CN1551476A - 电机电源 - Google Patents

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Abstract

一种电机电源，具有突入电流保护模式、电机驱动模式、过压保护模式和动态制动模式。在突入电流保护模式中，第一电阻限制突入电流流入电容，该电容在电机驱动模式期间平滑整流器的输出，以向变流器提供直流电压。在过压保护模式中，第一电阻用于与开关元件结合，以可控地对过量的电压进行放电，这种过量的电压可能由于通过变流器流回电机，而从电机再生出能量，进而施加在电容上。在驱动模式期间，变流器的输入与直流电压连接，而在动态制动模式期间，变流器的输入与第二电阻连接，该第二电阻可耗散由电机再生的能量。控制器控制多触点继电器和开关元件，以实现各种工作模式。

Description

电机电源
技术领域
本发明涉及一种用于电机的电源，更具体地说，涉及一种包括软充电电路、过压保护电路和动态制动电路的电机电源。
背景技术
三相电机具有三个绕组，并且由三相电源驱动。为了提供三相电源，如图1所示，用于三相电机的电机电源包括提供商用交流电压(110V/220V)的交流电源101、把来自于交流电源101的商用交流电压整流成直流电压的整流器103、把经整流器103整流过的电压进行平滑(smooth)的电容115、以及把来自于电容115的直流电压转换成具有三个相位和可变频率的交流电压的变流器116。
变流器116包括：PWM(脉冲宽度调制)部件(未示出)，可产生用于PWM的方波信号；以及多个晶体管，这些晶体管响应于PWM部件的方波信号导通/截止。进一步地，电机电源包括微处理器(未示出)，该微处理器响应于PWM部件的方波信号导通/截止变流器116的晶体管，并且调制电压频率，以控制电机117的转速。
一般来说，电机电源进一步包括：软充电电路，该软充电电路可在开始提供电压时防止把过强的突入电流(inrush current)提供到电容115；过压保护电路，可防止电容115过压；以及动态制动电路，该制动电路在电机停转或者反转时，更快地降低三相电机117的转速。
当开始提供电压时，可利用软充电电路防止电容115被很强的突入电流充电，而且该软充电电路包括设置在整流器103和电容115之间的突入电流限制电阻102以及继电器111，该继电器111断开，可使经整流的电压从整流器103流经突入电流保护电阻102提供到电容115，或者在其闭合时，使经整流的电压不流经突入电流限制电阻102而从整流器103提供到电容115。采用这种电路结构，当开始提供电压时，继电器111断开，突入电流限制电阻102就限制了突入电流，从而在开始提供电压时防止了电容115由于突入电流而损坏。
过压保护电路包括过压保护电阻112和与其相互串联的过压保护开关元件114。开关元件114和过压保护电阻112的串联组合之后再与电容115并联，而过压保护二极管113与过压保护电阻112并联。当驱动电机117时，在过压保护电路中，当通过变流器116从电机117再生的、并提供到电容115相对的端部(P和N)的电压达到预定的过压值时，过压保护开关元件114就导通，从而使过压保护电阻112消耗掉过量电压的电能，变成热能，进而防止电容115由于过压而受到损坏。
动态制动电路包括动态制动电阻网120和继电器122，该继电器122把电阻RD1、RD2和RD3分别连接到电机117的电压输入端子U、V和W。当电机117不被驱动时，动态制动电路就将电机117停住，并且在电机117停转之后，防止电机117被外力强制转动。在此结构中，当驱动电机117时，继电器122断开，而在电机117制动或者电机117停转之后，继电器122闭合，从而可使电机117突然停转，或者可防止电机117被外力强制转动。
