CN206117498U - 变频器及其预充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了变频器1及其预充电装置，变频器1包括变压器10、功率单元12和预充电装置，预充电装置包括：一个低压交流电源302和一个调压器306，低压交流电源302与调压器306输入端连接，调压器306在高压交流电源202供电之前向变压器10施加逐步升高的电压，以使得所述功率单元12中的滤波电容两端缓慢达到其额定电压，降低了高压上电过程对高压交流电源202和变频器功率单元12的电流冲击，可靠性好且成本低。

Description

变频器及其预充电装置

技术领域

本实用新型涉及一种变频器，具体涉及具有一预充电装置的电压源型的高压变频器及其预充电装置。

背景技术

变频器包括整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)电路，能够实现交流电与直流电之间的转换，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机。根据直流电路中滤波方式的不同，变频器分为电流源型变频器和电压源型变频器。图1示例性地示出了一种电压源型高压变频器，直流电路中采用滤波电容进行滤波。如图1所示，变频器1包括变压器10和连接到变压器10的副边的复数个功率单元12。变压器10的作用在于将高压交流电转换为低压交流电。功率单元12由变压器10转换得到的低压交流电供电，并进而将低压交流电转换为所需的低压直流电。

具体地，如图1所示，变压器10具有一个原边绕组102和复数个副边绕组104。变频器1在工作状态时，一个外部的高压交流电源202作为变频器1的工作电源连接到变压器10的原边绕组102上。高压交流电源202通常是三相交流电电网。高压交流电源202连接到原边绕组102上时，变压器10的每个副边绕组104产生出的感应电压为每一个与之连接的功率单元12供电。为了更方便地控制高压交流电源202供电电路的通断，在高压交流电源202与变压器10之间还可以连接一个高压开关204。

图2示例性地示出了图1中功率单元12的一种典型结构。如图2所示，变频器1的每一个功率单元12均为三相交流输入、单相交流输出。变压器10的副边绕组104感应出的三相交流电输入经过功率单元12内的二极管桥式整流电路、大电容量的滤波电容和IGBT逆变桥后转变为单相交流电输出。多个串联的功率单元12的单相交流输出叠加，形成变频器1的总输出。

如图1和图2所示的变频器1，在高压交流电源202为变频器1供电之始，滤波电容的初始电压为零，高压交流电源202(电网)输出的高压与滤波电容零电压之间的大压差造成上电瞬间会在为变压器供电的电路中产生一个巨大的涌流。这将对高压电网产生巨大的冲击电流，影响电网的安全、稳定运行。同时，上电瞬间，施加在功率单元12输入端的电压和滤波电容之间的电压也存在一个很大的电压差，从而导致上电瞬间滤波电容两端的电压突然升高。这对滤波电容和二极管产生很大的冲击电流，容易损坏二极管以及功率单元前端保护熔丝，影响滤波电容的使用寿命。

为了防止涌流对二极管和熔丝的危害，通常情况下会尽可能放大二极管和熔丝的使用裕量，这样一方面造成了二极管浪费，另一方面也给选取合适的熔丝造成了困难，增加了变频器的成本。

此外，现有技术的一种解决方法是在变频器的高压输入端和高压交流电源之间设置限流电阻或电抗器，上电后延时若干秒再将限流电阻或电抗器旁路，以便通过增大阻抗来限制上电瞬间的涌流，但是这种方法涌流抑制效果不佳，并且电路中的器件均需采用高压器件，成本高，体积大。

现有技术中另一种解决方案是通过引入低压交流电源和交流逆变设备产生激磁电流对变压器进行励磁预充电，并通过电压检测电路对交流逆变设备的输出进行控制。但是，由于逆变交流设备本身具有整流和滤波电路，在预充电的过程中不可避免地会引入冲击电流，稳定性差，涌流抑制效果一般；并且，交流逆变设备的输出控制需要电压检测电路实时检测信号，成本高。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种用于变频器预充电装置，本实用新型的一个目的在于使得变频器功率单元中的滤波电容两端的电压缓慢上升到达额定电压，降低上电过程对电网和变频器功率单元的电流冲击。

变频器预充电装置包括：一个低压交流电源和一个调压器，调压器的输入端与低压交流电源连接，调压器在高压交流电源供电之前向变压器施加逐步升高的电压，以使得变频器功率单元中的滤波电容两端缓慢达到其额定电压。通过设置一个调压器在所述高压交流电源供电之前缓慢输出电压施加给所述变压器为所述变压器充电，使得功率单元滤波电容两端的电压缓慢上升到达额定电压，降低了上电过程对电网和变频器功率单元的电流冲击，延长高压开关、变频器功率单元中二极管及滤波电容的使用寿命，预充电装置可靠性高，电路损耗小；相比于交流逆变设备，调压器的可靠性好，成本低。

