变频传动系统上电与制动电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种变频传动系统上电与制动电路，包括上电制动电路、整流电路和传动系统。所述上电制动电路结合有软上电电路和制动电路，其两只输入端分别与整流电路两只输出正极与负极相连，其两只输出端分别与传动系统的两只输入正极与负极相连，整流电路的两只输入端分别与单相交流电源的火线与零线相连，传动系统为变频调速系统。本发明能够实现整流器软上电和电动机快速制动，上电电流冲击小，具有可靠制动功能，且电路结构简单、无需人为控制，适用于采用交流电源供电的变频调速系统。
【专利说明】变频传动系统上电与制动电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采用电力电子变换技术的交流变频调速领域的装置，具体地，涉及一种变频传动系统上电与制动电路。
【背景技术】
[0002]上电限流电路和快速制动电路是变频传动系统中重要的组成部分，应用领域包括工业缝纫机、数控机床等。
[0003]在较大功率系统中，整流电路输出侧的储能电容容量较大，并且其初始电压为零，所以在上电阶段储能电容会引起高幅值的冲击电流，造成包括危害功率器件、污染电网等不良后果，因此必须采取上电限流措施。截至目前，上电限流电路已经具有了多种方案，包括:(I)对于较大功率等级，直流侧或交流火线上串联限流电阻或PTC，上电结束后利用继电器或功率开关自动切除；(2 )串联NTC热敏电阻，利用其负温度特性，在上电时限流，但在上电结束后保留；(3)串联限流感性器件，遏制电流的变化率。每一种方案又具有多种具体措施。以上各种上电限流电路各有优缺点，一般均采用有源方案，需要DSP或MCU控制，且成本较高，有所复杂。对于小功率的变频传动系统而言，所占成本比例过大。经过对现有技术的检索发现，文章《一种启动冲击电流抑制电路》(《电机与控制学报》，2011第6期)中总结了两种传统的软启动电路，并提出了一种三级冲击电流抑制电路，该电路可有效抑制启动时的一次冲击电流和二次冲击电流，但是仍然存在冲击电流，结构复杂，元器件数量多，控制不简便。
[0004]在传动系统在减速、制动或倒拉反转中，会回馈电能，促使直流回路电解电容电压上升，威胁电解电容、功率器件和连接在直流侧开关电源的寿命，为此必须采用制动措施，来消耗直流回路的过多能量。单相交流电源供电的工业缝纫机(500W)、数控机床(5.0kff以下)等需要快速定位的电力电子变换器，对于使得电动机快速准确停车的快速制动技术的要求越来越高。在当前常用能耗制动方式。当直流后路电压上升到一定值时，启动能耗制动回路，降低直流回路电压。截至目前，实际当中采用的能耗制动方案只有一种方案，即在直流回路设置第七功率器件和功率电阻，通过控制其占空比来消耗直流回路电压。这种能耗制动电路一般均采用有源方案，需要DSP或MCU控制，且成本较高，有所复杂。对于小功率的变频传动系统而言，所占成本比例过大。经过对现有技术的检索发现，文章《一种无刷直流电动机快速制动准确定位控制方案的设计》(《工矿自动化》，2010第9期)中采用制动时短接电动机电源，使电动机内产生一只与惯性旋转方向相反的旋转磁场，加速电动机制动。该方法控制复杂、成本较高，制动能量消耗在电动机内部，不适合频繁制动的应用场合。
[0005]基于以上分析，对于小功率变频调速应用场合，需要推出一种简单易行、安全可靠和成本低廉的融合软上电和能耗制动的综合电路。
【发明内容】
[0006]鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种变频传动系统中上电与制动电路，能够实现上电冲击小，制动可靠，具有电路简单、控制简便、成本低廉等 优点。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种变频传动系统上电与制动电路，包括整流电 路、上电制动电路与传动系统。所述上电制动电路输入端与整流电路输出端相连，上电制动 电路输出端与传动系统输入端相连。
[0008]所述整流电路包括输入滤波电感和整流桥，其中，输入滤波电感一端与单相交流 电源的火线相连；整流桥的输入端分别于输入滤波电感的另一端和单相交流电源的零线相 连。