但是，在习用电机电源中，软充电电路只是在开始提供电压时才进行工作。换句话说，在正在提供电压以及电容115充电的状态下，就不需要软充电电路。进一步地，在电容115充足电压而且其电压稳定的状态下，只是在控制电机117时，才需要过压保护电路。还有，只有当电机117制动时或者电机117停转之后，动态制动电路才工作。在正在提供电压以及电容115充电状态下，当电机117正常驱动时，就象软充电电路那样，也不需要动态制动电路。
因此，在习用电机电源中，上述电路是独立提供的，因此元件就重复设置了，进而增加了电机电源的体积，提高了生产成本。
发明内容
因此，本发明的目是提供一种电机电源，其内一些元件是共享的，从而减小了体积，降低了生产成本。
本发明的其它方面和优点将部分体现在下述说明书中，并且可从该说明书中显而易见，或者通过实施本发明而获得教导。
提供一种电机电源可实现本发明的上述和/或其它方面，该电机电源包括：将外部交流电压整流成直流电压的整流器；对该直流电压进行平滑(smooth)的电容；变流器，具有有选择地接收直流电压的第一和第二连接端子，而且该变流器可将直流电压转换成将被提供到具有多个电压输入端子的电机的驱动电压；限制电阻，该限制电阻串联在整流器和电容的第一端之间，可限制施加在电容上的突入电流，并且将施加在电容上的过压电能转换成热能；过压保护二极管，该二极管与电阻并联，并且其负极连接到整流器的正极电压输出端子；过压保护开关元件，该开关元件连接到过压保护二极管的正极，并且连接到电容的第二端；动态制动电阻，该动态制动电阻具有连接到电容的第二端的第一端，以及第二端；有选择地旁路限制电阻的第一开关部件；第二开关元件，该第二开关元件有选择地将变流器与直流电压和动态制动电阻的第二端中的其中之一连接；以及控制第一和第二开关元件的控制器。
根据本发明的一个方面，当不向电机提供电压时，该控制器控制第二开关元件使变流器的连接端子与动态制动电阻的第二端连接。
根据本发明的一个方面，当开始提供外部交流电压时，控制器控制第一开关元件使电容的第一端与限制电阻连接。
根据本发明的一个方面，控制器控制第一开关元件使电容的第一端与整流器的正极电压输出端子连接，并且在驱动电机的同时，控制第二开关元件使变流器的连接端子与直流电压连接。
根据本发明的一个方面，电机电源进一步包括电压传感器，该传感器感应由电机产生并施加在电容上的电压，其中，当电压传感器感应到有过量的电压施加在电容上时，控制器就控制第一开关元件使电容的第一端与整流器的正极电压输出端子连接。
根据本发明的一个方面，当电压传感器感应到施加在电容上的过压值达到预定的上限时，控制器就接通过压保护开关元件，而在电压传感器感应到施加在电容上的过压值达到预定的下限时，就断开过压保护开关元件。
根据本发明的一个方面，可由一个多触点继电器实现第一和第二开关部件。
根据本发明的一个方面，该多触点继电器包括：第一电路，该第一电路可有选择地使电容的第一端与限制电阻连接；第二电路，该第二电路可有选择地使电容的第一端与整流器的正极电压输出端子连接；第三电路，第三电路可有选择地使变流器的连接端子与动态制动电阻的第二端连接；以及第四电路，该第四电路可有选择地使变流器的连接端子与直流电压连接，其中，第一和第三电路互锁，以有同时选择地进行连接，而且第二电路和第四电路互锁，以同时有选择地进行连接。
附图说明
从下面结合附图对实施例的说明中，可清楚并更容易地理解本发明的这些和/或其它方面和优点。
图1是习用电机电源的电路图；
图2是执行软充电操作和动态制动操作的状态下，根据本发明所述的电机电源的电路图；
图3A-3C表示在图2所示电机电源中，在特定点的电压和电流波形；
图3D表示图2所示电机电源中继电器的工作状态；
图4是正在向电机提供电压的状态下，根据本发明所述电机电源的电路图；