在一种实施方式中，所述调压器设置有一个固定的输出相位角，使得原边绕组感应出的电压的相位角与高压交流电源的相位角一致。调压器使高压绕组与变频器高压交流电源(工作电源)在投切前保持相位角一致，避免了高压交流电源(工作电源)充电电路合闸时因相位不一致所产生的冲击电流，避免了涌流对变频器和电网的冲击。

在一种实施方式中，所述调压器为一个匝比连续可调的自耦合变压器。调压器中不存在任何整流或滤波电路，不会引入额外的冲击电流，同时，匝比连续可调的自耦合变压器的结构可以使输出电压平滑地从零调节到最大额定值，实现其电压输出缓慢、逐步地升高。

在一种实施方式中，所述调压器的输出端连接到所述变压器的原边绕组上。采用这样的连接方式，无需在变频器中事先安装好辅助绕组，也无需改变原有的变压器结构，可以现场安装并使用，灵活方便，不需要提前对于变频器内部构造做出任何改动。

在一种实施方式中，调压器设置有一个固定的输出相位角，所述输出相位角是根据所述低压交流电源的相位角和所述高压交流电源的相位角来确定，使得所述原边绕组感应出的电压的相位角与所述高压交流电源的相位角一致。

在一种实施方式中，所述调压器的输出端连接到所述变压器的一个副边绕组。低压交流电源直接为变压器的副边绕组预充电，无需辅助绕组，成本低，并且，低压预充电电路中的开关可以是低压器件，例如，低压断路器、低压接触器等，进一步降低了系统成本。

在一种实施方式中，调压器设置有一个固定的输出相位角，所述输出相位角是根据所述低压交流电源的相位角、所述高压交流电源的相位角和所述原边绕组和所述副边绕组的相位角差来确定，使得所述原边绕组感应出的电压的相位角与所述高压交流电源的相位角一致。

在一种实施方式中，所述预充电装置还包括一个辅助绕组，所述辅助绕组与原边绕组同侧，且所述调压器的输出端连接到所述辅助绕组上。虽然辅助绕组会增加系统的成本，但在这种实施方式中开关和调压器均可以使用低压器件，并且相对于前述的直接给变压器绕组充电的方案，引入辅助绕组这一方案在技术上实现难度小，安装效率高。

在一种实施方式中，调压器设置有一个固定的输出相位角，所述输出相位角是根据所述低压交流电源的相位角、所述高压交流电源的相位角和所述原边绕组和所述辅助绕组的相位角差来确定，使得所述原边绕组感应出的电压的相位角与所述高压交流电源的相位角一致。

在一种实施方式中，所述预充电装置还包括至少一个开关，所述开关连接在所述低压交流电源与调压器之间，和/或连接在所述调压器与变压器之间。这样可以更方便地控制低压交流电源的通断，开关可以及时将调压器断路，切断预充电电压，可以降低风险，增加电路可控性。

本实用新型实施例还提供了一种一种变频器包括：一个变压器，所述变压器其包括一个原边绕组和至少一个副边绕组，所述原边绕组连接到一个外部的高压交流电源；功率单元，其连接到所述变压器的副边绕组，且由所述副边绕组供电；一个如前述任一实施例中的预充电装置。

附图说明

下文将以明确易懂的方式通过对优选实施例的说明并结合附图来对本实用新型上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明，其中：

图1示意性地示出了变频器的结构；

图2示意性地示出了变频器功率单元的电路结构；

图3示意性地示出了根据本实用新型一个实施例的变频器预充电装置；

图4示意性地示出了调压器的内部结构；

图5示意性地示出了根据本实用新型另一个实施例的变频器预充电装置；

图6示意性地示出了根据本实用新型又一个实施例的变频器预充电装置；

图7示意性地示出了根据本实用新型再一个实施例的变频器预充电装置。

标号说明：

1：变频器

10：变压器

102：原边绕组

104：副边绕组

1042：与调压器输出端连接的副边绕组

12：变频器功率单元

202：高压交流电源

204：高压开关

302：低压交流电源

304：开关

306：调压器

308：辅助绕组

具体实施方式

为了对实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。对于多个相同的构成部分，有时对其中之一标以符号，而对其他省略符号。

下面讨论的各图以及被用来描述在该专利文档中的本公开的原理的各种实施例仅以说明的方式并且无论如何不应该被解释成限制本公开的范围。本领域技术人员将会理解，可以在任何适当布置的设备中实施本公开的原理。将参考示例性非限制实施例来描述本申请的各种创新教导。

