CN216564987U - 一种具有涌流限制的电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有涌流限制的电机控制系统，它包括MCU模块、交直流转换电路和功率逆变拓扑电路，所述交直流转换电路的输入端连接电网输入的交流电，所述交直流转换电路的输出端与功率逆变拓扑电路的输入端相连，所述功率逆变拓扑电路的输出端与电机相连；所述交直流转换电路包括可控硅T1、整流桥D和直流电容器CE1，所述整流桥D的两个交流输入端分别连接交流电的火线L和零线N，所述可控硅T1串联在所述整流桥D的一个交流输入端上，所述MCU模块的I/O口与可控硅T1相连。本实用新型提供一种具有涌流限制的电机控制系统，当电机控制系统接入电网时，对交流转直流电路中大容量直流电容器从零电压充电到最大电压所产生的涌流进行限制。

Description

一种具有涌流限制的电机控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种具有涌流限制的电机控制系统，属于电机控制领域。

背景技术

目前，目前变频技术已在电机驱动行业得到广泛应用，对于电网供电的电机驱动系统需要进行交流转直流再转交流的变换过程(AC-DC-AC)。此类具有涌流限制的电机控制系统包括交流转直流电路(AC-DC)、功率逆变电路(DC-AC)、给控制电路供电的辅助电源电路、MCU控制电路。

交流转直流电路(AC-DC)一般由整流桥及大容量滤波电容器进行整流滤波并输出直流电。其次，直流电再经过由功率半导体开关器件组成的逆变电路转换成更高频率的交流电对电机进行驱动。这一过程将电网输入的低频交流电转换成高频的交流电输出，即实现电机控制的频率转换。

当具有涌流限制的电机控制系统接入电网时，输入的交流电经由整流桥对大容量直流电容器进行充电，电容器的充电电流与电容器的容值及电容器两端的电压变化速率成正比关系。在容值一定的情况下，降低电容器两端的电压变化速率可减小充电电流。如果输入交流电直接通过整流桥对电容器进行充电，电容器两端的电压将以极快的速度上升并达到交流电压的最大值。因为电容器两端的电压快速上升，根据电容器充放电特性，此时交流电输入端将产生一个较大的涌流，其大小往往是电机控制器系统正常工作电流的10-20倍。大的涌流会引起交流转直流电路(AC-DC)中相关器件的损坏，同时也会引起电路中的保护类器件损坏。如损坏保险丝、整流桥及大容量电容等器件。此外，交流端电流的突然变化会导致电网电压下降，造成电网电压波动，使得同一网络的其他负载设备受到干扰，比如灯、显示器的闪烁等现象。为了避免这种干扰现象，IEC61000-3-3 国际EMC标准规定了相关设备的最大涌流水平以限制设备对电网电压波动的影响。

现有方案一，所使用的是传统的涌流限制电路解决方案，在整流桥的交流输入端串联一个电阻R1，再在电阻R1上并联一个继电器K1，电容器充电所产生的涌流受到串联在交流端的电阻R1的限制。电阻R1可以是一个定值电阻也可以是热敏电阻。热敏电阻通常使用NTC，因为系统在启动时NTC处于冷态，此时会有一个高电阻值对涌流进行限制。稳态时NTC阻值会降低，减少电阻的功率损耗。另外，使用继电器K1作为电阻R1的旁路开关，当电容完成充电或达到某个电压值时，由MCU对继电器K1进行控制，继电器常开触点吸合并将电阻R1短路，利用继电器触点的低阻抗来代替电阻R1，避免电阻R1在电路中带来的功率损耗。但是该方案存在如下缺点：

1、电容器充电完成后，继电器需持续导通，所以继电器线圈需持续供电且电流消耗大。

2、机械振动会引起继电器触点断开风险。

3、继电器的机械触点易产生噪声。

4、触点切换产生火花导致易燃环境的爆炸风险。

5、继电器体积较大，增加PCB设计尺寸。

6、电阻R1需要承受较大电流冲击，必须选择低阻值大功率的电阻，电阻成本高。如果使用热敏电阻，其成本要远高于普通电阻。另外，如后级负载有过载现象，系统上电瞬间电阻R1会因过载而被烧毁，增加了系统的不可靠性。

