CN206259856U - 一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器，属于交流异步电机起动和调速装置领域。本实用新型的主要特征是用小电容替代传统变频器的大电解电容，用电阻消耗回馈能量的方法使漏电感电流衰减加快以便实施有效控制。去掉大电解电容后，直流母线上保留了直接来自电网与三相线电压一致的脉动电压，通过控制算法的优化可以实现变频过程的各种性能要求的控制。解决了传统变频器成本高，体积大的问题，同时还能使变频器旁路，达到一机多用的效果。

Description

一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器

【技术领域】

本实用新型属于电机的变频调速和软起动领域，特别涉及一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器。

【背景技术】

交直交变频器是针对交流电机的一种有效的调速装置和技术。目前已经成为电气传动中最主要的调速方法。变频调速技术的基本原理是根据关系式:n＝60f/p，式中n、f、p分别表示转速、输入频率、电机磁极对数。电机的转速与交流输入工作电源频率成正比的关系，只要通过改变电动机工作电源频率就可以达到改变电机转速的目的。

变频器通常包含整流和逆变两部分，对于电压型变频器三相交流电经过整流后所得的直流电压含有脉动成分，通常使用电解电容滤波稳压，最后经过逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。

但上述变频器有如下缺点：其一，由于大电解电容体积大，这就增加了电路的体积；其二，大容量的高压电解电容价格高，增加了成本；其三，当三相逆变桥的上下桥臂交替导通，负载中的电感性能量向电解电容进行反复充放电，造成电容的损耗并使变频器的寿命减小。所谓大电容是指由于现有变频器的工作原理，电容的作用是滤波，电机功率越大，其容量越大，通常的配置是大约1KW功率配置1000微法的电容，因此数千微法的电容配置是变频器的基本选项。

因此，如果在交流调速变频器中取消该电解电容，会大大地提高变频器的性能和可靠性，降低成本，并具有很强的实用价值。

【实用新型内容】

为解决现有变频器存在的问题，本实用新型提供了一种带逆流电阻的通用型变频器。本实用新型是一种新的变频器的拓扑结构，解决了上述变频器存在的必须采用大电解电容的诸多问题，从而可提高变频器的性能和可靠性，降低成本；其次，新的变频器拓扑结构可以进一步实现变频器在电机启动完成后自行退出的功能，解决原有变频器存在难以旁路切换到工频的问题，使得新的变频器一机多用，大大拓宽变频器的应用范围。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器，包括三相整流桥、电容C₁、电容C₂、电阻R、续流二极管D和三相逆变桥；三相整流桥的出线端与三相逆变桥的进线端通过直流母线连接，直流母线正极通过并联有续流二极管D和电阻R的电路相连，电容C₁和电容C₂一端均连接直流母线负极，另一端分别连接在电阻R和二极管D的两端；三相整流桥的进线端、三相逆变桥的出线端分别与电网和电机连接形成主回路；电网的出线端和电机的进线端之间通过旁路连接；三相整流桥的进线端上、三相逆变桥的出线端上、电网和电机之间旁路上都串联有接触器开关。

所述的电容C₁和电容C₂均为非电解电容。

所述的电容C₁和电容C₂的容值不大于1000uF。

电网的A、B、C三相分别通过接触器开关SA、SB、SC与三相整流桥的三个进线端连接，电网的A、B、C三相分别通过接触器开关S1、S2、S3与电机的U、V、W三相连接，三相逆变桥的三个出线端分别通过接触器开关SU、SV、SW与电机的U、V、W三相连接。

