TWI535180B - 軟啟動失效的偵測方法及變頻裝置 - Google Patents

Description

軟啟動失效的偵測方法及變頻裝置

本發明係關於一種軟啟動失效的偵測方法及變頻裝置。

馬達是可將電能轉換為動能，進而驅動其他裝置的電氣設備，舉凡工業上使用的大型馬達，或是居家常見的風扇馬達，甚至是行動裝置的小型或微型馬達，無處不見馬達的蹤跡。馬達的出現不但促進科技的進步，同時也為人類帶來便利。

然而，馬達在能量轉換過程中，部分電能將轉換為熱能而被消耗，使得動能的轉換量較少，進而降低能量的轉換效率。為此，部分業者透過變頻器來驅動馬達，以調整馬達工作電壓的頻率和幅度，進而控制馬達轉速及轉矩，以提升能源的轉換效率。

不過，雖然變頻器內具有軟啟動裝置，搭配軟啟動電阻與繼電器的方式，可避免輸入電壓產生浪湧電流而使元件損壞，但是當軟啟動裝置失效時且持續有載輸出，其軟啟動電阻很容易因溫度過高而有失火的疑慮。

依據本發明的一種軟啟動失效的偵測方法與一變頻裝置配合應用。變頻裝置包括一儲能單元、一逆變電路及一控制器。偵測方法包括以下步驟：將變頻裝置連接一負載；控制器測得儲能單元具有一第一電壓位準；逆變電路產生一輸出電流至負載；控制器測得儲能單元由第一電壓位準轉為一第二電壓位準；控制器依據輸出電流產生一參考電壓值，並判斷第一電壓位準與第二電壓位準的電壓差值是否大於參考電壓值；當電壓差值大於參考電壓值，控制器判斷儲能單元的電壓峰對峰值是否小於一設定值；以及當電壓峰對峰值小於設定值，控制器控制逆變電路停止輸出輸出電流至負載。

在一實施例中，參考電壓值是依據輸出電流與變頻裝置的一軟啟動電路的一電阻值產生。

依據本發明的一種變頻裝置包括一轉換電路、一軟啟動電路、一儲能單元、一逆變電路以及一控制器。轉換電路接收一電源訊號，並據以輸出一直流訊號。軟啟動電路接收直流訊號。儲能單元連接軟啟動電路，直流訊號通過軟啟動電路對儲能單元充能至一第一電壓位準。逆變電路連接軟啟動電路及儲能單元。控制器控制逆變電路輸出一輸出電流。其中當逆變電路產生輸出電流至一負載時，儲能單元由第一電壓位準轉為一第二電壓位準，且控制器依據輸出電流產生一參考電壓值，並判斷第一電壓位準與第二電壓位準的電壓差值是否大於參考電壓值。當電壓差值大於參考電壓值，控制器判斷儲能單元的電壓峰對峰值是否小於一設定值。當電壓峰對峰值小於設定值，逆變電路停止輸出輸出電流至負載。

在一實施例中，電源訊號為直流電源訊號或交流電源訊號。

在一實施例中，轉換電路為橋式整流器或三相整流器。

在一實施例中，軟啟動電路包括一電阻及一繼電器。電阻的一端同時連接繼電器的一端及轉換電路，而電阻的另一端同時連接繼電器的另一端及儲能單元。

在一實施例中，軟啟動電路包括一電阻及一閘流體。電阻的一端同時連接閘流體的一端及轉換電路，而電阻的另一端同時連接閘流體的另一端及儲能單元。

在一實施例中，儲能單元包括至少一電容器。

在一實施例中，逆變電路為半橋逆變器、全橋逆變器、或三相逆變器。

承上所述，本發明藉由控制器的偵測與運算，可判斷軟啟動電路是否已失效，進而停止變頻裝置的運作，以避免電阻因溫度過高而燒毀甚至起火的疑慮。此外，本實施例並不需要額外裝設元件於變頻裝置上便可偵測軟啟動電路是否失效，因此不會額外增加產品成本，又能達到保護產品的功效。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種軟啟動失效的偵測方法及變頻裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖1為本發明較佳實施例的一種變頻裝置的電路示意圖。請參照圖1所示，變頻裝置V可應用於一負載L（例如是馬達），並包括一轉換電路1、一軟啟動電路2、一逆變電路3、一控制器4以及一儲能單元5。轉換電路1連接軟啟動電路2，軟啟動電路2連接逆變電路3及儲能單元5，而控制器4耦接儲能單元5及逆變電路3。