方案二对比方案一是将方案一的继电器K1改为半导体开关可控硅T1，解决了继电器的缺点问题。与方案一相同，涌流限制同样由串联在交流输入端的电阻R1进行限制，当电容器完成充电或达到某个电压值时由MCU控制电路对可控硅T1进行控制，可控硅T1导通，主电极1脚、2脚将电阻R1短路，使负载电流流经T1，避免电阻R1在电路中产生的功率损耗。可控硅导通时会有一定的导通阻抗，当后级负载功率较大时，可控硅会产出功率损耗而发热，为了避免可控硅因过热坏，使用时可控硅需要加装额外散热器。

方案二虽然解决了方案一使用继电器所带来的问题，但无法避免使用电阻R1所带来的不可靠性问题：

电阻R1需要承受较大电流冲击，必须选择低阻值大功率的电阻，电阻成本高。如果使用热敏电阻，其成本要远高于普通电阻。另外，如后级负载有过载现象，系统上电瞬间电阻R1会因过载而被烧毁，增加了系统的不可靠性。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种具有涌流限制的电机控制系统，当电机控制系统接入电网时，对交流转直流电路中大容量直流电容器从零电压充电到最大电压所产生的涌流进行限制。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：

一种具有涌流限制的电机控制系统，它包括MCU模块、交直流转换电路和功率逆变拓扑电路，所述交直流转换电路的输入端连接电网输入的交流电，所述交直流转换电路的输出端与功率逆变拓扑电路的输入端相连，所述功率逆变拓扑电路的输出端与电机相连；

所述交直流转换电路包括可控硅T1、整流桥D和直流电容器CE1，所述整流桥D 的两个交流输入端分别连接交流电的火线L和零线N，所述可控硅T1串联在所述整流桥D的一个交流输入端上；

所述MCU模块用于对交直流转换电路输出的直流母线电压进行检测，并根据母线电压的大小对可控硅T1进行相移控制。

进一步，还包括AC-DC隔离辅助电源电路，所述AC-DC隔离辅助电源电路的输入端与电网输入的交流电相连，所述AC-DC隔离辅助电源电路的输出端与MCU模块的电源端口相连。

进一步，所述AC-DC隔离辅助电源电路包括EMI滤波器、整流桥D和反激式隔离开关电源，所述EMI滤波器的输入端与交流电的火线L以及零线N相连，所述整流桥 D的输入端与EMI滤波器的输出端相连，所述反激式隔离开关电源的输入端与整流桥D 的输出端相连，所述反激式隔离开关电源的输出端为MCU模块供电。

进一步，所述反激式隔离开关电源包括电容Ci、MOS管Q7、变压器B1、二极管 D9和电容Co，所述变压器B1的输入端与整流桥D的输出端相连，所述电容Ci并联在变压器B1的两个输入端之间，所述MOS管Q7串联在变压器B1的一个输入端上，所述变压器B1的输出端为MCU模块供电，所述电容Co并联在变压器B1的两个输出端之间，所述二极管D9串联在变压器B1的一个输出端上。

进一步，所述功率逆变拓扑电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS 管Q4、MOS管Q5和MOS管Q6，所述MOS管Q1与MOS管Q2串联成一组，所述 MOS管Q3与MOS管Q4串联成一组，所述MOS管Q5与MOS管Q6串联成一组，所述MOS管Q1的D极、MOS管Q3的D极和MOS管Q5的D极均连接电源+HV，所述MOS管Q2的S极、MOS管Q4的S极和MOS管Q6的S极均接地。

