CN115483850A - 电机安全转矩关断及封星装置 - Google Patents

电机安全转矩关断及封星装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电机安全转矩关断及封星装置，包括软启动回路、软启动驱动回路、STO单元、控制器、逆变器驱动回路，所述软启动回路由限流电阻、第一功率器件、第二功率器件组成，所述限流电阻与所述第一功率器件串联，串联后的所述限流电阻和所述第一功率器件与所述第二功率器件并联，所述STO单元用于控制所述软启动驱动回路的电源输入，所述软启动驱动回路根据所述控制器输出的软启动驱动信号对所述软启动回路中的所述第一功率器件和所述第二功率器件进行通断控制，所述逆变器驱动回路根据所述控制器的封星指令对逆变器的上三路器件和下三路器件进行通断控制。本发明可以保证安全转矩关断功能和封星功能同时进行且互不干涉。

Description

电机安全转矩关断及封星装置
技术领域
本发明涉及电机控制领域，特别属于一种电机安全转矩关断及封星装置，该装置具有软启动功能。
背景技术
在电机驱动和电梯控制等场合中，对系统安全的要求越来越高，其中安全转矩切断(STO，Safe Torque Off)和封星已成为必备的安全功能。
目前，实现安全转矩切断功能的常见技术方案是通过运行接触器。随着竞争加剧，低成本、小体积的STO方案(如功能安全装置或安全电路装置)引起越来越多的关注，比较常见的STO方案是利用电机控制器关断逆变桥臂驱动信号(切断驱动信号电源和/或闭锁驱动信号输出)来实现安全转矩关断功能。
随着永磁同步电机的广泛应用，对电机起保护作用的封星控制电路也被广泛研究。封星功能旨在通过短接同步电机三相绕组线圈形成星型闭合回路(又称封星)，此时电机的机械能将转化为电能，这部分电能将由星型闭合回路消耗，从而起到制动的作用。在电梯行业，封星功能一直被作为安全保护功能使用，甚至部分地方检验机构要求永磁同步无齿轮电梯必须具备封星功能。目前，在现有的封星方案中，比较常见的有使用接触器进行封星(通常称为硬封星方案)，但是由于接触器封星方案在成本和体积上不占优势，因此借助逆变桥臂的功率器件构成封星回路的方案(通常称为软封星方案)开始受到青睐，具体就是开通三相逆变桥臂的上三路器件或下三路器件形成封星回路以制动电机。
电机控制器在实现安全转矩关断功能时，通常需要关断逆变桥臂的驱动信号输出。但是，在使用软封星方案实现封星功能时，则需要开通三相逆变桥臂的上三路器件或下三路器件，由此可见封星功能的实现与上述安全转矩关断功能存在冲突，这就导致无法同时实现安全转矩关断功能和封星功能。
公告号为CN205301943U的专利文献中，提出了STO与封星同时实现的控制方法，即闭锁三相逆变桥臂的上三路器件驱动以实现安全转矩关断，同时开通下三路器件驱动以实现封星保护功能。该方案通过纯硬件隔离电路实现转矩切断，并可以与封星功能很好地结合，但是由于并未完全断开逆变桥臂全部功率器件的驱动信号，部分器件仍处于导通状态，因此有可能在认证审查阶段耗费较长的时间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电机安全转矩关断及封星装置，可以解决现有技术中安全转矩关断功能与封星功能需要同时实现时存在冲突的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种电机安全转矩关断及封星装置，其特征在于，包括软启动回路、软启动驱动回路、STO单元、控制器、逆变器驱动回路，所述软启动回路由限流电阻、第一功率器件、第二功率器件组成，所述限流电阻与所述第一功率器件串联，串联后的所述限流电阻和所述第一功率器件与所述第二功率器件并联，所述STO单元用于控制所述软启动驱动回路的电源输入，所述软启动驱动回路根据所述控制器输出的软启动驱动信号对所述软启动回路中的所述第一功率器件和所述第二功率器件进行通断控制，所述逆变器驱动回路根据所述控制器的封星指令对逆变器的上三路器件和下三路器件进行通断控制。