轉換電路1接收一電源訊號P，並據以輸出一直流訊號S1。在本實施例中，轉換電路1為橋式整流器，而電源訊號P為交流電源訊號，其可經由轉換電路1整流後輸出直流訊號S1。另外，轉換電路1可為三相整流器或其他整流電路，此處不作限制。

軟啟動電路2接收直流訊號S1以進行軟啟動。直流訊號S1通過軟啟動電路2對儲能單元5充能至一第一電壓位準V1（如圖3A所示）。

在本實施例中，儲能單元5是以一電容器為例，而在其他實施態樣中，儲能單元5可以為多個電容器的組合，例如相互串聯或並聯，進而等效於一個電容器。於此，此電容器可被充能至第一電壓位準V1，以提供逆變電路3穩定的輸入電壓。

請一併搭配圖1及圖2A所示，其中圖2A為軟啟動電路的示意圖。在本實施例中，軟啟動電路2包括一電阻21及一繼電器22。電阻21的一端同時連接繼電器22的一端及轉換電路1，而電阻21的另一端同時連接繼電器22的另一端及儲能單元5。換句話說，電阻21與繼電器22並聯連接後，再串聯於轉換電路1及儲能單元5之間。值得一提的是，電阻21可以為多個電阻器的組合，例如相互串聯或並聯，進而等效於一個電阻器。於此，此電阻21具有一電阻值R，以使直流訊號S1流經電阻21造成壓降，而不致產生浪湧電流至儲能單元5。

值得一提的是，在一些實施例中，如圖2B所示，繼電器22可置換為一閘流體（thyristor）23，其陽極端連接轉換電路1，陰極端連接儲能單元5，而控制端耦接控制器4。

逆變電路3連接軟啟動電路2及儲能單元5，並將直流訊號S1轉換為交流電流而輸出一輸出電流S2至負載L。其中逆變電路3可為半橋逆變器、全橋逆變器、或三相逆變器。

控制器4耦接儲能單元5及逆變電路3的輸出端，以測量儲能單元5上的電壓以及逆變電路3的輸出電流（即輸出電流S2的電流值），進而判斷軟啟動電路2是否失效，同時，控制器4可控制逆變電路3輸出輸出電流S2。此外，控制器4可例如為微處理器（Micro-processor）、微控制器（MCU）、可程式邏輯閘陣列（FPGA或CPLD）、或特定應用積體電路（ASIC），在此並不加以限制。

請同時參考圖1、圖2A及圖3A所示，其中圖3A為儲能單元在軟啟動電路正常運作時的電壓時序圖。進一步而言，在變頻裝置V耦接電源訊號P時（運作初期，初始時點T0），繼電器22保持斷開，因而直流訊號S1將會流經電阻21而至儲能單元5。由於電阻21可避免電路忽然接收浪湧電流產生損壞，因此具有保護電路元件的作用。接著，當控制器4偵測儲能單元5儲能完成後而具有第一電壓位準V1時（第一時點T1），控制器4可控制繼電器22導通，並使逆變電路3開始運作（第二時點T2），因而直流訊號S1將改變路徑而流經繼電器22至逆變電路3，以產生輸出電流S2至負載L。於此同時，因為儲能單元5持續地充能及釋能，控制器4可偵測儲能單元5上的電壓波形呈現微幅的漣波或鋸齒狀，此時儲能單元5具有電壓峰對峰值Vp-p。

接著請參照圖3B所示，其為儲能單元在軟啟動電路失效時的電壓時序圖。當繼電器22故障或損壞而維持斷開無法導通時，直流訊號S1僅能流經電阻21，而控制器4測得儲能單元5儲能完成後而具有第一電壓位準V1時（第一時點T1），仍舊會使逆變電路3開始運作（第二時點T2），以產生輸出電流S2至負載L。於此同時，由於直流訊號S1流經電阻21時產生壓降，因此控制器4測得儲能單元5上的電壓逐漸轉變為一第二電壓位準V2。接著，當控制器4測得儲能單元5上的電壓為第二電壓位準V2時（第三時點T3），控制器4將依據輸出電流S2產生一參考電壓值Vr，特別是依據輸出電流S2的電流值與軟啟動電路2的電阻值（即電阻21的電阻值R）產生參考電壓值Vr，其中參考電壓值Vr為輸出電流S2的電流值與軟啟動電路2的電阻值的乘積，再乘上一修正係數C而得。需說明的是，由於輸出電流S2的電流值大小會因為不同的負載L而隨之改變，因此參考電壓值Vr並非一個固定的預設值，而是依據輸出電流S2的變化而浮動的參考值，如此變頻裝置V才能依據不同的負載L產生對應的參考電壓值Vr，以準確的判斷軟啟動電路2是否失效（如後所述）。

