專利名稱：無損耗的變頻器軟啟動裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變頻器領(lǐng)域，尤其涉及無損耗的變頻器軟啟動裝置及實(shí)現(xiàn)軟啟動的方法。
背景技術(shù)：
變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用，調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率以調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的一種控制裝置。變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高，動態(tài)響應(yīng)快，低速轉(zhuǎn)矩好，節(jié)約電能， 工作效率高，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用變頻調(diào)速，不僅可以使電機(jī)在節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，而且還可以大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，提升工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率。對于目前常用的電壓型交-直-交變頻器拓?fù)?，前級為輸入不可控整流單元，中間級為大功率直流儲能濾波單元，后級為逆變輸出單元。直流儲能濾波單元主要由大容量電解電容構(gòu)成，由于電容初始狀態(tài)相當(dāng)于短路，變頻器輸入側(cè)合間上電時，如果不經(jīng)過任何處理就將整流后的電壓加到電解電容上，會引起瞬間較大的充電電流，從而給變頻器整流回路造成沖擊，并造成電解電容壽命下降，甚至?xí)斜ǖ奈ｋU。因此，我們必須設(shè)計一種裝置和方法，使得在上電的瞬間電解電容兩端的電壓緩慢上升，以避免上述的故障出現(xiàn)，這就是我們所說的軟啟動裝置和軟啟動方法。目前變頻器業(yè)界內(nèi)使用的變頻器軟啟動的方案通常有以下幾種1、限流電阻加繼電器(或可控硅)組合如圖1所示，在母線電容的充電回路中串聯(lián)限流電阻，且有開關(guān)器件(例如繼電器或可控硅)與限流電阻并聯(lián)。加電后電流先從充電電阻上流過，由限流電阻限流對母線電容充電；當(dāng)母線電容的直流電壓上升到設(shè)定值時，使用開關(guān)器件將限流電阻旁路，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的變頻器一般采用此種方案。該方案的缺點(diǎn)是軟啟動過程限流電阻損耗大，發(fā)熱嚴(yán)重，可靠性低，一旦限流電阻燒壞，變頻器便不能再啟動，從而使變頻器不能工作。當(dāng)變頻器頻繁上電時，變頻器將連續(xù)多次工作在軟啟動狀態(tài)，限流電阻將發(fā)熱更加嚴(yán)重而燒壞，使變頻器產(chǎn)生故障，大大降低了系統(tǒng)的可靠性。2、晶閘管半控整流該方案是利用晶閘管的半控特性，上電啟動時，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，使得濾波電容上的電壓按設(shè)定的規(guī)律緩慢上升，實(shí)現(xiàn)軟啟動。這個方案的缺點(diǎn)在于，需要檢測輸入電壓以對導(dǎo)通角進(jìn)行控制，觸發(fā)電路設(shè)計復(fù)雜。3、利用開關(guān)電源預(yù)充電該方案是變頻器上電啟動前先接通輸出連接到母線電容的輔助開關(guān)電源，利用開關(guān)電源的軟啟動特性對母線電容進(jìn)行預(yù)充電，待充電完成后斷開與母線電容的連接，再接通變頻器主輸入開關(guān)。這個方案的缺點(diǎn)在于，需增加輔助開關(guān)電源，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、 成本高