进一步地，所述STO单元连接到安全转矩关断信号源，如果所述安全转矩关断信号源输出的两个STO安全输入信号正常(即两个信号都为正常)，上电时，所述STO单元输出所述软启动驱动回路的电源，所述控制器输出第一导通信号至所述软启动驱动回路，所述软启动驱动回路根据所述第一导通信号控制所述第一功率器件导通，而所述第二功率器件处于关断状态；软启动(即母线电容充电)结束时，所述控制器输出第二导通信号至所述软启动驱动回路，所述软启动驱动回路根据所述第二导通信号控制所述第二功率器件导通。第二功率器件导通后，第一功率器件随之关断。
进一步地，上电时，当所述第一功率器件导通后，交流电网输入的交流电经过整流桥，由所述限流电阻与母线电容形成RC回路进行充电；软启动结束时，当所述第二功率器件导通后，交流电网输入的交流电直接经所述整流桥向所述母线电容供电。
进一步地，所述母线电容由第一电容和第二电容串联组成。
进一步地，当所述安全转矩关断信号源输出的两个STO安全输入信号异常(即任一信号异常)时，所述STO单元切断所述软启动驱动回路的电源，所述第一功率器件和所述第二功率器件处于关断状态。
进一步地，当所述安全转矩关断信号源输出的两个STO安全输入信号异常时，所述STO单元还向所述控制器发送STO反馈信号，所述控制器收到所述STO反馈信号后控制所述逆变器驱动回路不再向所述逆变器发送驱动信号。
进一步地，所述第一电容和所述第二电容均并联一个均压电阻。
进一步地，当所述控制器输出封星指令时，所述逆变器驱动回路根据接收到的所述封星指令向所述逆变器的上三路器件和下三路器件中的二者之一发送导通信号，同时向另一个发送关断信号。
进一步地，所述软启动驱动回路由隔离光耦组成，或者为隔离变压器或数字隔离器。
与现有技术相比，本发明取得的有益技术效果在于：
第一，本发明在发生意外故障、电机需要关断力矩输出时，STO单元直接切断软启动驱动回路的电源，这样可以关断软启动回路中的两个功率器件的驱动，使得电机无法从交流电网输入端获得能量，从而实现安全转矩关断功能；
第二，本发明进行封星时，由于STO单元不再影响逆变器的驱动电源或驱动信号，因此封星功能不会受到安全转矩关断功能的影响，无论是否进行安全转矩关断，逆变器驱动回路都可以根据封星指令导通逆变器的上三路器件或下三路器件实现封星，这样就可以保证安全转矩关断功能和封星功能同时进行，互不干涉；
第三，本发明在变频器上电时利用限流电阻实现软启动功能，从而避免上电瞬间出现的浪涌冲击电流而导致设备过流故障。
附图说明
图1为本发明实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可以由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，本领域技术人员在不背离本发明的精神下可以进行各种类似推广和替换。
本发明实施例的电机安全转矩关断及封星装置，如图1所示，包括软启动回路、软启动驱动回路11、STO单元12、控制器13、逆变器驱动回路14，所述软启动回路由限流电阻R1、第一功率器件Q1、第二功率器件Q2组成，所述限流电阻R1与所述第一功率器件Q1串联，串联后的所述限流电阻R1和所述第一功率器件Q1与所述第二功率器件Q2并联，所述STO单元12用于控制所述软启动驱动回路11的电源输入，所述软启动驱动回路11根据所述控制器13输出的软启动驱动信号对所述软启动回路中的所述第一功率器件Q1和所述第二功率器件Q2进行通断控制，所述逆变器驱动回路14根据所述控制器13的封星指令对逆变器15的上三路器件和下三路器件进行通断控制。控制器13负责整个装置的驱动信号，包括逆变器三相桥臂的驱动信号、软启动回路中两个功率器件的开关信号。