图5是执行过压保护操作的状态下，根据本发明所述的电机电源的电路图；
图6A和6B表示在图5所示的电机电源中，在特定点的电压波形；
图6C表示在图5所示的电机电源中，开关元件的工作情况。
具体实施方式
下面详细说明本发明的实施例，其实例图示在附图中，所有图中的相同参考标记表示相同的部件。下面说明实施例，以参照附图解释本发明。在下文中，实例性地说明用于三相电机的电机电源。
图2是根据本发明所述的电机电源的电路结构，示出了执行软充电操作和动态制动操作的状态。图4是处于正常状态下，即把电压正在提供到电机7的状态下，根据本发明所述的电机电源的电路结构。图5是进行过压保护操作状态下，根据本发明所述的电机电源的电路结构。如图2、4和5所示，根据本发明所述的电机电源包括：把来自于交流电源1的交流电压整流成直流电压VD1的整流器3、把来自于整流器3的直流电压进行平滑的电容5、以及把经平滑的直流电压转换成具有三个相位和可变频率的交流电压的变流器9。
根据本发明所述的电机电源进一步包括：电阻15，该电阻15具有连接到整流器3的正极端子(+)的第一端以及可有选择地连接到电容5的第一端P的第二端；过压保护二极管17，该二极管17与电阻15并联，而且具有与整流器3的正极端子(+)连接的负极，该二极管17的正极和电阻的第二端在节点16处连接；过压保护开关元件11，可有选择地连接节点16和电容5的第二端N；动态制动电阻13，可有选择地连接在变流器9的连接端子9a和9b之间；多触点继电器19，可有选择地将电容5的第一端P与整流器3的正极端子(+)和节点16中的其中之一连接，并有选择地将变流器9的连接端子9a与电容5的第一端P和动态制动电阻13的一端中的其中之一连接；以及控制器20，可控制多触点继电器19、变流器9和过压保护开关元件11。进一步地，该电机电源进一步包括电压传感器30，可感应提供到电容5上的电压VPN。
在该多触点继电器19中，控制线圈操作该继电器。因此，触点组A1、B1和C1与触点组A2、B2和C2一起工作。在继电器的状态1中，如图2所示，触点B1和C1闭合，触点B2和C2闭合，而触点A2和C2断开。在继电器的状态2中，如图4和5所示，触点B1和C1断开，触点B2和C2断开，触点A1和C1闭合，触点A2和C2闭合。
当多触点继电器19处于状态1时，利用电阻15限制强突入电流，从而保护电容5免于受到突入电流的损坏。
当交流电源1开始提供电压时，控制器20控制多触点继电器19进入继电器状态1，从而把经整流的电压从整流器流经电阻5提供到电容5。这样，当开始提供电压时，就经过电阻15把电压提供到电容5，从而保护电容5免于受到突入电流的损坏。
当控制器20控制多触点继电器19进入继电器状态2时，电阻15就和过压保护二极管17和过压保护开关元件11一起执行过压保护操作。这样，电阻15根据多触点继电器19的状态，有选择地用于软充电操作和过压保护操作。
过压保护开关元件11可包括MOS(金属氧化物半导体)晶体管、FET(场效应管)等，该开关元件根据其门极的输入信号导通/截止。控制器20控制过压保护开关元件11的门极信号，从而导通/截止过压保护开关元件11。
当电压传感器30感应到施加在电容5上的过压值达到预定过压值，控制器20就控制多触点继电器19进入状态2下的连接方式，并控制过压保护开关元件11导通。由于由电机7再生的能量通过变流器9被返回，因此加在电容5上的电压可达到预定的过压值。在开关元件11导通的状态2中，过压能量通过电阻15变成热能。因此，保护了电容5免于由于过压而损坏。相反，如果没检测到过压，控制器20就控制过压保护开关元件11截止。
当不向电机7提供电压时，控制器20就控制多触点继电器19进入状态1，把动态制动电阻13连接到变流器9，从而使动态制动电阻9吸收存留在电机7中的所有能量，进而有助于使电机7停转，并且在电机7停转之后防止电机7被外力强制转动。
