CN208461448U - 变频器制动模块保护控制电路及其变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变频器制动模块保护控制电路及其变频器。其中变频器制动模块保护控制电路，包括控制模块、降压驱动模块、降压模块、比较模块、制动开关管驱动模块和功率开关管驱动模块；控制模块输出驱动信号通过降压驱动模块驱动降压模块工作；降压驱动模块输出的驱动信号通过比较模块与第二基准电压比较后，输出两路极性相反的比较信号，第一比较信号与控制模块输出的驱动信号通过制动开关管驱动模块驱动制动开关管工作，第一比较信号、第二比较信号和原始功率开关管驱动信号通过功率开关管驱动模块驱动变频器的功率开关管工作。本实用新型能够避免在高速带载下降过程中因保护处理不当或不及时导致的制动功能模块损坏甚至变频器炸机问题，而且电路简单可靠，成本低廉。

Description

变频器制动模块保护控制电路及其变频器

技术领域

本实用新型具体涉及一种变频器制动模块保护控制电路及其变频器。

背景技术

随着经济技术的发展，环境保护的理念已经进入了人们的日常生产和生活中。变频技术，以其节能、高效和可控等优点，已经广泛应用于人们的生产和生活当中，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。

变频器是实现变频技术的主要载体，变频器外接可变频的电机即可实现对电机的变频控制。现有的变频器，特别是应用于电梯、升降机、矿车等场合的变频器，由于其应用场合存在带载下降等制动工况，而在该类工况下，变频器是处于发电状态，因此此类变频器一般都配有制动电阻，用于在变频器带载下降等带载制动工况下，利用制动电阻消耗母线上多余的能量。

目前市面上中小功率的变频器（55kW及以下），大都采用内置制动功能模块，具体结构如图1所示。RST三相交流输入电源经过变频器的不控整流单元整流成直流电，图中DC+，DC-代表变频器的直流母线正负极，Q1是变频器内置的控制制动电阻导通的制动开关管（一般采用IGBT），控制信号PWM1由变频器内部的控制芯片产生，而且工作中PWM的占空比可调，U1是驱动Q1工作的驱动电路，由PWM1来控制，R1是需要用户自己外接的制动电阻，变频器为用户留有专门的接线端子。因此对于用户而言，只需要在变频器设备的相应端子上外接制动电阻，就可实现制动的功能。但是实际使用过程中，存在一定的风险，假如用户所接的制动电阻选择偏小，或者使用过程中，变频器的位能性负载过大而且电机转速过高，则会导致制动电阻上的电流瞬间迅速增大（直流母线电压迅速增大所致），有可能导致制动IGBT因过流而损坏，进而导致母线电压因无法释放多余能量瞬间飙升，如果此时检测及保护处理的不正确或是不及时，甚至导致变频器母线电容因过压而炸机。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于提供一种能够可靠地对变频器的制动模块进行保护的变频器制动模块保护控制电路。

本实用新型的目的之二在于提供一种变频器，该变频器包括了所述的变频器制动模块保护控制电路。

本实用新型提供的这种变频器制动模块保护控制电路，包括控制模块、降压驱动模块、降压模块、比较模块、制动开关管驱动模块和功率开关管驱动模块；控制模块的输出端连接降压驱动模块，降压驱动模块的输出端连接降压模块，降压模块的输出端连接在制动电阻和制动开关管之间；降压模块的输入端同时连接比较模块的输入端，比较模块的输出端和降压驱动模块输入端同时连接制动开关管驱动模块的输入端，制动开关管驱动模块的输出端连接制动开关管的控制端；比较模块的输出端连接功率开关管驱动模块的输入端，功率开关管驱动模块的输出端连接变频器的功率开关管的控制端；控制模块输出的驱动信号，通过降压驱动模块驱动降压模块工作；降压驱动模块输出的驱动信号通过比较模块与第二基准电压比较后，输出两路极性相反的比较信号，第一比较信号与控制模块输出的驱动信号均通过制动开关管驱动模块驱动制动开关管工作，第一比较信号、第二比较信号和变频器的控制模块输出的原始功率开关管驱动信号均输入到功率开关管驱动模块并生成最终功率开关管驱动信号并驱动变频器的功率开关管工作。