其中，所述STO单元12连接到安全转矩关断信号源，如果所述安全转矩关断信号源输出的两个STO安全输入信号STO1、STO2正常，图1中的变频器(含有整流电路的交流电源供电的电力电子变换设备，整流电路通常为二极管整流桥)上电时，所述STO单元12输出所述软启动驱动回路11的电源，所述控制器13输出第一导通信号至所述软启动驱动回路11，所述软启动驱动回路11根据所述第一导通信号控制所述第一功率器件Q1导通，而所述第二功率器件Q2处于关断状态，此时交流电网三相输入R/S/T经过整流桥16对整个变频器进行供电，由所述限流电阻R1与母线电容形成RC回路进行充电。软启动结束时，即母线电容的电压充电至某一高值后，所述控制器13输出第二导通信号至所述软启动驱动回路11，所述软启动驱动回路11根据所述第二导通信号控制所述第二功率器件Q2导通，第二功率器件Q2导通后，第一功率器件Q1随之关断，此时交流电网输入的交流电直接经所述整流桥16向所述母线电容供电。
当所述安全转矩关断信号源输出的两个STO安全输入信号STO1、STO2异常时，所述STO单元12切断所述软启动驱动回路11的电源，所述第一功率器件Q1和所述第二功率器件Q1处于关断状态，此时电机就无法从交流电网输入端获取能量，实现安全转矩关断。
当所述控制器13输出封星指令时，所述逆变器驱动回路14根据接收到的所述封星指令向所述逆变器15的上三路器件和下三路器件中的二者之一发送导通信号，同时向另一个发送关断信号。
如图1所示，交流电网三相输入R/S/T经过整流桥16对电机进行供电。
整流桥16后级的第一电阻R1、第一功率器件Q1和第二功率器件Q2构成了软启动回路。对软启动回路中的功率器件进行控制的软启动驱动回路11通常由隔离光耦组成，也可以是隔离变压器或是数字隔离器。
母线电容通常由第一电容C1、第二电容C2串联组成，用于应对母线高压。通常，母线电容的每个电容还会配置均压电阻R2、R3，每个电容并联一个均压电阻，用于均衡电容C1、C2的电压。
如图1所示，母线电容后是逆变桥15，逆变桥15根据控制器13的驱动信号，输出变频电压驱动电机。
STO单元12根据两个STO安全输入信号STO1和STO2，控制软启动回路的驱动电源输出。
当STO安全输入信号STO1、STO2都正常时(即未出现异常状态，电机可正常运行)，STO单元12输出驱动电源至软启动驱动回路11，软启动驱动回路11根据控制器13输出的驱动信号，对功率器件Q1、Q2进行通断控制。具体地，上电时在控制器13的控制下，软启动驱动回路11先驱动第一功率器件Q1导通，此时限流电阻R1和母线电容形成RC回路进行充电；当母线电容的电压充电至某一高值后，软启动驱动回路11在控制器13的控制下驱动第二功率器件Q2导通，第一功率器件Q1断开。第二功率器件Q2导通后，交流电网直接经整流桥向母线电容供电。这样，在上电时通过限流电阻实现软启动功能，可以避免因母线初始电压为零而在上电瞬间出现的浪涌冲击电流导致设备过流故障。
当STO安全输入信号STO1、STO2异常时(即出现异常状态，电机需关断力矩输出)，STO单元不再像传统方式作用于逆变器的各个器件，而是切断软启动驱动回路11的电源，此时第一功率器件Q1和第二功率器件Q2均处于关断状态，电机无法从交流电网输入端获取能量。同时STO单元12向控制器13发送STO反馈信号STO_FB，控制器13收到该信号后不再向逆变器15发送驱动信号，或是控制器13发送封星指令，逆变器驱动回路14向逆变器15上三路器件(或下三路器件)发送到导通信号，向逆变器15的下三路器件(或上三路器件)发送关断信号。因此在发生意外故障、电机需要关断力矩输出时，STO单元直接切断软启动驱动回路的电源，这样可以关断软启动回路中的两个功率器件的驱动，使得电机无法从交流电网输入端获得能量，从而实现安全转矩关断功能。
无论STO单元是否进行安全转矩关断动作，逆变器驱动回路14均可根据封星指令，导通逆变器15的上三路器件(或下三路器件)进行封星。