根据本发明，为执行动态制动操作，与图1所示的习用动态制动电路所述的分别连接到三相电机7的电源输入端子的三个电阻和三个继电器相比较，只需要一个电阻和一个多触点继电器。
下面说明根据本发明所述的电机电源的软充电操作、动态制动操作和过压保护操作过程。
如果在被驱动的同时电机7突然停转、或者电机7不是由于没有电压输入而停转的，控制器20就控制多触点继电器19进入状态1。之后，在电机7停转的同时或者电机被外力强制转动的同时所产生的电流会沿着图2所示的箭头D所指示的方向流经变流器9的二极管和电阻15进行传输。在电机7产生的电流流经电阻15的同时，与电流有关的电能就会变成热能，从而防止了电机7损坏并且防止电机被强制转动。于是，根据本发明所述的电机电源执行动态制动操作。
当交流电源1首先提供交流电压时，控制器20控制多触点继电器19进入状态1。之后，从交流电源1提供的交流电压(VL1-VL2)被整流器3整流成直流电压，而且经整流的电压(VD1)流经电阻15，从而由整流的电压(VD1)对电容5进行充电。在此结构中，电阻15在多触点继电器19处于状态1时执行软充电操作。此时，由于电容5由整流的电压(VD1)对电容5进行充电，如图3B所示，施加在电容5上的电压(VPN)逐渐升高，而且由图2中的箭头E表示电流的流动方向。
图3C表示从整流器3传输到电阻15的电流波形，而图3D表示多触点继电器19从第一状态到第二状态的过渡过程。当施加在电容5上的电压(VPN)达到预定电压V1时，如图4和5所示，控制器20参照充电完成电压控制多触点继电器19变成状态2。
也就是说，从开始提供电压起，在经过预定时间之后，当电容5由电压充足电而且电压稳定时，控制器20就控制多触点继电器19进入状态2，即连接继电器触点A1和C1以及触点A2和C2。之后，经整流的电压被电容5平滑，再被提供到变流器9，而且变流器9把直流电压转换成具有可变频率的三相交流电压，从而把三相交流电压提供到电机7(参照图4)。由于电压被提供到电机7，电流沿图4箭头F所示的方向流动。
存储在电机7中的能量在电机7被驱动的同时再被循环利用，并且根据预定的条件，例如电机7转动方向的改变，从变流器9传输到电容5。例如，在电机7顺时针方向转动的同时，所存储的电能被重复利用，并且当电机7逆时针方向转动时，该电能从变流器9被传输到电容5。在此结构中，通过变流器9传输的重复利用的电能提高了施加在电容5上的电压(VPN)，同时电流沿图5所示的箭头G所指示的方向流动。因此，需要过压保护操作。
参照图5，当多触点继电器19处于状态2时，如果电压传感器30感应到施加在电容5上的电压(VPN)达到预定过压值，控制器20就按如下所述控制电机电源。
图6A表示输入电源电压VL1-VL2的参考波形，而图6B表示施加在电容5上的电压VPN。在多触点继电器19处于状态2的同时过压值处于滞后(hysteresis)范围(VH1-VH2)之内时，如果过压值达到上限(VH2)，控制器20就如图6C所示导通过压保护开关元件11，从而通过电阻15对过量的电压放电，其电流沿图5所示的箭头H表示的方向流动。因此，施加在电容5上的电压(VPN)降低。当过压值达到下限(VH1)时，控制器20就截止过压保护开关元件11，使施加在电容5上的电压(VPN)利用再循环的电能而上升。于是，控制器20通过导通/截止过压保护开关元件11而把施加在电容5上的电压(VPN)控制在滞后范围(VH1-VH2)之内。由于电容5在滞后范围之内工作，因此可防止过压保护开关元件11由于噪音而失灵。
在上述实施例中，电机电源包括适用于向三相电机7提供电压的变流器。但是，电机电源也可包括适用于向单相电机或者多相电机提供电压的变流器。