所述的比较模块包括比较电路和反向电路；比较电路的输入端一端连接降压模块的输入端，比较电路的另一端连接第二基准电压信号，比较电路的输出端连接反向电路；比较电路的输出端输出第一比较信号，反向电路的输出端输出第二比较信号。

所述的变频器制动模块保护控制电路还包括隔离模块；隔离模块连接在比较电路的输出端，用于对比较电路输出的驱动信号进行电气隔离。

所述的隔离模块为光耦隔离模块。

所述的控制模块为独立的控制器，或者是变频器内部的控制器。

所述的降压驱动模块包括光耦输入电阻、光耦和光耦输出电阻；光耦输入电阻连接光耦的原边输入端一端，光耦的原边输入端另一端接地，光耦的副边输出端一端通过光耦输出电阻连接电源信号，光耦的副边输出端另一端则输出驱动信号并连接到降压模块；控制模块输出的驱动信号通过光耦输入电阻驱动光耦工作，光耦将驱动信号转换为电信号并输出对应的驱动信号到降压模块。

所述的降压模块为若干个串联的二极管。

所述的制动开关管驱动模块为与门电路。

所述的功率开关管驱动模块包括三组与门电路与三组或门电路；第一与门电路的输入端连接控制模块输出的第一原始功率开关管驱动信号和比较模块输出的第一比较信号，第一与门电路的输出端连接第一功率开关管的控制端；第二或门电路的输入端连接控制模块输出的第二原始功率开关管驱动信号和比较模块输出的第二比较信号，第二或门电路的输出端连接第二功率开关管的控制端；第三与门电路的输入端连接控制模块输出的第三原始功率开关管驱动信号和比较模块输出的第一比较信号，第三与门电路的输出端连接第三功率开关管的控制端；第四或门电路的输入端连接控制模块输出的第四原始功率开关管驱动信号和比较模块输出的第二比较信号，第四或门电路的输出端连接第四功率开关管的控制端；第五与门电路的输入端连接控制模块输出的第五原始功率开关管驱动信号和比较模块输出的第一比较信号，第五与门电路的输出端连接第五功率开关管的控制端；第六或门电路的输入端连接控制模块输出的第六原始功率开关管驱动信号和比较模块输出的第二比较信号，第六或门电路的输出端连接第六功率开关管的控制端；所述的第一功率开关管和第二功率开关管在同一桥臂上且第一功率开关管在上桥臂，第二功率开关管在下桥臂；第三功率开关管和第四功率开关管在同一桥臂上且第三功率开关管在上桥臂，第四功率开关管在下桥臂；第五功率开关管和第六功率开关管在同一桥臂上且第五功率开关管在上桥臂，第六功率开关管在下桥臂。

本实用新型还提供了一种变频器，该变频器包括了上述的变频器制动模块保护控制电路。

本实用新型提供的这种变频器制动模块保护控制电路及其变频器，通过制动IGBT的管压降来进行变频器制动功能的故障判断，并通过控制制动IGBT的驱动PWM信号，以及逆变单元的6路PWM驱动信号，最终实现直流母线的制动保护功能，本实用新型能够避免使用永磁同步电机作为控制对象且带有位能性负载的变频器在高速带载下降过程中因保护处理不当或不及时导致的制动功能模块损坏甚至变频器炸机问题，而且本实用新型电路简单可靠，成本低廉。

附图说明

图1为现有的变频器的电路原理示意图。

图2为本实用新型的功能模块图。

图3为本实用新型的电路原理图。

图4为本实用新型的一种实施例的变频器等效电路示意图。

具体实施方式

如图2所示为本实用新型的功能模块图：本实用新型提供的这种变频器制动模块保护控制电路，包括控制模块、降压驱动模块、降压模块、比较模块、制动开关管驱动模块和功率开关管驱动模块；控制模块的输出端连接降压驱动模块，降压驱动模块的输出端连接降压模块，降压模块的输出端连接在制动电阻和制动开关管之间；降压模块的输入端同时连接比较模块的输入端，比较模块的输出端和降压驱动模块输入端同时连接制动开关管驱动模块的输入端，制动开关管驱动模块的输出端连接制动开关管的控制端；比较模块的输出端连接功率开关管驱动模块的输入端，功率开关管驱动模块的输出端连接变频器的功率开关管的控制端；控制模块输出的驱动信号，通过降压驱动模块驱动降压模块工作；降压驱动模块输出的驱动信号通过比较模块与第二基准电压比较后，输出两路极性相反的比较信号，第一比较信号与控制模块输出的驱动信号均通过制动开关管驱动模块驱动制动开关管工作，第一比较信号、第二比较信号和变频器的控制模块输出的原始功率开关管驱动信号均输入到功率开关管驱动模块并生成最终功率开关管驱动信号并驱动变频器的功率开关管工作。