进一步，所述整流桥D包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述二极管D1的负极与二极管D3的负极相连，所述二极管D3的正极与二极管D4的负极相连，所述二极管D4的正极与二极管D2的正极相连，所述二极管D2的负极与二极管D1的正极相连，所述二极管D1的正极与所述可控硅T1的1脚相连，所述可控硅 T1的2脚连接交流电的火线L，所述二极管D3的正极连接交流电的零线N。

进一步，所述MCU模块的I/O口通过可控硅隔离驱动电路与可控硅T1相连。

进一步，所述可控硅隔离驱动电路包括驱动芯片U1，所述驱动芯片U1的1脚接电源VCC，所述驱动芯片U1的2脚接MCU模块的I/O口，所述驱动芯片U1的4脚接可控硅T1的3脚，所述驱动芯片U1的6脚接整流桥D的输入端。

进一步，所述可控硅T1的2脚与交流电的火线L之间串联有保险丝FU1。

进一步，所述交流电的火线L和零线N之间并联有热敏电阻VDR。

采用了上述技术方案，本实用新型舍弃了现有技术的旁路法，仅由可控硅T1完成涌流抑制，在初始上电时对可控硅T1进行相移控制，控制导通角，使直流电容器CE1 充电电压随着线电压周期逐渐增加，可控硅T1导通时间段的线电压靠近零点，线电压的电压不大，以此限制充电电流的大小，能有效的避免过大的涌流产生，然后对可控硅 T1再进行全电压导通控制，将线电压加在整流桥D以后的负载上，几个充电周期后直流电容器CE1电压可以达到线电压最大值，此时已不再产生涌流。本实用新型的电路结构简单，安全稳定，成本低廉。

附图说明

图1为本实用新型的背景技术的方案一的原理框图；

图2为本实用新型的一种具有涌流限制的电机控制系统的原理框图；

图3为本实用新型的可控硅T1进行相移控制时的电压波形图；

图4为本实用新型的可控硅T1在全波形导通时的电压波形图；

图5为本实用新型的AC-DC隔离辅助电源电路的原理框图；

图6为本实用新型的AC-DC隔离辅助电源电路的电路原理图；

图7为本实用新型的功率逆变拓扑电路的电路原理图；

图8为本实用新型的整流桥D的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

如图2所示，本实施例提供一种具有涌流限制的电机控制系统，它包括MCU模块、交直流转换电路、功率逆变拓扑电路和AC-DC隔离辅助电源电路，交直流转换电路的输入端连接电网输入的交流电，交直流转换电路的输出端与功率逆变拓扑电路的输入端相连，功率逆变拓扑电路的输出端与电机相连，交直流转换电路输出的直流电源Vout 供功率逆变拓扑电路和电机使用。AC-DC隔离辅助电源电路的输入端与电网输入的交流电相连，AC-DC隔离辅助电源电路的输出端与MCU模块的电源端口相连，AC-DC 隔离辅助电源电路为MCU模块供电。

如图2所示，本实施例的交直流转换电路包括可控硅T1、整流桥D和直流电容器CE1，整流桥D的两个交流输入端分别连接交流电的火线L和零线N，可控硅T1串联在整流桥D的一个交流输入端上，MCU模块的I/O口与可控硅T1相连，MCU模块完成可控硅T1的相移控制及电机控制。

如图2所示，本实施例的MCU模块通过可控硅隔离驱动电路与可控硅T1相连，对可控硅T1进行驱动，可控硅隔离驱动电路的另一个作用是将MCU的驱动引脚与可控硅T1隔离开。本实施例的可控硅隔离驱动电路包括驱动芯片U1，驱动芯片U1采用隔离光耦驱动芯片，驱动芯片U1的1脚接电源VCC，驱动芯片U1的2脚接MCU模块的I/O口，驱动芯片U1的4脚接可控硅T1的3脚，驱动芯片U1的6脚接整流桥D 的输入端。