發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有軟啟動過程存在損耗大的技術(shù)問題，本發(fā)明的首要目的是提供無損耗的變頻器軟啟動裝置，降低軟啟動的功耗，有效防止了上電時的大充電電流對整流單元和儲能濾波單元的損壞，并進(jìn)而防止后一級電路的故障擴(kuò)大，提高系統(tǒng)可靠性。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的另一目的是提供無損耗的變頻器軟啟動方法， 降低軟啟動的功耗，有效防止了上電時的大充電電流對整流單元和儲能濾波單元的損壞， 并進(jìn)而防止后一級電路的故障擴(kuò)大，提高系統(tǒng)可靠性。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述首要目的無損耗的變頻器軟啟動裝置，輸入端與變頻器整流電路相連，輸出端與母線電容相連，所述軟啟動裝置為一上電緩沖電路，包括繼電器、MOS管、二極管、電抗器及控制系統(tǒng)； 所述MOS管漏極與繼電器主觸點(diǎn)一端相連，源極與繼電器主觸點(diǎn)另一端相連；所述二極管陽極與母線電容負(fù)極相連，陰極與MOS管源極以及電抗器一端相連；所述電抗器另一端與母線電容正極相連；所述MOS管、繼電器、母線電容分別與控制系統(tǒng)相連接，所述控制系統(tǒng)還與三相電源連接。優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)包括第一比較模塊，用于判斷變頻器輸入市電信號是否正常；第二比較模塊，用于判斷變頻器母線電容是否充電完成；控制模塊，用于向MOS管與繼電器輸出驅(qū)動信號；所述第一比較模塊和第二比較模塊分別與控制模塊連接。所述控制系統(tǒng)的芯片型號為TMS320LFM06A。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述另一目的基于上述變頻器軟啟動裝置的軟啟動方法，包含以下步驟Si、第一比較模塊判斷所檢測到的變頻器輸入電源信號是否正常，如不正常進(jìn)入步驟S2，如正常則進(jìn)入步驟S3 ；S2、控制模塊輸出禁止MOS管和繼電器導(dǎo)通的驅(qū)動信號，禁止母線電容充電，結(jié)束軟啟動；S3、控制模塊輸出占空比逐漸變小的驅(qū)動信號開通MOS管，使得MOS管、二極管和電抗器構(gòu)成恒流充電電路對母線電容充電；S4、第二比較模塊檢測并判斷母線電容是否充電完成，如充電完成進(jìn)入步驟S5，否則返回步驟S3 ；S5、控制模塊輸出封鎖MOS管輸出的驅(qū)動信號，并輸出使繼電器JKl閉合的驅(qū)動信號，完成軟啟動過程。優(yōu)選地，所述步驟S3對母線電容充電具體為當(dāng)MOS管開通時，電抗器電流線性上升，母線電容充電電流線性上升；當(dāng)MOS管關(guān)斷時，電抗器釋放能量，電抗器電流通過二極管續(xù)流且電抗器電流線性下降，母線電容充電電流下降。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于，1、所用到的控制系統(tǒng)是變頻器的基本單元，所用到的電抗器也是變頻器本身為改善輸入特性所加的必須元件，不是為了實(shí)現(xiàn)軟啟動功能而額外增加的，電路只需額外增加一個小功率MOS管元件，降低了硬件成本，提高了系統(tǒng)可靠性；而用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的軟啟動過程可以根據(jù)需要靈活設(shè)計軟啟動曲線，達(dá)到滿意的軟啟動特性，減小對母線電容的沖擊，提高了系統(tǒng)可靠性。
2、軟啟動過程是利用MOS管的開關(guān)特性，使直流電抗器工作在恒流狀態(tài)而完成的，MOS管開關(guān)損耗非常小，因此本發(fā)明的軟啟動過程屬于無損耗啟動過程。3、根據(jù)變頻器的輸入狀態(tài)來決定是否對母線電容充電，從而保護(hù)母線電容及后級電路。