其中，比较模块包括比较电路和反向电路；比较电路的输入端一端连接降压模块的输入端，比较电路的另一端连接第二基准电压信号，比较电路的输出端连接反向电路；比较电路的输出端输出第一比较信号，反向电路的输出端输出第二比较信号。而且，变频器制动模块保护控制电路还包括隔离模块；隔离模块连接在比较电路的输出端，用于对比较电路输出的驱动信号进行电气隔离。同时，控制模块可以采用独立的控制器，或者是采用变频器内部的已有的控制器

如图3所示为本实用新型的电路原理示意图，从图中可以看到：

PWM1为控制模块输出的的驱动信号；

比较模块包括比较电路U4和反向电路N1；比较电路的输入端一端连接降压模块的输入端，比较电路的另一端连接第二基准电压信号Vref2，比较电路的输出端连接隔离电路U3（优选为光耦），隔离电路输出端连接反向电路；隔离电路的输出端输出第一比较信号Vm2，反向电路的输出端输出第二比较信号Vm3；

降压驱动模块包括光耦输入电阻R3、光耦U1和光耦输出电阻R2；光耦输入电阻连接光耦的原边输入端一端，光耦的原边输入端另一端接地，光耦的副边输出端一端通过光耦输出电阻连接电源信号Vref1，光耦的副边输出端另一端则输出驱动信号并连接到降压模块；控制模块输出的驱动信号通过光耦输入电阻驱动光耦工作，光耦将驱动信号转换为电信号并输出对应的驱动信号到降压模块；

降压模块为若干个串联的二极管，图中以一个二极管D1表示；

制动开关管驱动模块为与门电路U2；

功率开关管驱动模块包括三组与门电路与三组或门电路；第一与门电路U5的输入端连接控制模块输出的第一原始功率开关管驱动信号PWM1a_IN和比较模块输出的第一比较信号，第一与门电路的输出端输出第一功率开关管控制信号PWM1a_OUT并连接第一功率开关管的控制端；第二或门U6电路的输入端连接控制模块输出的第二原始功率开关管驱动信号PWM1b_IN和比较模块输出的第二比较信号，第二或门电路的输出端输出第二功率开关管控制信号PWM1b_OUT并连接第二功率开关管的控制端；第三与门U7电路的输入端连接控制模块输出的第三原始功率开关管驱动信号PWM2a_IN和比较模块输出的第一比较信号，第三与门电路的输出端输出第三功率开关管控制信号PWM2a_OUT并连接第三功率开关管的控制端；第四或门U8电路的输入端连接控制模块输出的第四原始功率开关管驱动信号PWM2b_IN和比较模块输出的第二比较信号，第或与门电路的输出端输出第四功率开关管控制信号PWM2b_OUT并连接第四功率开关管的控制端；第五与门电路U9的输入端连接控制模块输出的第五原始功率开关管驱动信号PWM3a_IN和比较模块输出的第一比较信号，第五与门电路的输出端输出第五功率开关管控制信号PWM3a_OUT并连接第五功率开关管的控制端；第六或门电路U10的输入端连接控制模块输出的第六原始功率开关管驱动信号和比较模块输出的第二比较信号，第六或门电路的输出端输出第六功率开关管控制信号PWM3b_OUT并连接第六功率开关管的控制端；所述的第一功率开关管和第二功率开关管在同一桥臂上且第一功率开关管在上桥臂，第二功率开关管在下桥臂；第三功率开关管和第四功率开关管在同一桥臂上且第三功率开关管在上桥臂，第四功率开关管在下桥臂；第五功率开关管和第六功率开关管在同一桥臂上且第五功率开关管在上桥臂，第六功率开关管在下桥臂。

