專利名稱：無損耗的變頻器軟啟動裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及變頻器領域，尤其涉及無損耗的變頻器軟啟動裝置及實現軟啟動的方法。
背景技術：
變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用，調節電網頻率以調節電動機轉速的一種控制裝置。變頻調速具有調速范圍寬，調速精度高，動態響應快，低速轉矩好，節約電能， 工作效率高，使用方便等優點。應用變頻調速，不僅可以使電機在節能的轉速下運行，而且還可以大大提高電機轉速的控制精度，提升工藝質量和生產效率。對于目前常用的電壓型交-直-交變頻器拓撲，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成，由于電容初始狀態相當于短路，變頻器輸入側合間上電時，如果不經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，甚至會有爆炸的危險。因此，我們必須設計一種裝置和方法，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，這就是我們所說的軟啟動裝置和軟啟動方法。目前變頻器業界內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限流電阻，且有開關器件(例如繼電器或可控硅)與限流電阻并聯。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；當母線電容的直流電壓上升到設定值時，使用開關器件將限流電阻旁路，進入正常工作狀態。傳統的變頻器一般采用此種方案。該方案的缺點是軟啟動過程限流電阻損耗大，發熱嚴重，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。當變頻器頻繁上電時，變頻器將連續多次工作在軟啟動狀態，限流電阻將發熱更加嚴重而燒壞，使變頻器產生故障，大大降低了系統的可靠性。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通角，使得濾波電容上的電壓按設定的規律緩慢上升，實現軟啟動。這個方案的缺點在于，需要檢測輸入電壓以對導通角進行控制，觸發電路設計復雜。3、利用開關電源預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電源，利用開關電源的軟啟動特性對母線電容進行預充電，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。這個方案的缺點在于，需增加輔助開關電源，電路結構復雜、體積大、 成本高
發明內容
為了解決現有軟啟動過程存在損耗大的技術問題，本發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，并進而防止后一級電路的故障擴大，提高系統可靠性。為了解決上述技術問題，本發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， 并進而防止后一級電路的故障擴大，提高系統可靠性。本發明采用以下技術方案實現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； 所述MOS管漏極與繼電器主觸點一端相連，源極與繼電器主觸點另一端相連；所述二極管陽極與母線電容負極相連，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相連接，所述控制系統還與三相電源連接。優選地，所述控制系統包括第一比較模塊，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。所述控制系統的芯片型號為TMS320LFM06A。本發明采用以下技術方案實現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，如不正常進入步驟S2，如正常則進入步驟S3 ；S2、控制模塊輸出禁止MOS管和繼電器導通的驅動信號，禁止母線電容充電，結束軟啟動；S3、控制模塊輸出占空比逐漸變小的驅動信號開通MOS管，使得MOS管、二極管和電抗器構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管輸出的驅動信號，并輸出使繼電器JKl閉合的驅動信號，完成軟啟動過程。優選地，所述步驟S3對母線電容充電具體為當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MOS管關斷時，電抗器釋放能量，電抗器電流通過二極管續流且電抗器電流線性下降，母線電容充電電流下降。與現有技術相比，本發明的有益效果在于，1、所用到的控制系統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，不是為了實現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，提高了系統可靠性；而用控制系統實現數字控制的軟啟動過程可以根據需要靈活設計軟啟動曲線，達到滿意的軟啟動特性，減小對母線電容的沖擊，提高了系統可靠性。
2、軟啟動過程是利用MOS管的開關特性，使直流電抗器工作在恒流狀態而完成的，MOS管開關損耗非常小，因此本發明的軟啟動過程屬于無損耗啟動過程。3、根據變頻器的輸入狀態來決定是否對母線電容充電，從而保護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現變頻器軟啟動的電路圖；圖2是本發明利用小功率開關管和繼電器實現變頻器軟啟動的電路圖；圖3是本發明控制系統的模塊框圖；圖4是本發明實現軟啟動的方法流程圖；圖5是本發明的變頻器軟啟動的驅動波形圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。實施例如圖2所示，本發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；所述MOS管Ql漏極與繼電器JKl主觸點一端相連，源極與繼電器JKl主觸點另一端相連；所述二極管Dl陽極與母線電容Cl負極相連，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分別與控制系統相連接，所述控制系統還與三相電源連接。參見圖3，所述控制系統包括用于向MOS管與繼電器輸出驅動信號的控制模塊，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；控制模塊根據第一比較模塊和第二比較模塊的比較結果，向MOS管Ql和繼電器JKl分別輸出驅動信號。如圖4所示，本發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為截止狀態，變頻器控制系統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)進行判斷(主要判斷輸入市電的電壓和頻率)；當判斷輸入電源不正常時，如輸入電壓過高等，轉入第二步；當判斷輸入電源正常時(T0-T1時段)，轉入第三步。第二步、控制系統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，從而保護了變頻器主系統。第三步、控制系統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) 的驅動信號開通MOS管Q1，使得MOS管Q1、二極管Dl和電抗器Ll構成有一定電流紋波的恒流充電電路對母線電容充電。當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MOS管Ql關斷時，電抗器釋放能量，其電流通過二極管Dl續流，電流線性下降，母線電容充電電流下降，母線電壓緩慢升高。通過調節占空比的變化規律，母線電容可以按照所需要的電流曲線進行充電。第四步、控制系統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，若充電完成則轉入第五步。第五步、當控制系統的第二比較模塊判斷母線電壓Cl達到額定值(Tl時刻)，即充電完成時，控制系統的控制模塊輸出封鎖MOS管Ql的驅動信號，并輸出使繼電器JKl閉合的驅動信號，從而完成軟啟動過程。在本實施例中，所用到的控制系統是數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，不是為了實現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；而用控制系統實現數字控制的軟啟動過程可以根據需要通過設計控制模塊所輸出驅動信號的占空比變化規律來靈活設計軟啟動曲線，達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。由于本發明的軟啟動過程是利用MOS管的開關特性，使直流電抗器工作在恒流狀態而完成的，MOS管開關損耗非常小，因此本發明的軟啟動過程屬于無損啟動過程。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
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； 所述MOS管漏極與繼電器主觸點一端相連，源極與繼電器主觸點另一端相連；所述二極管陽極與母線電容負極相連，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相連接，所述控制系統還與三相電源連接。
2.按照權利要求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，所述控制系統的芯片型號為 TMS320LF2406A。
4.基于權利要求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，如不正常進入步驟 S2，如正常則進入步驟S3 ；52、控制模塊輸出禁止MOS管和繼電器導通的驅動信號，禁止母線電容充電，結束軟啟動；53、控制模塊輸出占空比逐漸變小的驅動信號開通MOS管，使得MOS管、二極管和電抗器構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管輸出的驅動信號，并輸出使繼電器JKl閉合的驅動信號， 完成軟啟動過程。
5.按照權利要求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MOS管關斷時， 電抗器釋放能量，電抗器電流通過二極管續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，MOS管漏極與繼電器主觸點一端相連，源極與繼電器主觸點另一端相連；二極管陽極與母線電容負極相連，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相連接，控制系統還與三相電源連接。本發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，并進而防止后一級電路的故障擴大。
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 優先權日2011年11月18日
發明者李景志, 石順才 申請人:廣州三晶電氣有限公司