然後，控制器4判斷第一電壓位準V1與第二電壓位準V2的電壓差值Vm是否大於參考電壓值Vr。若是，即儲能單元5的壓差過大，控制器4再判斷儲能單元5的電壓峰對峰值Vp-p是否小於一設定值，當小於設定值時，表示儲能單元5具有很小的漣波或鋸齒狀，即儲能單元5因壓降而未儲能至第一電壓位準V1，故仍持續被充電中。需說明的是，因為有時軟啟動電路2雖然無失效，但若負載L較大仍可能造成上述電壓差值Vm過大，本發明因此再判斷儲能單元5的電壓峰對峰值Vp-p是否小於設定值，因為若軟啟動電路2無失效，上述電壓峰對峰值Vp-p會較大，因此藉由判斷電壓峰對峰值Vp-p是否小於設定值以確定軟啟動電路2是否確實失效，該設定值可依實際設計而適當選擇。藉此，控制器4經由上述二個判斷式，可推得繼電器22故障，因此控制器4將控制逆變電路3停止輸出輸出電流S2至負載L，以避免電阻21溫度過高而燒毀甚至起火的疑慮。

此外，轉換電路1可更透過一開關（圖未示）耦接電源訊號P，而當控制器4判斷軟啟動電路2失效時，控制器4更可控制開關斷開，以使轉換電路1停止接收電源訊號P。

如此一來，本實施例藉由控制器4的偵測與運算，可判斷軟啟動電路2是否已失效，進而停止變頻裝置V的運作，以避免電阻21因溫度過高而燒毀甚至起火的疑慮。此外，本實施例並不需要額外裝設元件於變頻裝置V上便可偵測軟啟動電路2是否失效，因此不會額外增加產品成本，又能達到保護產品的功效。

圖4為本發明較佳實施例的一種軟啟動失效的偵測方法流程圖。請參照圖1至圖4所示，此偵測方法是與上述的變頻裝置V配合應用，其中變頻裝置V的元件結構及作動說明以詳述於上，於此不多作贅述。於此，偵測方法包括以下步驟：將變頻裝置連接一負載（S01）；控制器測得儲能單元具有一第一電壓位準（S02）；逆變電路產生一輸出電流至負載（S03）；控制器測得儲能單元由第一電壓位準轉為一第二電壓位準（S04）；控制器依據輸出電流產生一參考電壓值，並判斷第一電壓位準與第二電壓位準的電壓差值是否大於參考電壓值（S05）；當電壓差值大於參考電壓值，控制器判斷儲能單元的電壓峰對峰值是否小於一設定值（S06）；當電壓峰對峰值小於設定值，控制器控制逆變電路停止輸出輸出電流至負載（S07）。

在步驟S02及步驟S04中，控制器4可測得逆變器輸出電流至負載之前與之後，其儲能單元5的電壓變化。而步驟S03，當逆變電路3供電至負載L時，儲能單元5便開始釋能，並且控制器4可測得逆變電路3的輸出電流S2的電流值，即變頻裝置V的輸出電流值。

接著步驟S05中，經由控制器4將儲能單元5的電壓變化之差值與參考電壓值做比較，據以判斷軟啟動電路2是否有失效的可能。並且再透過步驟S06判斷儲能單元5的電壓峰對峰值Vp-p是否小於設定值。若小於設定值，便停止變頻裝置V的運作，以避免軟啟動電路2燒毀。反之，則變頻裝置V為正常運作（S09）。在一些實施例中，控制器4可控制轉換電路1停止接收電源訊號P（S08）。

另外請參照圖5所示，其為本發明另一實施例的一種變頻裝置的電路示意圖。本實施例的變頻裝置Va與上述實施例的變頻裝置V大致相同，不同之處在於，本實施例的軟啟動電路2a是位於低壓側，而上述實施例則是在高壓側，而其他作動與判斷皆相同，於此不多贅述。