图3示意性地示出了根据本实用新型一个实施例的变频器预充电装置。变频器预充电装置包括一个低压交流电源302和一个调压器306。调压器306由低压交流电源302供电，且在高压交流电源202供电之前缓慢向变压器10施加逐步升高的电压，以便为变压器10中的绕组充电。变压器10中的绕组感应出的电压进而给每一个功率单元12充电，以使得功率单元12中的滤波电容两端达到其额定电压。这里，调压器306可以向变压器10的原边绕组、副边绕组或辅助绕组施加逐步升高的电压。

图4示意性地示出了图3中调压器306的一种示意性内部结构。如图4所示，本实用新型提供的调压器306的工作原理与匝比连续可调的自耦变压器的工作原理类似。与自耦变压器类似地，调压器同样可以视作具有原边绕组和副边绕组。调压器的匝比是指其原边绕组的匝数和副边绕组的匝数之比。通过改变调压器自身的匝比，可以在原边输入电压不变的情况下，调节副边绕组的输出电压的幅值。如图4所示，A-B-C为调压器的三相电压输入端，a-b-c为调压器的三相电压输出端。将调压器电刷3062沿着绕组表面滑动则可以连续地改变匝比，从而使调压器的输出电压平滑地从零调节到最大额定值，实现其电压输出缓慢、逐步地升高。

图5示意性地示出了根据本实用新型另一个实施例的变频器预充电装置，其具有如图4所示的调压器306。图5中与图3相同的部件采用相同的附图标记，其功能也相同或相似。与图3不同的是，如图5所示的实施例中，调压器306的输出端连接到变压器10的一个原边绕组102上。具体地，低压交流电源302提供的三相交流电输出为调压器306供电，调压器306进而将其输出电压施加到原边绕组102上。这时，变压器10的多个副边绕组104上均可感应出电压，并进而给相应绕组上的功率单元12进行预充电。这样，在高压交流电源供电前，功率单元12中的滤波电容两端可以达到其额定电压。

在变频器1的工作电源(高压交流电源202)接入之前，即初始状态，变压器10中的绕组上的初始电压均为0伏，这时将调压器306的输出也调节至0伏。如果低压充电电路中设置有开关304，则将开关304保持断开状态。

当预充电开始时，预充电装置内的开关304闭合，调节调压器306使之输出电压缓慢地逐步上升，为变压器10的绕组进行预充电。

在预充电过程中，调压器306的输出电压缓慢、逐步地升高，变压器10原边绕组(102)上的电压和副边绕组(104)上感应出的电压从0伏逐渐上升。相应的，功率单元12中的滤波电容两端的电压也是从极低的电压逐步上升。因此，功率单元12中的滤波电容的充电过程是缓慢的，充电的过程中电流得到了很好的控制，避免了上电瞬间功率单元12中的滤波电容瞬间短路电流对系统的冲击。

由于此时变压器10副边绕组104上的负载为功率单元12，功率单元12上的滤波电容仍然带电，所以合上高压开关204时不会造成功率单元12中的滤波电容瞬间短路的现象，不会出现巨大的涌流。

优选地，调压器306设置有一个固定的输出相位角，该输出相位角是根据低压交流电源302的相位角和高压交流电源202的相位角预先设定的，可使得功率单元12中滤波电容的电压达到额定值时，原边绕组102上的感应电压相位角与高压交流电源202的相位角一致。在原边绕组102上电压相位角与高压交流电源202的相位角一致时，将低压交流电源302与变压器10之间的连接断开，即停止预充电，同时将高压交流电源202与变压器10的原边绕组102之间的连接导通，使变频器10接入高压交流电源202，高压交流电源202可以是高压电网。高压开关204合闸的瞬间不会产生任何涌流，变频器1和高压电网202均不会受到电流冲击。

高压交流电源202和/或低压交流电源302的投切均可以通过与其对应的电路中的开关来实现，例如，在断开开关304的同时合上高压开关204，即在完成对于功率单元12的预充电后将功率单元12接入正常工作电源(高压交流电源202)。

为了便于控制，在图5的例子中，在低压交流电源302与调压器306之间，以及在调压器306与变压器10之间还分别连接有一个开关304。可选地，也可以仅仅在上述两个位置中任一处连接一个开关304。

图6示意性地示出了根据本实用新型又一个实施例的变频器预充电装置，其具有如图4所示的调压器306。图6中与图3相同的部件采用相同的附图标记，其功能也相同或相似。与图3不同的是，如图6所示的实施例中，调压器306的输出连接到变压器10的一个副边绕组1042上。具体地，低压交流电源302提供的三相电输出为调压器306供电，调压器306进而将其输出电压施加到其中一个副边绕组1042上。这时，变压器10的原边绕组102以及其他副边绕组104上均可感应出电压，从而副边绕组104上的电压可以给相应绕组上的功率单元12预充电。这样，在高压交流电源202供电前，功率单元12中的滤波电容两端可以达到其额定电压。优选地，调压器306设置有一个固定的输出相位角，调压器306的输出相位角是根据低压交流电源302的相位角、高压交流电源202的相位角和变压器10的原边绕组102和副边绕组104的相位角差来预先设定，使得功率单元12中滤波电容的电压达到额定值时原边绕组102上的感应电压相位角与高压交流电源202的相位角一致。