本实施例的电机控制系统接入电网后，由AC/DC隔离辅助电源电路完成对MCU 模块的供电，MCU模块对可控硅T1进行相移控制，即可控硅T1在线电压半周期的末尾被触发(线电压过零点后延迟一个α1的时间触发可控硅T1)。第一次直流电容器 CE1充电被限制在一个较低水平，从而限制充电电流。在下一个半波周期，可控硅T1 在一个更短的延迟时间α2后被触发，直流电容器CE1电压被充到一个更高的电压，周而复始直至直流电容器CE1电压被充到最大线电压。然后MCU模块停止对可控硅T1 进行相移控制，直接打开可控硅T1，将线电压直接加在整流桥D上供后级负载使用。

本实施例的可控硅T1需要完成两个控制过程，初始上电对可控硅T1进行相移控制，控制导通角，使直流电容器CE1充电电压随着线电压周期逐渐增加，以此限制充电电流的大小。然后，可控硅T1再进行全电压导通控制，将线电压加在整流桥D以后的负载上。此方案可控硅T1在完成相移控制后需要持续导通，负载电流会引起可控硅的功率损耗(导通损耗)，为了避免因功率损耗引起结温过高损坏，实际使用时需要可控硅加装额外散热器进行散热。

系统上电首先对可控硅T1进行相移控制，其波形如图3所示，由波形图可知交流线电压、电流及可控硅控制脉冲信号和Vout的关系，检测到交流线电压过零点后延迟α1、α2、α3、α4……触发可控硅T1，Triac control脉冲使可控硅T1导通，可控硅T1导通时间段的线电压靠近零点，线电压的电压不大，能有效的避免过大的涌流产生，几个充电周期后电容电压可以达到线电压最大值。当直流电容器CE1电压充满后，此时已不再产生涌流，改变可控硅T1的触发时刻，使可控硅T1全波形导通，其控制波形如图4所示，此时的电流Iline(交流端信号)不再是涌流，而是后级电路负载电流。

如图5、6示，本实施例的AC-DC隔离辅助电源电路包括EMI滤波器、整流桥D 和反激式隔离开关电源，EMI滤波器的输入端与交流电的火线L以及零线N相连，整流桥D的输入端与EMI滤波器的输出端相连，EMI滤波器起到控制传导电磁干扰和辐射电磁干扰的作用，反激式隔离开关电源的输入端与整流桥D的输出端相连，反激式隔离开关电源的输出端为MCU模块供电，反激式隔离开关电源将交流电转换为供MCU 模块使用的3.3V直流电。

本实施例的反激式隔离开关电源包括电容Ci、MOS管Q7、变压器B1、二极管D9 和电容Co，变压器B1的输入端与整流桥D的输出端相连，电容Ci并联在变压器B1 的两个输入端之间，MOS管Q7串联在变压器B1的一个输入端上，变压器B1的输出端为MCU模块供电，电容Co并联在变压器B1的两个输出端之间，二极管D9串联在变压器B1的一个输出端上。

如图7所示，本实施例以三相电机为例，本实施例的功率逆变拓扑电路包括MOS 管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5和MOS管Q6，MOS管 Q1与MOS管Q2串联成一组，MOS管Q3与MOS管Q4串联成一组，MOS管Q5与 MOS管Q6串联成一组，MOS管Q1的D极、MOS管Q3的D极和MOS管Q5的D 极均连接电源+HV，MOS管Q2的S极、MOS管Q4的S极和MOS管Q6的S极均接地，每一组MOS管的中间连接端分别为三相无刷电机的U、V、W三相供电。

如图8所示，本实施例的整流桥D包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，二极管D1的负极与二极管D3的负极相连，二极管D3的正极与二极管D4的负极相连，二极管D4的正极与二极管D2的正极相连，二极管D2的负极与二极管D1 的正极相连，二极管D1的正极与可控硅T1的1脚相连，可控硅T1的2脚连接交流电的火线L，二极管D3的正极连接交流电的零线N。

