专利名称：无损耗的变频器软启动装置及其方法
技术领域：
本发明涉及变频器领域，尤其涉及无损耗的变频器软启动装置及实现软启动的方法。
背景技术：
变频器是利用电力半导体器件的通断作用，调节电网频率以调节电动机转速的一种控制装置。变频调速具有调速范围宽，调速精度高，动态响应快，低速转矩好，节约电能， 工作效率高，使用方便等优点。应用变频调速，不仅可以使电机在节能的转速下运行，而且还可以大大提高电机转速的控制精度，提升工艺质量和生产效率。对于目前常用的电压型交-直-交变频器拓扑，前级为输入不可控整流单元，中间级为大功率直流储能滤波单元，后级为逆变输出单元。直流储能滤波单元主要由大容量电解电容构成，由于电容初始状态相当于短路，变频器输入侧合间上电时，如果不经过任何处理就将整流后的电压加到电解电容上，会引起瞬间较大的充电电流，从而给变频器整流回路造成冲击，并造成电解电容寿命下降，甚至会有爆炸的危险。因此，我们必须设计一种装置和方法，使得在上电的瞬间电解电容两端的电压缓慢上升，以避免上述的故障出现，这就是我们所说的软启动装置和软启动方法。目前变频器业界内使用的变频器软启动的方案通常有以下几种1、限流电阻加继电器(或可控硅)组合如图1所示，在母线电容的充电回路中串联限流电阻，且有开关器件(例如继电器或可控硅)与限流电阻并联。加电后电流先从充电电阻上流过，由限流电阻限流对母线电容充电；当母线电容的直流电压上升到设定值时，使用开关器件将限流电阻旁路，进入正常工作状态。传统的变频器一般采用此种方案。该方案的缺点是软启动过程限流电阻损耗大，发热严重，可靠性低，一旦限流电阻烧坏，变频器便不能再启动，从而使变频器不能工作。当变频器频繁上电时，变频器将连续多次工作在软启动状态，限流电阻将发热更加严重而烧坏，使变频器产生故障，大大降低了系统的可靠性。2、晶闸管半控整流该方案是利用晶闸管的半控特性，上电启动时，通过控制晶闸管的导通角，使得滤波电容上的电压按设定的规律缓慢上升，实现软启动。这个方案的缺点在于，需要检测输入电压以对导通角进行控制，触发电路设计复杂。3、利用开关电源预充电该方案是变频器上电启动前先接通输出连接到母线电容的辅助开关电源，利用开关电源的软启动特性对母线电容进行预充电，待充电完成后断开与母线电容的连接，再接通变频器主输入开关。这个方案的缺点在于，需增加辅助开关电源，电路结构复杂、体积大、 成本高
发明内容
为了解决现有软启动过程存在损耗大的技术问题，本发明的首要目的是提供无损耗的变频器软启动装置，降低软启动的功耗，有效防止了上电时的大充电电流对整流单元和储能滤波单元的损坏，并进而防止后一级电路的故障扩大，提高系统可靠性。为了解决上述技术问题，本发明的另一目的是提供无损耗的变频器软启动方法， 降低软启动的功耗，有效防止了上电时的大充电电流对整流单元和储能滤波单元的损坏， 并进而防止后一级电路的故障扩大，提高系统可靠性。本发明采用以下技术方案实现上述首要目的无损耗的变频器软启动装置，输入端与变频器整流电路相连，输出端与母线电容相连，所述软启动装置为一上电缓冲电路，包括继电器、MOS管、二极管、电抗器及控制系统； 所述MOS管漏极与继电器主触点一端相连，源极与继电器主触点另一端相连；所述二极管阳极与母线电容负极相连，阴极与MOS管源极以及电抗器一端相连；所述电抗器另一端与母线电容正极相连；所述MOS管、继电器、母线电容分别与控制系统相连接，所述控制系统还与三相电源连接。优选地，所述控制系统包括第一比较模块，用于判断变频器输入市电信号是否正常；第二比较模块，用于判断变频器母线电容是否充电完成；控制模块，用于向MOS管与继电器输出驱动信号；所述第一比较模块和第二比较模块分别与控制模块连接。所述控制系统的芯片型号为TMS320LFM06A。