图7示意性地示出了根据本实用新型再一个实施例的变频器预充电装置，其具有如图4所示的调压器306。图7中与图3相同的部件采用相同的附图标记，其功能也相同或相似。与图3不同的是，如图7所示的实施例中，变压器10还具有一个辅助绕组308，其与原边绕组102同侧。调压器306的输出连接到该辅助绕组308上。具体地，低压交流电源302提供的三相电输出为调压器306供电，调压器306进而将其输出电压施加到辅助绕组102上。这时，变压器10的原边绕组以及多个副边绕组104上均可感应出电压，并进而副边绕组104上感应出的电压给相应绕组上的功率单元12预充电。这样，在高压交流电源202供电前，功率单元12中的滤波电容两端同样可以达到一个额定电压。优选地，调压器306设置有一个固定的输出相位角，调压器306的输出相位角是根据低压交流电源302的相位角、高压交流电源202的相位角和变压器10的原边绕组102和辅助绕组308的相位角差来预先设定，使得功率单元12中滤波电容的电压达到额定值时原边绕组102上的感应电压相位角与高压交流电源202的相位角一致。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于变频器(1)的预充电装置，其中，所述变频器(1)包括变压器(10)和功率单元(12)，所述变压器(10)的原边绕组(102)连接到一个外部的高压交流电源(202)，所述变压器(10)的副边绕组(104)的输出电压为所述功率单元(12)供电，其特征在于，所述预充电装置包括：

一个低压交流电源(302)；

一个调压器(306)，所述调压器(306)的输入端与所述低压交流电源(302)连接，所述调压器(306)在所述高压交流电源(202)供电之前向所述变压器(10)施加逐步升高的电压，以使得所述功率单元(12)中的滤波电容两端缓慢达到其额定电压。

2.如权利要求1所述的预充电装置，其特征在于，所述调压器(306)设置有一个固定的输出相位角，使得所述原边绕组(102)感应出的电压的相位角与所述高压交流电源(202)的相位角一致。

3.如权利要求1所述的预充电装置，其特征在于，所述调压器(306)为一个匝比连续可调的自耦合变压器。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的预充电装置，其特征在于，所述调压器(306)的输出端连接到所述变压器(10)的原边绕组(102)上。

5.如权利要求4所述的预充电装置，其特征在于，所述调压器(306)设置有一个固定的输出相位角，所述输出相位角是根据所述低压交流电源(302)的相位角和所述高压交流电源(202)的相位角来确定，使得所述原边绕组(102)感应出的电压的相位角与所述高压交流电源(202)的相位角一致。

6.如权利要求1至3中任意一项所述的预充电装置，其特征在于，所述调压器(306)的输出端连接到所述变压器(10)的一个副边绕组(1042)。

7.如权利要求6所述的预充电装置，其特征在于，所述调压器(306)设置有一个固定的输出相位角，所述输出相位角是根据所述低压交流电源(302)的相位角、所述高压交流电源(202)的相位角和所述原边绕组(102)和所述副边绕组(104)的相位角差来确定，使得所述原边绕组(102)感应出的电压的相位角与所述高压交流电源(202)的相位角一致。

8.如权利要求1至3中任意一项所述的预充电装置，其特征在于，还包括：一个辅助绕组(308)，所述辅助绕组(308)与所述原边绕组(102)同侧，且所述调压器(306)的输出端连接到所述辅助绕组(308)上。

9.如权利要求8所述的预充电装置，其特征在于，所述调压器(306)设置有一个固定的输出相位角，所述输出相位角是根据所述低压交流电源(302)的相位角、所述高压交流电源(202)的相位角和所述原边绕组(102)和所述辅助绕组(308)的相位角差来确定，使得所述原边绕组(102)感应出的电压的相位角与所述高压交流电源(202)的相位角一致。

10.如权利要求1至3中任意一项所述的预充电装置，其特征在于，还包括：至少一个开关(304)，所述开关(304)连接在所述低压交流电源(302)与调压器(306)之间，和/或连接在所述调压器(306)与变压器(10)之间。

11.一种变频器(1)，其特征在于，包括：

一个变压器(10)，其包括一个原边绕组(102)和至少一个副边绕组(104)，所述原边绕组(102)连接到一个外部的高压交流电源(202)；

功率单元(12)，其连接到所述变压器的副边绕组(104)，且由所述副边绕组(104)供电；

一个如权利要求1至10中任意一项所述的预充电装置。