[0009]所述上电制动电路包括六只电阻，五只交流电容，一只电解电容，两只继电器，一 只晶体管，一只稳压二极管，其中:第一继电器包括一组第一初级线圈和第一常开触头，第 二继电器包括一组第二初级线圈、第二常开和第一常闭次级触头。第一常开触头、第一交流 电容与第一电阻并联后，其一公共端与整流电路的输出正极相连，其另一公共端与第一常 闭次级触头和第二交流电容并联后的一个公共端相连，第一常闭次级触头和第二交流电容 并联后的另一个公共端与电解电容的正极、第二电阻一端、第三电阻一端、第四电阻一端、 第六电阻一端相连，并形成输出端；电解电容的负极、第二电阻另一端、第二常开触头一端、 第五电阻一端、稳压二极管阳极、第三交流电容一端、晶体管的发射极与整流电路的输出负 极相连，并形成输出端；第三电阻另一端与第二常开触头另一端相连；第五电阻另一端、稳 压二极管阴极、第三交流电容另一端相连后与晶体管的基极和第四电阻另一端相连；第六 电阻另一端与第四交流电容一端、第一初级线圈一端和第一二极管阴极相连，第四交流电 容另一端、第一初级线圈另一端和第一二极管阳极相连后与第五交流电容一端、第二初级 线圈一端和第二二极管阴极相连，第五交流电容另一端、第二初级线圈另一端和第二二极 管阳极相连后与晶体管的集电极相连。
[0010]所述传动系统包括一只电压源逆变器和电动机传动系统。
[0011]本发明中，主要创新点为上电制动电路，它包含的软上电电路(主要由第一常开触 头、第一交流电容、第二交流电容、电解电容、第一常闭触头、第二电阻)，可以实现由第一电 阻与电解电容构成的Re串联上电，使得电解电容缓慢上升，第一电阻为上电电阻；它包含 的上电结束后切除电路(主要由第一常开触头、第四电阻、第五电阻、稳压二极管、第三交流 电容、晶体管、第六电阻、第四交流电容、第一初级线圈、第一二极管)，可以实现上电电压接 近单相交流电源峰值时由第一常开触头短接第一电阻。它包含的制动电路(主要由第一常 闭次级触头、第二交流电容、晶体管、第六电阻、第五交流电容、第二初级线圈、第二二极管、 第二常开触头、第三电阻)，可以实现当直流电压超过规定值时由第二常开触头接通第三电 阻，使得电解电容下降到规定值以下。整流电路可以为可控或不控整流电路，传动系统泛指 电动机一机械负荷系统。
[0012]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:本发明能够实现整流器软上电和 电动机快速制动，上电电流冲击小，具有可靠制动功能，且电路结构简单、无需人为控制，安 全性好，通用性强，成本低廉，适用于采用交流电源供电的变频调速系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0014]图1为本发明的变频传动系统上电与制动电路原理图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变型和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0016]如图1所示,一种变频传动系统上电与制动电路,包括上电制动电路1、整流电路2和传动系统3。其中，所述上电制动电路结合有软上电电路和制动电路，其两只输入端分别与整流电路2两只输出正极与负极相连，其两只输出端分别与传动系统3的两只输入正极与负极相连，整流电路2的两只输入端分别与单相交流电源的火线与零线相连。
[0017]下面详述其具体电路结构。
[0018]所述整流电路包括输入滤波电感和整流桥，其中，输入滤波电感一端与单相交流电源的火线相连；整流桥的输入端分别于输入滤波电感的另一端和单相交流电源的零线相连。
[0019]所述上电制动电路包括六只电阻，五只交流电容，一只电解电容E1，两只继电器，一只晶体管TR1，一只稳压二极管ZD1，其中:第一继电器包括一组第一初级线圈Wl和第一常开触头K1，第二继电器包括一组第二初级线圈W2、第二常开触头K21和第一常闭次级触头K22。第一常开触头K1、第一交流电容Cl与第一电阻Rl并联后，其一公共端与整流电路2的输出正极相连，其另一公共端与第一常闭次级触头K22和第二交流电容C2并联后的一个公共端相连，第一常闭次级触头K22和第二交流电容C2并联后的另一个公共端与电解电容El的正极、第二电阻R2 —端、第三电阻R3 —端、第四电阻R4 —端、第六电阻R6 —端相连，并形成输出端；电解电容El的负极、第二电阻R2另一端、第二常开触头K21 —端、第五电阻R5 —端、稳压二极管ZDl阳极、第三交流电容C3 —端、晶体管TRl的发射极与整流电路2的输出负极相连，并形成输出端；第三电阻R3另一端与第二常开触头K21另一端相连；第五电阻R5另一端、稳压二极管ZDl阴极、第三交流电容C3另一端相连后与晶体管TRl的基极和第四电阻R4另一端相连；第六电阻R6另一端与第四交流电容C4 一端、第一初级线圈一端和第一二极管Dl阴极相连，第四交流电容C4另一端、第一初级线圈另一端和第一二极管Dl阳极相连后与第五交流电容C5 —端、第二初级线圈W2 —端和第二二极管D2阴极相连，第五交流电容C5另一端、第二初级线圈W2另一端和第二二极管D2阳极相连后与晶体管TRl的集电极相连。