所述的三相整流桥由六个二极管构成。

三相逆变桥由六个并联二极管的IGBT管件构成，其中IGBT管V1与V4、IGBT管V3与V6、IGBT管V5与V2分别构成三组上下桥臂。

还包括微控制器，所述的微控制器采集电网输出端、三相逆变桥输出端的电压参数及控制三相逆变桥的通断。

微控制器通过两个电压相位检测模块分别连接电网的输出端、三相逆变桥输出端。

所述的微控制器通过驱动电路控制所有的接触器开关。

相对于现有技术，本实用新型具有如下技术效果：

本次实用新型针对传统变频器结构进行改进，用体积小、价格便宜的小电容取代传统变频器中的体积大、价格相对昂贵的大电解电容，并且在电容与逆变器之间的直流母线上串接与二极管D并联的电阻R。当三相逆变桥工作时，由于电机的电感负载特性会有续流电流回馈，大部分的能量被小电容吸收，另一部分通过电阻消耗，限制直流母线上的泵升电压同时加快漏电感电流的衰减。使用小电容C₁和C₂可以提高变频器的性能和可靠性，降低成本；由于直流母线上的电容C₁和C₂值大幅度减小，其作用仅作为吸收瞬时能量且作用时间很短，因而这种结构使直流母线上保留了来自电网的6波头脉动电压，在适当的控制和开关配合下可以实现电机与电网的旁路功能。这种变频器的结构上保持了传统变频器整流和逆变两部分，已有的整流、逆变和变频原理仍然适用，不仅减少了成本还减小了系统的体积，又使得变频器可以旁路工作，在不需要变频调速的场所将变频器旁路退出，达到一机多用的效果，这将使得变频器的应用领域扩大。

进一步，小电容C₁和C₂根据电机功率大小通常不大于数百微法，合理选择C₁和C₂及电阻R可以使母线上产生的泵升电压限制在允许范围，同时漏电感的衰减又能达到最快(其持续时间控制在零点几毫秒或更小)。经过三相整流桥后的直流电压在送往三相逆变桥时不需要经过电阻，而是通过二极管流向三相逆变器，避免此部分的能量消耗在电阻上。

进一步，通过微控制器进行智能控制，实现了电气切换的自动化。

【附图说明】

图1为传统变频器结构图。

图2为本实用新型一种带逆流电阻的通用型变频器结构拓扑图。

图3a为电网三相相电压波形图，图3b为电网三相线电压波形图，图3c为电网电压经整流桥整流后有大电解电容和无大电解电容的对比波形图，其中Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb为无大电解电容直流母线上的脉动电压，Luc为大电解电容时直流母上的电压波形。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的工作原理、技术方案更加清楚直观，下面结合附图对本实用新型做详细叙述。

如图所示，为传统通用型变频器工作原理：变频器结构具体为，三相电网电压经过由二极管组成三相不可控整流桥成直流电，并在直流母线上的大电解电容C的作用下滤波稳压，滤波稳压后的直流电经逆变桥成频率和电压均可调的交流电供电机启动和运转，三相逆变桥由六个并联续流二极管的功率开关器件IGBT组成六个桥臂，其中功率开关器件V1和V4组成上下桥臂，功率开关器件V3和V6组成上下桥臂，功率开关器件V5和V2组成上下桥臂。

图2中，为本实用新型的一种带逆流电阻的通用型变频器结构拓扑图，在传统变频器的基础上，保持传统变频器的整流桥和逆变桥不变，取消传统变频器的大电解电容。三相整流桥的出线端与三相逆变桥的进线端通过直流母线连接，直流母线的正极通过续流二极管D和与之并联的电阻R与逆变桥连接，在电阻R的两端并联有小电容C₁和C₂到直流母线的负极。

具体的，本实用新型的一种带逆流电阻无大电解电容的通用型变频器，包括三相整流桥、小电容C₁和C₂(根据电机功率大小通常不大于数百微法)、电阻R、二极管D、三相逆变桥和微控制器组成。三相整流桥的出线端与三相逆变桥的进线端通过直流母线连接，直流母线的负极直接连通，正极通过续流二极管D和与之并联的电阻R与逆变桥连通，在二极管D的两端联有小电容C₁和C₂到负极。电容的值根据电机功率不同在数十至数百微法，并且采用无极性的非电解电容。三相整流桥的进线端、三相逆变桥的出线端分别与电网和电机连接形成主回路。三相整流桥的进线端与电网、三相逆变桥的出线端与电机及电网与电机之间都串有接触器开关，控制器与电网输出端、逆变桥输出端的电压电流相位检测模块连接，且控制器控制所有的接触器开关的开通与关断。