綜上所述，本發明藉由控制器的偵測與運算，可判斷軟啟動電路是否已失效，進而停止變頻裝置的運作，以避免電阻因溫度過高而燒毀甚至起火的疑慮。此外，本實施例並不需要額外裝設元件於變頻裝置上便可偵測軟啟動電路是否失效，因此不會額外增加產品成本，又能達到保護產品的功效。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧轉換電路
2、2a‧‧‧軟啟動電路
21‧‧‧電阻
22‧‧‧繼電器
23‧‧‧閘流體
3‧‧‧逆變電路
4‧‧‧控制器
5‧‧‧儲能單元
L‧‧‧負載
P‧‧‧電源訊號
S1‧‧‧直流訊號
S2‧‧‧輸出電流
S01～S09‧‧‧步驟
T0‧‧‧初始時點
T1‧‧‧第一時點
T2‧‧‧第二時點
T3‧‧‧第三時點
V、Va‧‧‧變頻裝置
V1‧‧‧第一電壓位準
V2‧‧‧第二電壓位準
Vm‧‧‧電壓差值
Vp-p‧‧‧電壓峰對峰值

圖1為本發明較佳實施例的一種變頻裝置的電路示意圖。 圖2A為軟啟動電路的示意圖。 圖2B為軟啟動電路的另一示意圖。 圖3A為儲能單元在軟啟動電路正常運作時的電壓時序圖。 圖3B為儲能單元在軟啟動電路失效時的電壓時序圖。 圖4為本發明較佳實施例的一種軟啟動失效的偵測方法流程圖。 圖5為本發明另一實施例的一種變頻裝置的電路示意圖。

1‧‧‧轉換電路

2‧‧‧軟啟動電路

3‧‧‧逆變電路

4‧‧‧控制器

5‧‧‧儲能單元

L‧‧‧負載

P‧‧‧電源訊號

S1‧‧‧直流訊號

S2‧‧‧輸出電流

V‧‧‧變頻裝置

Claims (9)

1. 一種軟啟動失效的偵測方法，與一變頻裝置配合應用，該變頻裝置包括一儲能單元、一逆變電路及一控制器，該偵測方法包括以下步驟： 將該變頻裝置連接一負載； 該控制器測得該儲能單元具有一第一電壓位準； 該逆變電路產生一輸出電流至該負載； 該控制器測得該儲能單元由該第一電壓位準轉為一第二電壓位準； 該控制器依據該輸出電流產生一參考電壓值，並判斷該第一電壓位準與該第二電壓位準的電壓差值是否大於該參考電壓值； 當該電壓差值大於該參考電壓值，該控制器判斷該儲能單元的電壓峰對峰值是否小於一設定值；以及 當該電壓峰對峰值小於該設定值，該控制器控制該逆變電路停止輸出該輸出電流至該負載。
2. 如申請專利範圍第1項所述的偵測方法，其中該參考電壓值是依據該輸出電流與該變頻裝置的一軟啟動電路的一電阻值產生。
3. 一種變頻裝置，包括： 一轉換電路，接收一電源訊號，並據以輸出一直流訊號； 一軟啟動電路，接收該直流訊號； 一儲能單元，連接該軟啟動電路，該直流訊號通過該軟啟動電路對該儲能單元充能至一第一電壓位準； 一逆變電路，連接該軟啟動電路及該儲能單元；以及 一控制器，控制該逆變電路輸出一輸出電流； 其中當該逆變電路產生該輸出電流至一負載時，該儲能單元由該第一電壓位準轉為一第二電壓位準，且該控制器依據該輸出電流產生一參考電壓值，並判斷該第一電壓位準與該第二電壓位準的電壓差值是否大於該參考電壓值； 當該電壓差值大於該參考電壓值，該控制器判斷該儲能單元的電壓峰對峰值是否小於一設定值； 當該電壓峰對峰值小於該設定值，該逆變電路停止輸出該輸出電流至該負載。
4. 如申請專利範圍第3項所述的變頻裝置，其中該電源訊號為直流電源訊號或交流電源訊號。
5. 如申請專利範圍第3項所述的變頻裝置，其中該轉換電路為橋式整流器或三相整流器。
6. 如申請專利範圍第3項所述的變頻裝置，其中該軟啟動電路包括一電阻及一繼電器，該電阻的一端同時連接該繼電器的一端及該轉換電路，而該電阻的另一端同時連接該繼電器的另一端及該儲能單元。
7. 如申請專利範圍第3項所述的變頻裝置，其中該軟啟動電路包括一電阻及一閘流體，該電阻的一端同時連接該閘流體的一端及該轉換電路，而該電阻的另一端同時連接該閘流體的另一端及該儲能單元。
8. 如申請專利範圍第3項所述的變頻裝置，其中該儲能單元包括至少一電容器。
9. 如申請專利範圍第3項所述的變頻裝置，其中該逆變電路為半橋逆變器、全橋逆變器、或三相逆變器。