圖1是目前通用的利用充電電阻和繼電器實(shí)現(xiàn)變頻器軟啟動的電路圖；圖2是本發(fā)明利用小功率開關(guān)管和繼電器實(shí)現(xiàn)變頻器軟啟動的電路圖；圖3是本發(fā)明控制系統(tǒng)的模塊框圖；圖4是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)軟啟動的方法流程圖；圖5是本發(fā)明的變頻器軟啟動的驅(qū)動波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例如圖2所示，本發(fā)明變頻器軟啟動裝置，輸入端與變頻器整流電路Bl相連，輸出端與母線電容Cl相連；其中，所述軟啟動裝置為一上電緩沖電路，包括繼電器JKl、M0S管Ql、 二極管Dl、電抗器Ll及控制系統(tǒng)；所述MOS管Ql漏極與繼電器JKl主觸點(diǎn)一端相連，源極與繼電器JKl主觸點(diǎn)另一端相連；所述二極管Dl陽極與母線電容Cl負(fù)極相連，陰極與MOS 管Ql源極以及電抗器Ll 一端相連；所述電抗器Ll另一端與母線電容Cl正極相連；所述 MOS管Q1、繼電器JK1、母線電容Cl分別與控制系統(tǒng)相連接，所述控制系統(tǒng)還與三相電源連接。參見圖3，所述控制系統(tǒng)包括用于向MOS管與繼電器輸出驅(qū)動信號的控制模塊，以及分別與控制模塊連接的用于判斷變頻器輸入市電信號是否正常的第一比較模塊和用于判斷變頻器母線電容是否充電完成的第二比較模塊；第一比較模塊接收三相電源信號(即市電信號)，第二比較模塊接收母線電容信號；控制模塊根據(jù)第一比較模塊和第二比較模塊的比較結(jié)果，向MOS管Ql和繼電器JKl分別輸出驅(qū)動信號。如圖4所示，本發(fā)明的變頻器軟啟動方法，包括以下步驟第一步、在變頻器軟啟動前(0-T0時段)，MOS管Ql和繼電器JKl為截止?fàn)顟B(tài)，變頻器控制系統(tǒng)的第一比較模塊對檢測到的變頻器的輸入電源(即市電信號)進(jìn)行判斷(主要判斷輸入市電的電壓和頻率)；當(dāng)判斷輸入電源不正常時，如輸入電壓過高等，轉(zhuǎn)入第二步；當(dāng)判斷輸入電源正常時(T0-T1時段)，轉(zhuǎn)入第三步。第二步、控制系統(tǒng)的控制模塊輸出禁止MOS管和繼電器動作信號，禁止母線電容充電，從而保護(hù)了變頻器主系統(tǒng)。第三步、控制系統(tǒng)的控制模塊輸出占空比D逐漸變小(如圖5中TO-Tl時刻所示) 的驅(qū)動信號開通MOS管Q1，使得MOS管Q1、二極管Dl和電抗器Ll構(gòu)成有一定電流紋波的恒流充電電路對母線電容充電。當(dāng)MOS管Ql開通時，電抗器電流線性上升，同時儲存能量， 母線電容充電電流線性上升，母線電壓緩慢升高；當(dāng)MOS管Ql關(guān)斷時，電抗器釋放能量，其電流通過二極管Dl續(xù)流，電流線性下降，母線電容充電電流下降，母線電壓緩慢升高。通過調(diào)節(jié)占空比的變化規(guī)律，母線電容可以按照所需要的電流曲線進(jìn)行充電。第四步、控制系統(tǒng)的第二比較模塊檢測母線電容是否充電完成，若充電未完成則返回第三步，若充電完成則轉(zhuǎn)入第五步。第五步、當(dāng)控制系統(tǒng)的第二比較模塊判斷母線電壓Cl達(dá)到額定值(Tl時刻)，即充電完成時，控制系統(tǒng)的控制模塊輸出封鎖MOS管Ql的驅(qū)動信號，并輸出使繼電器JKl閉合的驅(qū)動信號，從而完成軟啟動過程。在本實(shí)施例中，所用到的控制系統(tǒng)是數(shù)字控制的變頻器的基本單元，其控制芯片型號為TMS320LFM06A ；所用到的電抗器也是變頻器本身為改善輸入特性所加的必需元件，不是為了實(shí)現(xiàn)軟啟動功能而額外增加的，電路只需額外增加一個小功率MOS管和一個小功率二極管，降低了成本，提高了可靠性；而用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的軟啟動過程可以根據(jù)需要通過設(shè)計控制模塊所輸出驅(qū)動信號的占空比變化規(guī)律來靈活設(shè)計軟啟動曲線，達(dá)到滿意的軟啟動特性，在保證快速充電的同時，減小對母線電容的沖擊，提高了可靠性。