在上述实施例中，设有一个多触点继电器，该继电器所示出的结构为双极、双掷(DPDT)继电器。但是，也可以使用两个单极单掷(SPST)的继电器，或者利用其它元件实现等同效果的开关。
如上所述，通过在电机电源的不同操作中共享一些元件，来减少元件的数量，从而降低了电机电源的体积和生产成本。
尽管图示并说明了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员可以理解，不偏离本发明的原理和精神实质、附属权利要求书所限定的保护范围及其等同替换，还可以对这些实施例进行改变。

Claims (27)

1、一种电机电源，包括：
将外部交流电压整流成直流电压的整流器；
对该直流电压进行平滑的电容；
变流器，该变流器具有第一和第二连接端子，而且可将直流电压转换成将被提供到电机的驱动电压；
第一电阻，该第一电阻具有连接到整流器的正极电压输出端子的第一端和第二端；
过压保护二极管，该二极管具有连接到整流器的正极电压输出端子的负极，以及连接到第一电阻的第二端的正极；
过压保护开关元件，该开关元件连接到过压保护二极管的正极和电容的第二端之间；
第二电阻，该第二电阻具有与电容的第二端连接的第一端、以及第二端；
第一开关元件，该第一开关元件有选择地使电容的第一端与整流器的正极电压输出端子和第一电阻的第二端中的其中之一连接；
第二开关元件，该第二开关元件有选择地将变流器的第一连接端子与电容的第一端和第二电阻的第二端中的其中之一连接；
以及控制器，该控制器控制第一和第二开关元件，以有选择地分别连接第一和第二电阻。
2、如权利要求1所述的电机电源，其中：
当不向电机提供驱动电压时，该控制器控制第二开关元件使变流器的第一连接端子与第二电阻连接，以动态地制动电机。
3、如权利要求1所述的电机电源，其中：
当首先提供交流电压时，控制器控制第一开关元件使电容的第一端与第一电阻的第二端连接。
4、如权利要求1所述的电机电源，其中：
控制器控制第一开关元件使电容的第一端与整流器的正极电压输出端子连接，并且在驱动电机的同时，控制第二开关元件使变流器的第一连接端子与电容的第一端连接。
5、如权利要求1所述的电机电源，进一步包括：
电压传感器，该传感器检测电容两端的电压，其中：
当电压传感器感应到有过量的电压施加在电容上时，控制器就控制第一开关元件使电容的第一端与整流器的正极电压输出端子连接。
6、如权利要求5所述的电机电源，其中的控制器：
当电压传感器感应到施加在电容上的电压达到预定的上限时，就接通过压保护开关元件，
而在电压传感器感应到施加在电容上的电压达到预定的下限时，就断开过压保护开关元件。
7、如权利要求1所述的电机电源，其中：
可由一个多触点继电器实现第一和第二开关部件。
8、如权利要求7所述的电机电源，其中：
该多触点继电器使电容的第一端与整流器的正极电压输出端子连接，并使变流器的第一连接端子与电容的第一端连接；
或者该多触点继电器使电容的第一端与第一电阻的第二端连接，并使变流器的第一连接端子与第二电阻的第二端连接。
9、如权利要求2所述的电机电源，其中：
可由一个多触点继电器实现第一和第二开关部件。
10、如权利要求9所述的电机电源，其中：
该多触点继电器使电容的第一端与整流器的正极电压输出端子连接，并使变流器的第一连接端子与电容的第一端连接；
或者该多触点继电器使电容的第一端与第一电阻的第二端连接，并使变流器的第一连接端子与第二电阻的第二端连接。
11、如权利要求3所述的电机电源，其中：
可由一个多触点继电器实现第一和第二开关部件。
12、如权利要求11所述的电机电源，其中：
该多触点继电器使电容的第一端与整流器的正极电压输出端子连接，并使变流器的第一连接端子与电容的第一端连接；
或者该多触点继电器使电容的第一端与第一电阻的第二端连接，并使变流器的第一连接端子与第二电阻的第二端连接。