电网的三相电A、B、C与三相整流桥的进线端通过接触器开关SA、SB、SC连接，三相逆变桥的出线端通过接触器开关SU、SV、SW与电机U、V、W三相连接，电网的三相电A、B、C通过接触器开关S1、S2、S3和电机U、V、W三相连接。

当仅用作变频调速时，接触器S1、S2、S3断开，接触器SA、SB、SC和SU、SV、SW闭合，上述电路成为通常的变频器。

当需要用作变频软启动时，首先用上述电路使系统工作在变频调速状态，直至速度达到约工频附近，然后通过控制主开关的状态使之工作在方波变频区域，同时检测电源和开关的状态，在适当时刻以及通过适当的控制程序使接触器S1、S2、S3闭合，接触器SA、SB、SC和SU、SV、SW断开实现工频旁路。

一种带逆流电阻的无大电解电容的通用型变频器的控制方法，包括以下步骤：

三相整流桥进线端的接触器开关SA、SB、SC及三相逆变桥的出线端SU、SV、SW闭合，电网和电机之间的接触器开关S1、S2、S3断开，电网电压经过三相整流桥将交流电压变换为直流电压，三相逆变桥再将直流母线的电压变换为幅值、频率、相位可调的交流电压给电机供电；微控制器控制逆变器IGBT的导通与关断，对电机进行连续变频控制。

逆变器IGBT导通与关断的过程中，由于电机具有电感性负载特性，会有部分能量流向直流母线。传统的变频器这部分能量是通过大电容吸收的，所以电机功率越大电容就会越大。

本实用新型的特征是，通过在直流母线上设置电阻R来消耗这部分能量，加快电机漏电感储存的电能的消耗。由异步电机的工作原理，转子回路一直是短路的，因此，设置电阻消耗的能量仅仅为电机漏电感的瞬时能量，所以合理选择C₁和C₂及电阻R可以使母线上产生的泵升电压限制在允许范围，同时漏电感的衰减又能达到最快(其持续时间控制在零点几毫秒或更小)。经过三相整流桥后的直流电压在送往三相逆变桥时不需要经过电阻，而是通过二极管流向三相逆变器，避免此部分的能量消耗在电阻上。

该电路还可以用于做电动机软启动器使用，此时微控制器通过电压相位检测模块检测电网电压和三相逆变器输出的电压，当电网的电压、频率、相位和逆变器输出的电压、频率、相位一致时，微控制器按照一定的顺序和规则，断开三相整流桥进线端的接触器开关SA、SB、SC及三相逆变桥的出线端SU、SV、SW，而接触器开关S1、S2、S3闭合，使电网直接给电机供电，变频器可达到旁路功能。

下面结合具体的波形图对本实用新型的工作原理进行分析：

图3a、图3b所示为工频电网电压，图3a是电网三相相电压波形图，图3b为电网三相线电压波形图，电网电压先通过三相桥式不可控整流电路转换为直流电，由于直流母线上没有并大电解电容，此时的直流电中含有与电网三相线电压一致的6波头脉动电压，如图3c，含有脉动的直流电压经过二极管D送往逆变桥，再用逆变桥将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电给电机供电。

在对电机进行变压变频调速时，需要控制逆变器的上下桥臂交替导通，在任意某一时刻，有三个桥臂导通，上桥臂一个IGBT导通，下桥臂两个IGBT导通，或者上桥臂有两个IGBT导通，下桥臂有一个IGBT导通。由于电机是感性负载，在IGBT导通切换时会有续流电流产生，如三相逆变桥的上桥臂的V1、V3开通V5关断，下桥臂的V4、V6关断V2开通，切换为上桥臂的V1、V3关断V5开通，下桥臂的V4、V6开通V2关断，会向直流侧产生续流电流，此时直流母线上的电阻会吸收这部分能量，经过三相整流桥得到的直流电压在送往三相逆变桥时不需要经过电阻，而是通过二极管流向三相逆变器。避免此部分的能量消耗在电阻上。