由于本發(fā)明的軟啟動過程是利用MOS管的開關(guān)特性，使直流電抗器工作在恒流狀態(tài)而完成的，MOS管開關(guān)損耗非常小，因此本發(fā)明的軟啟動過程屬于無損啟動過程。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.無損耗的變頻器軟啟動裝置，輸入端與變頻器整流電路相連，輸出端與母線電容相連，其特征在于所述軟啟動裝置為一上電緩沖電路，包括繼電器、MOS管、二極管、電抗器及控制系統(tǒng)； 所述MOS管漏極與繼電器主觸點(diǎn)一端相連，源極與繼電器主觸點(diǎn)另一端相連；所述二極管陽極與母線電容負(fù)極相連，陰極與MOS管源極以及電抗器一端相連；所述電抗器另一端與母線電容正極相連；所述MOS管、繼電器、母線電容分別與控制系統(tǒng)相連接，所述控制系統(tǒng)還與三相電源連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的變頻器軟啟動裝置，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括 第一比較模塊，用于判斷變頻器輸入市電信號是否正常；第二比較模塊，用于判斷變頻器母線電容是否充電完成； 控制模塊，用于向MOS管與繼電器輸出驅(qū)動信號； 所述第一比較模塊和第二比較模塊分別與控制模塊連接。
3.按照權(quán)利要求2所述的變頻器軟啟動裝置，其特征在于，所述控制系統(tǒng)的芯片型號為 TMS320LF2406A。
4.基于權(quán)利要求2所述變頻器軟啟動裝置的軟啟動方法，其特征在于，包含以下步驟51、第一比較模塊判斷所檢測到的變頻器輸入電源信號是否正常，如不正常進(jìn)入步驟 S2，如正常則進(jìn)入步驟S3 ；52、控制模塊輸出禁止MOS管和繼電器導(dǎo)通的驅(qū)動信號，禁止母線電容充電，結(jié)束軟啟動；53、控制模塊輸出占空比逐漸變小的驅(qū)動信號開通MOS管，使得MOS管、二極管和電抗器構(gòu)成恒流充電電路對母線電容充電；54、第二比較模塊檢測并判斷母線電容是否充電完成，如充電完成進(jìn)入步驟S5，否則返回步驟S3 ；55、控制模塊輸出封鎖MOS管輸出的驅(qū)動信號，并輸出使繼電器JKl閉合的驅(qū)動信號， 完成軟啟動過程。
5.按照權(quán)利要求4所述的軟啟動方法，其特征在于，所述步驟S3對母線電容充電具體為當(dāng)MOS管開通時，電抗器電流線性上升，母線電容充電電流線性上升；當(dāng)MOS管關(guān)斷時， 電抗器釋放能量，電抗器電流通過二極管續(xù)流且電抗器電流線性下降，母線電容充電電流下降。
全文摘要
本發(fā)明涉及無損耗的變頻器軟啟動裝置及其方法。軟啟動裝置為一上電緩沖電路，其輸入端與變頻器整流電路相連，輸出端與母線電容相連；且包括繼電器、MOS管、二極管、電抗器及控制系統(tǒng)，MOS管漏極與繼電器主觸點(diǎn)一端相連，源極與繼電器主觸點(diǎn)另一端相連；二極管陽極與母線電容負(fù)極相連，陰極與MOS管源極以及電抗器一端相連，電抗器另一端與母線電容正極相連；MOS管、繼電器、母線電容分別與控制系統(tǒng)相連接，控制系統(tǒng)還與三相電源連接。本發(fā)明有效防止了上電時的大充電電流對整流單元和儲能濾波單元的損壞，并進(jìn)而防止后一級電路的故障擴(kuò)大。
文檔編號H02M1/36GK102412717SQ20111036755
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者李景志, 石順才 申請人:廣州三晶電氣有限公司