本发明采用以下技术方案实现上述另一目的基于上述变频器软启动装置的软启动方法，包含以下步骤Si、第一比较模块判断所检测到的变频器输入电源信号是否正常，如不正常进入步骤S2，如正常则进入步骤S3 ；S2、控制模块输出禁止MOS管和继电器导通的驱动信号，禁止母线电容充电，结束软启动；S3、控制模块输出占空比逐渐变小的驱动信号开通MOS管，使得MOS管、二极管和电抗器构成恒流充电电路对母线电容充电；S4、第二比较模块检测并判断母线电容是否充电完成，如充电完成进入步骤S5，否则返回步骤S3 ；S5、控制模块输出封锁MOS管输出的驱动信号，并输出使继电器JKl闭合的驱动信号，完成软启动过程。优选地，所述步骤S3对母线电容充电具体为当MOS管开通时，电抗器电流线性上升，母线电容充电电流线性上升；当MOS管关断时，电抗器释放能量，电抗器电流通过二极管续流且电抗器电流线性下降，母线电容充电电流下降。与现有技术相比，本发明的有益效果在于，1、所用到的控制系统是变频器的基本单元，所用到的电抗器也是变频器本身为改善输入特性所加的必须元件，不是为了实现软启动功能而额外增加的，电路只需额外增加一个小功率MOS管元件，降低了硬件成本，提高了系统可靠性；而用控制系统实现数字控制的软启动过程可以根据需要灵活设计软启动曲线，达到满意的软启动特性，减小对母线电容的冲击，提高了系统可靠性。
2、软启动过程是利用MOS管的开关特性，使直流电抗器工作在恒流状态而完成的，MOS管开关损耗非常小，因此本发明的软启动过程属于无损耗启动过程。3、根据变频器的输入状态来决定是否对母线电容充电，从而保护母线电容及后级电路。
图1是目前通用的利用充电电阻和继电器实现变频器软启动的电路图；图2是本发明利用小功率开关管和继电器实现变频器软启动的电路图；图3是本发明控制系统的模块框图；图4是本发明实现软启动的方法流程图；图5是本发明的变频器软启动的驱动波形图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例如图2所示，本发明变频器软启动装置，输入端与变频器整流电路Bl相连，输出端与母线电容Cl相连；其中，所述软启动装置为一上电缓冲电路，包括继电器JKl、M0S管Ql、 二极管Dl、电抗器Ll及控制系统；所述MOS管Ql漏极与继电器JKl主触点一端相连，源极与继电器JKl主触点另一端相连；所述二极管Dl阳极与母线电容Cl负极相连，阴极与MOS 管Ql源极以及电抗器Ll 一端相连；所述电抗器Ll另一端与母线电容Cl正极相连；所述 MOS管Q1、继电器JK1、母线电容Cl分别与控制系统相连接，所述控制系统还与三相电源连接。参见图3，所述控制系统包括用于向MOS管与继电器输出驱动信号的控制模块，以及分别与控制模块连接的用于判断变频器输入市电信号是否正常的第一比较模块和用于判断变频器母线电容是否充电完成的第二比较模块；第一比较模块接收三相电源信号(即市电信号)，第二比较模块接收母线电容信号；控制模块根据第一比较模块和第二比较模块的比较结果，向MOS管Ql和继电器JKl分别输出驱动信号。如图4所示，本发明的变频器软启动方法，包括以下步骤第一步、在变频器软启动前(0-T0时段)，MOS管Ql和继电器JKl为截止状态，变频器控制系统的第一比较模块对检测到的变频器的输入电源(即市电信号)进行判断(主要判断输入市电的电压和频率)；当判断输入电源不正常时，如输入电压过高等，转入第二步；当判断输入电源正常时(T0-T1时段)，转入第三步。第二步、控制系统的控制模块输出禁止MOS管和继电器动作信号，禁止母线电容充电，从而保护了变频器主系统。第三步、控制系统的控制模块输出占空比D逐渐变小(如图5中TO-Tl时刻所示) 的驱动信号开通MOS管Q1，使得MOS管Q1、二极管Dl和电抗器Ll构成有一定电流纹波的恒流充电电路对母线电容充电。当MOS管Ql开通时，电抗器电流线性上升，同时储存能量， 母线电容充电电流线性上升，母线电压缓慢升高；当MOS管Ql关断时，电抗器释放能量，其电流通过二极管Dl续流，电流线性下降，母线电容充电电流下降，母线电压缓慢升高。通过调节占空比的变化规律，母线电容可以按照所需要的电流曲线进行充电。