如图2所示，本实施例的可控硅T1的2脚与交流电的火线L之间串联有保险丝FU1。

如图2所示，本实施例的交流电的火线L和零线N之间并联有热敏电阻VDR。

以上的具体实施例，对本实用新型解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有涌流限制的电机控制系统，其特征在于，它包括MCU模块、交直流转换电路和功率逆变拓扑电路，所述交直流转换电路的输入端连接电网输入的交流电，所述交直流转换电路的输出端与功率逆变拓扑电路的输入端相连，所述功率逆变拓扑电路的输出端与电机相连；

所述交直流转换电路包括可控硅T1、整流桥D和直流电容器CE1，所述整流桥D的两个交流输入端分别连接交流电的火线L和零线N，所述可控硅T1串联在所述整流桥D的一个交流输入端上；

所述MCU模块用于对交直流转换电路输出的直流母线电压进行检测，并根据母线电压的大小对可控硅T1进行相移控制。

2.根据权利要求1所述的一种具有涌流限制的电机控制系统，其特征在于：还包括AC-DC隔离辅助电源电路，所述AC-DC隔离辅助电源电路的输入端与电网输入的交流电相连，所述AC-DC隔离辅助电源电路的输出端与MCU模块的电源端口相连。

3.根据权利要求2所述的一种具有涌流限制的电机控制系统，其特征在于：所述AC-DC隔离辅助电源电路包括EMI滤波器、整流桥D和反激式隔离开关电源，所述EMI滤波器的输入端与交流电的火线L以及零线N相连，所述整流桥D的输入端与EMI滤波器的输出端相连，所述反激式隔离开关电源的输入端与整流桥D的输出端相连，所述反激式隔离开关电源的输出端为MCU模块供电。

4.根据权利要求3所述的一种具有涌流限制的电机控制系统，其特征在于：所述反激式隔离开关电源包括电容Ci、MOS管Q7、变压器B1、二极管D9和电容Co，所述变压器B1的输入端与整流桥D的输出端相连，所述电容Ci并联在变压器B1的两个输入端之间，所述MOS管Q7串联在变压器B1的一个输入端上，所述变压器B1的输出端为MCU模块供电，所述电容Co并联在变压器B1的两个输出端之间，所述二极管D9串联在变压器B1的一个输出端上。

5.根据权利要求1所述的一种具有涌流限制的电机控制系统，其特征在于：所述功率逆变拓扑电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5和MOS管Q6，所述MOS管Q1与MOS管Q2串联成一组，所述MOS管Q3与MOS管Q4串联成一组，所述MOS管Q5与MOS管Q6串联成一组，所述MOS管Q1的D极、MOS管Q3的D极和MOS管Q5的D极均连接电源+HV，所述MOS管Q2的S极、MOS管Q4的S极和MOS管Q6的S极均接地。

6.根据权利要求1所述的一种具有涌流限制的电机控制系统，其特征在于：所述整流桥D包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述二极管D1的负极与二极管D3的负极相连，所述二极管D3的正极与二极管D4的负极相连，所述二极管D4的正极与二极管D2的正极相连，所述二极管D2的负极与二极管D1的正极相连，所述二极管D1的正极与所述可控硅T1的1脚相连，所述可控硅T1的2脚连接交流电的火线L，所述二极管D3的正极连接交流电的零线N。

7.根据权利要求1所述的一种具有涌流限制的电机控制系统，其特征在于：所述MCU模块的I/O口通过可控硅隔离驱动电路与可控硅T1相连。

8.根据权利要求7所述的一种具有涌流限制的电机控制系统，其特征在于：所述可控硅隔离驱动电路包括驱动芯片U1，所述驱动芯片U1的1脚接电源VCC，所述驱动芯片U1的2脚接MCU模块的I/O口，所述驱动芯片U1的4脚接可控硅T1的3脚，所述驱动芯片U1的6脚接整流桥D的输入端。

9.根据权利要求1所述的一种具有涌流限制的电机控制系统，其特征在于：所述可控硅T1的2脚与交流电的火线L之间串联有保险丝FU1。

10.根据权利要求1所述的一种具有涌流限制的电机控制系统，其特征在于：所述交流电的火线L和零线N之间并联有热敏电阻VDR。

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