本发明进行封星时，由于STO单元不再影响逆变器的驱动电源或驱动信号，因此封星功能不会受到安全转矩关断功能的影响，无论是否进行安全转矩关断，逆变器驱动回路都可以根据封星指令导通逆变器的上三路器件或下三路器件实现封星，这样就可以保证安全转矩关断功能和封星功能同时进行，互不干涉。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，本发明并不局限于上述实施方式。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员做出的等效置换和改进，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。

Claims (10)

1.一种电机安全转矩关断及封星装置，其特征在于，包括软启动回路、软启动驱动回路、STO单元、控制器、逆变器驱动回路，所述软启动回路由限流电阻、第一功率器件、第二功率器件组成，所述限流电阻与所述第一功率器件串联，串联后的所述限流电阻和所述第一功率器件与所述第二功率器件并联，所述STO单元用于控制所述软启动驱动回路的电源输入，所述软启动驱动回路根据所述控制器输出的软启动驱动信号对所述软启动回路中的所述第一功率器件和所述第二功率器件进行通断控制，所述逆变器驱动回路根据所述控制器的封星指令对逆变器的上三路器件和下三路器件进行通断控制。
2.根据权利要求1所述的电机安全转矩关断及封星装置，其特征在于，所述STO单元连接到安全转矩关断信号源，如果所述安全转矩关断信号源输出的两个STO安全输入信号正常，上电时，所述STO单元输出所述软启动驱动回路的驱动电源，所述控制器输出第一导通信号至所述软启动驱动回路，所述软启动驱动回路根据所述第一导通信号控制所述第一功率器件导通，所述第二功率器件处于关断状态，软启动结束时，所述控制器输出第二导通信号至所述软启动驱动回路，所述软启动驱动回路根据所述第二导通信号控制所述第二功率器件导通，第一功率器件关断。
3.根据权利要求2所述的电机安全转矩关断及封星装置，其特征在于，上电时，当所述第一功率器件导通后，交流电网输入的交流电经过整流桥，由所述限流电阻与母线电容形成RC回路进行充电；软启动结束时，当所述第二功率器件导通后，交流电网输入的交流电直接经所述整流桥向所述母线电容供电。
4.根据权利要求3所述的电机安全转矩关断及封星装置，其特征在于，所述母线电容由第一电容和第二电容串联组成。
5.根据权利要求2所述的电机安全转矩关断及封星装置，其特征在于，当所述安全转矩关断信号源输出的两个STO安全输入信号异常时，所述STO单元切断所述软启动驱动回路的电源，所述第一功率器件和所述第二功率器件处于关断状态。
6.根据权利要求5所述的电机安全转矩关断及封星装置，其特征在于，当所述安全转矩关断信号源输出的两个STO安全输入信号异常时，所述STO单元还向所述控制器发送STO反馈信号，所述控制器收到所述STO反馈信号后控制所述逆变器驱动回路不再向所述逆变器发送驱动信号。
7.根据权利要求4所述的电机安全转矩关断及封星装置，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容均并联一个均压电阻。
8.根据权利要求1所述的电机安全转矩关断及封星装置，其特征在于，当所述控制器输出封星指令时，所述逆变器驱动回路根据接收到的所述封星指令向所述逆变器的上三路器件和下三路器件中的二者之一发送导通信号，同时向另一个发送关断信号。
9.根据权利要求1所述的电机安全转矩关断及封星装置，其特征在于，所述软启动驱动回路由隔离光耦组成。
10.根据权利要求1所述的电机安全转矩关断及封星装置，其特征在于，所述软启动驱动回路为隔离变压器或数字隔离器。
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