13、如权利要求4所述的电机电源，其中：
第一和第二开关部件形成在一个多触点继电器中。
14、如权利要求13所述的电机电源，其中：
该多触点继电器使电容的第一端与整流器的正极电压输出端子连接，并使变流器的第一连接端子与电容的第一端连接；
或者该多触点继电器使电容的第一端与第一电阻的第二端连接，并使变流器的第一连接端子与第二电阻的第二端连接。
15、如权利要求5所述的电机电源，其中：
第一和第二开关部件形成在一个多触点继电器中。
16、如权利要求15所述的电机电源，其中：
该多触点继电器使电容的第一端与整流器的正极电压输出端子连接，并使变流器的第一连接端子与电容的第一端连接；
或者该多触点继电器使电容的第一端与第一电阻的第二端连接，并使变流器的第一连接端子与第二电阻的第二端连接。
17、如权利要求6所述的电机电源，其中：
第一和第二开关部件形成在一个多触点继电器中。
18、如权利要求17所述的电机电源，其中：
该多触点继电器使电容的第一端与整流器的正极电压输出端子连接，并使变流器的第一连接端子与电容的第一端连接；
或者该多触点继电器使电容的第一端与第一电阻的第二端连接，并使变流器的第一连接端子与第二电阻的第二端连接。
19、一种用于驱动电机的电源，具有突入电流保护模式、电机驱动模式、过压保护模式和动态制动模式，该电源包括：
将交流电压转换成直流电压的整流器；
对该直流电压进行平滑的电容；
变流器，该变流器可将直流电压转换成交流电压，以驱动电机；
第一电阻，该第一电阻在突入电流保护模式期间限制充电电流流入电容，而在过压保护模式期间限制放电电流流出电容；
开关元件，该开关元件在过压保护模式期间引导放电电流；
第二电阻，该第二电阻在动态制动模式期间耗散由电机再生的能量；
第一可控开关，该第一可控开关在电机驱动模式期间旁路第一电阻；
第二可控开关，该第二可控开关在动态制动模式期间从直流电压断开变流器，并把变流器连接到第二电阻；
以及控制器，该控制器通过控制第一和第二可控开关和开关元件而控制工作模式。
20、如权利要求19所述的电源，其中：
所述控制器控制第一和第二可控开关以及开关元件，从而可同时操作动态制动模式和过压保护模式。
21、如权利要求19所述的电源，其中：
所述控制器控制第一和第二可控开关以及开关元件，从而可同时操作动态制动模式和突入电流保护模式。
22、如权利要求19所述的电源，其中：
所述控制器控制第一和第二可控开关以及开关元件，从而可同时操作过压保护模式和电机驱动模式。
23、如权利要求19所述的电源，其中：
所述控制器控制第一和第二可控开关以及开关元件，从而不同时操作电机驱动模式和突入电流保护模式。
24、如权利要求19所述的电源，其中：
该电机电源进一步包括检测施加在电容的电压的电压传感器，
而且如果施加在电容上的电压超出第一预定值，所述控制器就启动过压保护模式。
25、如权利要求24所述的电源，其中：
如果由于在过压保护模式下操作电源而使施加在电容上的电压下降到第二预定值之下，所述控制器就解除过压保护模式。
26、如权利要求19所述的电源，其中：
该电源进一步包括检测施加在电容上的电压的电压传感器；
而且当施加在电容上的电压超出预定值时，所述控制器就启动电机驱动模式。
27、一种用于驱动电机的电源，具有突入电流保护模式、过压保护模式和电机驱动模式，该电源包括：
将交流电压转换成直流电压的整流器；
对该直流电压进行平滑的电容；
变流器，该变流器可将直流电压转换成交流电压，以驱动电机；
电阻；
以及第一和第二开关元件，该第一和第二开关元件有选择地连接电阻，以在突入电流保护模式期间限制充电电流流入电阻，而在过压保护模式期间从电容引导放电电流，并且在电机驱动模式期间旁路电阻。
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