和DC/DC稳压芯片构成的电路替代图1中的DC/DC稳压模块；由光电隔离电路15替代图1中的光电隔离模块；由数字信号处理器11替代图1中的数字信号处理器模块；由半桥PWM控制器142替代图1中的半桥控制模块；由逆变器PWM输出缓冲电路12替代图1中的逆变器PWM输出缓冲模块；由半桥电路143替代图1中的半桥电路模块；由多个高频隔离变压器组成的高频隔离变压器组144替代图1中的高频隔离变压器模块：由多个整流电路组成的整流电路组145替代图1中高频变压器模块；由多个IGBT隔离驱动与保护电路组成的驱动电路组13替代图1中的IGBT隔离驱动及保护模块。
DC/DC稳压芯片的输入电源为变频器内部的低压直流电源；三端稳压器141以安全信号作为输入电源。所有电路的作用与图1中对应模块的作用相同，在此不再赘述。
以下对变压器组144、整流电路组145以及驱动电路组13进行说明。
在图2的实施例中，IGBT逆变桥2包含多个IGBT开关元件(1～n)，各个IGBT开关元件(1～n)由对应的IGBT隔离驱动与保护电路(1～n)驱动，每个IGBT隔离驱动与保护电路(1～n)有对应的整流电路和变压器供电。即，各个高频隔离变压器的原边与半桥电路143连接，由开关电源统一供电。
实施例除具有与实施方式相同的效果外，由于多路门极驱动电路公用一个开关电源电路，仅需要为各自驱动电路配置单独的高频隔离变压器和整流模块即可，不仅布线方便，也降低了电源电路的复杂性，提高了系统的可靠性。

Claims (8)

1.带安全转矩关断功能的变频器控制装置，该变频器控制装置与变频器的逆变桥连接，通过控制逆变桥桥臂的导通和关断，使所述变频器驱动负载，其特征在于变频器控制装置包括，控制信号发生模块(11)、缓冲模块(12)、逆变桥驱动模块(13)、驱动电源(14)，
所述控制信号发生模块(11)产生用于控制逆变桥(2)的控制信号，
所述缓冲模块(12)用于将所述控制信号输入到逆变桥驱动模块(13)，
所述逆变桥驱动模块(13)由所述驱动电源(14)供电，根据所述控制信号，控制所述逆变桥(2)中桥臂的导通和关断，
变频器的安全信号输入所述驱动电源(14)，并通过光电隔离模块(15)输入所述控制信号发生模块(11)和所述缓冲模块(12)，
所述安全信号为允许变频器驱动负载的信号，
所述安全信号作为使能信号控制所述驱动电源(14)的供电，控制所述控制信号发生模块(11)和所述缓冲模块(12)输出所述控制信号，
所述驱动电源(14)包括第一稳压模块(141)、第二稳压模块(146)、PWM控制模块(142)、逆变电路模块(143)、高频隔离变压器模块(144)、整流模块(145)，
所述PWM控制模块(142)输出频率及占空比均固定的PWM信号，用所述PWM信号驱动所述逆变电路模块(143)桥臂的导通和关断，所述逆变电路模块(143)由所述第二稳压模块(146)供电，产生的高频交流电经所述高频隔离变压器模块(144)电气隔离后，由整流模块(145)整流成电压一定的直流电，用于对所述逆变桥驱动模块(13)供电，
所述PWM控制模块(142)由所述第一稳压模块(141)供电，
所述第一稳压模块(141)的输入电源由所述安全信号获取，
所述第二稳压模块(146)的输入电源由变频器内部的低压电源获取，
所述安全信号作为使能信号，控制所述第一稳压模块(141)和所述第二稳压模块(146)的供电。
2.根据权利要求1所述的带安全转矩关断功能的变频器控制装置，其特征在于，所述第二稳压模块(146)的输入电源由所述安全信号获取。
3.根据权利要求1所述的带安全转矩关断功能的变频器控制装置，其特征在于，逆变桥(2)的各个桥臂由对应的所述逆变桥驱动模块(13)驱动，各个逆变桥驱动模块(13)设置有单独的高频隔离变压器模块(144)和整流模块(145)，各个高频隔离变压器模块(144)的原边与所述逆变电路模块(143)的输出连接，由所述逆变电路模块(143)统一供电。
4.根据权利要求3所述的带安全转矩关断功能的变频器控制装置，其特征在于，所述第一稳压模块(141)为线性稳压模块或DC/DC稳压模块；所述第二稳压模块(146)线性稳压模块或DC/DC稳压模块。
5.根据权利要求4所述的带安全转矩关断功能的变频器控制装置，其特征在于，
所述PWM控制模块(142)为半桥PWM控制模块，所述逆变电路模块(143)为半桥电路模块。
6.根据权利要求4所述的带安全转矩关断功能的变频器控制装置，其特征在于，
所述PWM控制模块(142)为全桥PWM控制模块，所述逆变电路模块(143)为全桥电路模块。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的带安全转矩关断功能的变频器控制装置，其特征在于，
所述逆变桥驱动模块(13)为带电气隔离的驱动模块。
8.安全变频器系统，其特征在于，包括变频器和变频器控制装置，所述变频器控制装置为权利要求1至7中任一项带安全转矩关断功能的变频器控制装置(1)。
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