作为变频软启动器工作：在图2中，电网电压的输出端与三相整流桥之间接有接触器开关SA、SB、SC，逆变器的输出端和和负载电机之间接有接触器开关SU、SV、SW，电网电压和负载电机之间接有接触器开关S1、S2、S3；各接触器通过微控制器控制开通与关断；电网电压输出端和逆变器输出端都接有电压相位检测模块，电压相位检测模块和微控制器连接，微控制器控制逆变桥中IGBT的开通与关断；由于经过整流后的电压在直流母线侧保留了直接来自电网与三相线电压一致的脉动电压，在电机完成调频调压启动后，通过相位调节使逆变桥输出电压与电网电压相位一致，微控制器始终检测电网电压、逆变器输出电压的频率和相位，当微控制器检测电网电压和逆变器输出的电压频率、相位不一致时，接触器开关S1、S2、S3保持断开，而接触器开关SA、SB、SC和接触器开关SU、SV、SW保持闭合，电网电压通过变频器启动电机，此时微控制器可根据脉动电压通过算法控制IGBT的开通与关断，使逆变器输出的电压、频率和电网电压、频率保持一致，当检测到当微控制器检测电网电压和逆变器输出的电压频率、相位一致时，微控制器控制接触器开关S1、S2、S3保持闭合，再断开接触器开关SA、SB、SC和接触器开关SU、SV、SW，使电机直接接到电网中，此时变频器可退出，完成旁路功能。

Claims (9)

1.一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器，其特征在于：包括三相整流桥、电容C₁、电容C₂、电阻R、续流二极管D和三相逆变桥；三相整流桥的出线端与三相逆变桥的进线端通过直流母线连接，直流母线正极通过并联有续流二极管D和电阻R的电路相连，电容C₁和电容C₂一端均连接直流母线负极，另一端分别连接在电阻R和二极管D的两端；三相整流桥的进线端、三相逆变桥的出线端分别与电网和电机连接形成主回路；电网的出线端和电机的进线端之间通过旁路连接；三相整流桥的进线端上、三相逆变桥的出线端上、电网和电机之间旁路上都串联有接触器开关。

2.根据权利要求1所述的一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器，其特征在于：所述的电容C₁和电容C₂均为非电解电容。

3.根据权利要求1所述的一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器，其特征在于：所述的电容C₁和电容C₂的容值不大于1000uF。

4.根据权利要求1所述的一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器，其特征在于：电网的A、B、C三相分别通过接触器开关SA、SB、SC与三相整流桥的三个进线端连接，电网的A、B、C三相分别通过接触器开关S1、S2、S3与电机的U、V、W三相连接，三相逆变桥的三个出线端分别通过接触器开关SU、SV、SW与电机的U、V、W三相连接。

5.根据权利要求1所述的一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器，其特征在于：所述的三相整流桥由六个二极管构成。

6.根据权利要求1所述的一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器，其特征在于：三相逆变桥由六个并联二极管的IGBT管件构成，其中IGBT管V1与V4、IGBT管V3与V6、IGBT管V5与V2分别构成三组上下桥臂。

7.根据权利要求1所述的一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器，其特征在于：还包括微控制器，所述的微控制器采集电网输出端、三相逆变桥输出端的电压参数及控制三相逆变桥的通断。

8.根据权利要求7所述的一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器，其特征在于：微控制器通过两个电压相位检测模块分别连接电网的输出端、三相逆变桥输出端。

9.根据权利要求7所述的一种带逆流电阻的无大电解电容通用型变频器，其特征在于：所述的微控制器通过驱动电路控制所有的接触器开关。