第四步、控制系统的第二比较模块检测母线电容是否充电完成，若充电未完成则返回第三步，若充电完成则转入第五步。第五步、当控制系统的第二比较模块判断母线电压Cl达到额定值(Tl时刻)，即充电完成时，控制系统的控制模块输出封锁MOS管Ql的驱动信号，并输出使继电器JKl闭合的驱动信号，从而完成软启动过程。在本实施例中，所用到的控制系统是数字控制的变频器的基本单元，其控制芯片型号为TMS320LFM06A ；所用到的电抗器也是变频器本身为改善输入特性所加的必需元件，不是为了实现软启动功能而额外增加的，电路只需额外增加一个小功率MOS管和一个小功率二极管，降低了成本，提高了可靠性；而用控制系统实现数字控制的软启动过程可以根据需要通过设计控制模块所输出驱动信号的占空比变化规律来灵活设计软启动曲线，达到满意的软启动特性，在保证快速充电的同时，减小对母线电容的冲击，提高了可靠性。由于本发明的软启动过程是利用MOS管的开关特性，使直流电抗器工作在恒流状态而完成的，MOS管开关损耗非常小，因此本发明的软启动过程属于无损启动过程。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.无损耗的变频器软启动装置，输入端与变频器整流电路相连，输出端与母线电容相连，其特征在于所述软启动装置为一上电缓冲电路，包括继电器、MOS管、二极管、电抗器及控制系统； 所述MOS管漏极与继电器主触点一端相连，源极与继电器主触点另一端相连；所述二极管阳极与母线电容负极相连，阴极与MOS管源极以及电抗器一端相连；所述电抗器另一端与母线电容正极相连；所述MOS管、继电器、母线电容分别与控制系统相连接，所述控制系统还与三相电源连接。
2.按照权利要求1所述的变频器软启动装置，其特征在于，所述控制系统包括 第一比较模块，用于判断变频器输入市电信号是否正常；第二比较模块，用于判断变频器母线电容是否充电完成； 控制模块，用于向MOS管与继电器输出驱动信号； 所述第一比较模块和第二比较模块分别与控制模块连接。
3.按照权利要求2所述的变频器软启动装置，其特征在于，所述控制系统的芯片型号为 TMS320LF2406A。
4.基于权利要求2所述变频器软启动装置的软启动方法，其特征在于，包含以下步骤51、第一比较模块判断所检测到的变频器输入电源信号是否正常，如不正常进入步骤 S2，如正常则进入步骤S3 ；52、控制模块输出禁止MOS管和继电器导通的驱动信号，禁止母线电容充电，结束软启动；53、控制模块输出占空比逐渐变小的驱动信号开通MOS管，使得MOS管、二极管和电抗器构成恒流充电电路对母线电容充电；54、第二比较模块检测并判断母线电容是否充电完成，如充电完成进入步骤S5，否则返回步骤S3 ；55、控制模块输出封锁MOS管输出的驱动信号，并输出使继电器JKl闭合的驱动信号， 完成软启动过程。
5.按照权利要求4所述的软启动方法，其特征在于，所述步骤S3对母线电容充电具体为当MOS管开通时，电抗器电流线性上升，母线电容充电电流线性上升；当MOS管关断时， 电抗器释放能量，电抗器电流通过二极管续流且电抗器电流线性下降，母线电容充电电流下降。
全文摘要
本发明涉及无损耗的变频器软启动装置及其方法。软启动装置为一上电缓冲电路，其输入端与变频器整流电路相连，输出端与母线电容相连；且包括继电器、MOS管、二极管、电抗器及控制系统，MOS管漏极与继电器主触点一端相连，源极与继电器主触点另一端相连；二极管阳极与母线电容负极相连，阴极与MOS管源极以及电抗器一端相连，电抗器另一端与母线电容正极相连；MOS管、继电器、母线电容分别与控制系统相连接，控制系统还与三相电源连接。本发明有效防止了上电时的大充电电流对整流单元和储能滤波单元的损坏，并进而防止后一级电路的故障扩大。
文档编号H02M1/36GK102412717SQ20111036755
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者李景志, 石顺才 申请人:广州三晶电气有限公司