以下，结合一个具体实施例对本实用新型的工作过程进行进一步说明：

根据实施案例的实际要求，电路中，Vref1为5V，R2为10KΩ，R3为1K，Vref2为4V（可根据实际情况调整，本案例只做特例说明）。Q1作为一种IGBT器件，当有电流流过时，会产生管压降VCE，基本规律是，管压降电压值越大，说明流过IGBT的电流越大。在本实施例中，由于直流母线电压是基本固定的（380V的交流输入电压对应着536V的直流母线电压），因此管压降电压值的大小就对应流过制动电阻R1以及Q1的电流的大小。本实施例根据对IGBT管压降与电流的对应曲线，得出当管压降高于3.3V时，说明制动电流过大（同时对应着制动电压过大），变频器现有的制动功能模块无法满足当前工况下的制动要求，必须立即实施合理的保护，否则会有导致制动IGBT损坏或制动电阻损坏，进而导致直流母线严重过压甚至炸毁的风险。

在变频器制动模块工作的过程中，具体来说分为以下几种情况：

情况1：

电路中，PWM1处于高电平，Q1导通状态下，如果Q1的导通管压降低于3.3V，则二极管D1处于正向导通状态（管压降为0.7V），Vm1处的电压值低于4V，因此图中比较器U4的输出经过隔离电路处理后最终Vm2为低电平，反相器N1的输出Vm3则为高电平，此时根据U2、U6~U10的控制逻辑，最终PWM1信号可以正常控制Q1导通，且逆变器的六路PWM信号也不受影响，整个系统正常工作在控制负载下降以及利用制动电阻消耗母线多余能量的工况下。

情况2：

电路中，PWM1处于高电平，Q1导通状态下，如果Q1的导通管压降高于3.3V但低于4.3V，则二极管D1处于正向导通状态（管压降为0.7V），Vm1处的电压值高于于4V，因此图中比较器U4的输出经过隔离电路处理后最终Vm2为高电平，反相器N1的输出Vm3则为低电平，此时根据U2、U6~U10的控制逻辑，最终PWM1信号被封锁，Q1被强行关闭，且逆变器的上桥臂三路PWM被强制封锁，而下桥臂三路PWM被强制置高（及下桥臂的IGBT被强制导通），整个系统因制动电流过大而处于保护状态。

情况3：

PWM1处于高电平，Q1导通状态下，如果Q1的导通管压降高于4.3V，则二极管D1处于反向截止状态，Vm1处的电压值高于为Vref1的电压值（5V），因此图中比较器U4的输出经过隔离电路处理后最终Vm2为高电平，最终的结果和情况2相同，系统会进入保护状态。

情况4：

电路中，PWM1处于低电平状态，Q1不导通，直流母线上没有电流流过制动电阻，此时Q1的集电极端电压虽然达到了DC+(536V左右)，但是由于二极管D1均处于反向截止状态，光耦U1的输出同样处于截止状态，因此Vm1输出低电平，此时参考情况1，变频器逆变单元的6路PMW信号不受保护电路影响，整个系统工作在非制动工况的正常运行状态。

特别指出的是，本实施例所述起重机在带载下降的工况下，变频器及永磁同步电机系统处于发电运行状态，将负载的机械能转换为电能向直流母线充电，此时母线上会有大量富余能量，当因负载过大或是下降速度过快而出现情况2或情况3所述工况时，本实用新型执行的保护策略是将上桥臂三个IGBT功率管强制关闭，下桥臂三个IGBT功率管强制导通，与此同时发送电机制动器控制信号，将电机抱死，这在电机真正被抱死之前，电机及功率单元所处状态的示意图如图4所示。此时，相当于利用功率模块的下桥臂三个IGBT将永磁同步电机的定子绕组短接了，如图4所示，那么永磁同步电机发电状态的能量只会通过电机绕组消耗掉，而不会导致直流母线过压，避免了保护出现时因制动IGBT关闭无法工作导致的直流母线过压炸机事故。

Claims (10)

1.一种变频器制动模块保护控制电路，其特征在于包括控制模块、降压驱动模块、降压模块、比较模块、制动开关管驱动模块和功率开关管驱动模块；控制模块的输出端连接降压驱动模块，降压驱动模块的输出端连接降压模块，降压模块的输出端连接在制动电阻和制动开关管之间；降压模块的输入端同时连接比较模块的输入端，比较模块的输出端和降压驱动模块输入端同时连接制动开关管驱动模块的输入端，制动开关管驱动模块的输出端连接制动开关管的控制端；比较模块的输出端连接功率开关管驱动模块的输入端，功率开关管驱动模块的输出端连接变频器的功率开关管的控制端；控制模块输出的驱动信号，通过降压驱动模块驱动降压模块工作；降压驱动模块输出的驱动信号通过比较模块与第二基准电压比较后，输出两路极性相反的比较信号，第一比较信号与控制模块输出的驱动信号均通过制动开关管驱动模块驱动制动开关管工作，第一比较信号、第二比较信号和变频器的控制模块输出的原始功率开关管驱动信号均输入到功率开关管驱动模块并生成最终功率开关管驱动信号并驱动变频器的功率开关管工作。

2.根据权利要求1所述的变频器制动模块保护控制电路，其特征在于比较模块包括比较电路和反向电路；比较电路的输入端一端连接降压模块的输入端，比较电路的另一端连接第二基准电压信号，比较电路的输出端连接反向电路；比较电路的输出端输出第一比较信号，反向电路的输出端输出第二比较信号。

3.根据权利要求2所述的变频器制动模块保护控制电路，其特征在于还包括隔离模块；隔离模块连接在比较电路的输出端，用于对比较电路输出的驱动信号进行电气隔离。

4.根据权利要求3所述的变频器制动模块保护控制电路，其特征在于所述的隔离模块为光耦隔离模块。

5.根据权利要求1~4之一所述的变频器制动模块保护控制电路，其特征在于所述的控制模块为独立的控制器，或者是变频器内部的控制器。

6.根据权利要求1~4之一所述的变频器制动模块保护控制电路，其特征在于所述的降压驱动模块包括光耦输入电阻、光耦和光耦输出电阻；光耦输入电阻连接光耦的原边输入端一端，光耦的原边输入端另一端接地，光耦的副边输出端一端通过光耦输出电阻连接电源信号，光耦的副边输出端另一端则输出驱动信号并连接到降压模块；控制模块输出的驱动信号通过光耦输入电阻驱动光耦工作，光耦将驱动信号转换为电信号并输出对应的驱动信号到降压模块。

7.根据权利要求1~4之一所述的变频器制动模块保护控制电路，其特征在于所述的降压模块为若干个串联的二极管。

8.根据权利要求1~4之一所述的变频器制动模块保护控制电路，其特征在于所述的制动开关管驱动模块为与门电路。

9.根据权利要求1~4之一所述的变频器制动模块保护控制电路，其特征在于所述的功率开关管驱动模块包括三组与门电路与三组或门电路；第一与门电路的输入端连接控制模块输出的第一原始功率开关管驱动信号和比较模块输出的第一比较信号，第一与门电路的输出端连接第一功率开关管的控制端；第二或门电路的输入端连接控制模块输出的第二原始功率开关管驱动信号和比较模块输出的第二比较信号，第二或门电路的输出端连接第二功率开关管的控制端；第三与门电路的输入端连接控制模块输出的第三原始功率开关管驱动信号和比较模块输出的第一比较信号，第三与门电路的输出端连接第三功率开关管的控制端；第四或门电路的输入端连接控制模块输出的第四原始功率开关管驱动信号和比较模块输出的第二比较信号，第四或门电路的输出端连接第四功率开关管的控制端；第五与门电路的输入端连接控制模块输出的第五原始功率开关管驱动信号和比较模块输出的第一比较信号，第五与门电路的输出端连接第五功率开关管的控制端；第六或门电路的输入端连接控制模块输出的第六原始功率开关管驱动信号和比较模块输出的第二比较信号，第六或门电路的输出端连接第六功率开关管的控制端；所述的第一功率开关管和第二功率开关管在同一桥臂上且第一功率开关管在上桥臂，第二功率开关管在下桥臂；第三功率开关管和第四功率开关管在同一桥臂上且第三功率开关管在上桥臂，第四功率开关管在下桥臂；第五功率开关管和第六功率开关管在同一桥臂上且第五功率开关管在上桥臂，第六功率开关管在下桥臂。

10.一种变频器，其特征在于包括了权利要求1~9之一所述的变频器制动模块保护控制电路。