[0020]所述传动系统3包括一只电压源逆变器以及与其连接的电动机传动系统。
[0021]具体地，在本实施例中，所采用的各个器件的参数如下:
[0022]考虑标准单相交流电压220V供电，直流回路电压300V时，第一常开次级触头Kl动作，吸合第一常开触头K1。直流回路电压350V时，第二继电器动作，吸合第二常开触头K21和断开第一常闭次级触头K22。
[0023]继电器W1/K1:初级动作电流3.0mA ；
[0024]继电器W2/K21/K22:初级动作电流3.5mA ；[0025]交流电容Cl、C2、C4、C5:0.1 U F, 1.2kV ；
[0026]交流电容C3:0.1ii F，50V ;
[0027]电解电容El:4x680 U F，耐压为 400V。
[0028]功率电阻Rl:50 Q , 50W ；
[0029]功率电阻R2:100kQ，2W ;
[0030]功率电阻R3:5kQ，50W ;
[0031]二极管 D1、D2:1N4148 ;
[0032]稳压二极管ZDl:稳压5.1V ；
[0033]电阻R4:360kQ+20kQ ；
[0034]电阻R5:5.1kQ ;直流电压300V时，得到分压接近3.9V。直流电压385V时，得到分压大约5.0V ；
[0035]电阻R6 dOOkQ/^W-
tOOSe] 本实施例通过以下步骤进行工作:
[0037]考虑标准单相交流电压220V供电情况。当单相交流电压非标准供电时下述参数需要进行适当调整，但是改动不大，需要改动的仅为第一与第二继电器的动作哦电流和释放电流取值。本实施例上电制动电路中:
[0038]软上电电路:由第一常开触头、第一交流电容Cl、第二交流电容C2、电解电容E1、 第一常闭触头、第二电阻R2构成，可以实现由第一电阻Rl与电解`电容El构成的RC串联上电，使得电解电容El缓慢上升，第一电阻Rl为上电电阻；无论单相交流电压在任意相位角上电，通过功率电阻Rl为电解电容El充电，电解电容El端电压由零伏按照指挥规律上升；
[0039]上电结束后切除电路:由第一常开触头K1、第四电阻R4、第五电阻R5、稳压二极管 ZD1、第三交流电容C3、晶体管TRl、第六电阻R6、第四交流电容C4、第一初级线圈、第一二极管Dl构成，可以实现上电电压接近单相交流电源峰值时由第一常开触头Kl短接第一电阻 Rl ;当电解电容El端电压上升至300V左右时，电阻R4与R5分压得到3.9V电压，不超稳压二极管ZDl的动作值，经交流电容C3滤波后施加到晶体管TRlTRl的基极，晶体管TRlTRl 导通，使得线圈Wl产生大约3.0mA初级电流，吸合第一常开触头Kl，短接规律电阻R1，解除软上电过程，进入微弱的硬上电过程，直流回路电压充至单相交流电压峰值310V ；
[0040]制动电路:由第一常闭次级触头K22、第二交流电容C2、晶体管TR1、第六电阻R6、 第五交流电容C5、第二初级线圈W2、第二二极管D2、第二常开触头K21、第三电阻R3构成， 可以实现当直流电压超过规定值时由第二常开触头K21接通第三电阻R3，使得电解电容El 下降到规定值以下；当传统系统减速、制动或倒拉翻转时，电解电容El端电压上升，如果超过350V左右，第二继电器动作，第二常开触头K21接通，功率电阻R3消耗电解电容El储能， 电解电容El下降，同时第一常闭触头断开，防止整流电路补充能量。当电解电容El电压低于一定值时，第二继电器复位，第二常开触头K21断开，第一常闭触头接通，电路进入正常状态；
[0041]第一与第二继电器本身具有滞回特性，它们动作电压分别为300V和350V，但是释放电压低于300V和350V的一个值，可选释放电压分别为250V和300V，即释放电流分别为
2.5mA和3.0mA。对第二继电器，可以选择更低的释放电流，这样可以实现快速制动，即制动电压时释放电压低于300V以下，制动过程会加速。[0042]交流电容C1-C2的作用为抑制触头引起的火花，交流电容C3-C5的作用为滤波作用，二极管D1-D2的作用为线圈续流，电阻R2的作用为在断电后释放电解电容El的能量。电阻R4与R5的作用为分压。
[0043]本实施例中整流电路可以为可控或不控整流电路，传动系统可以为变频调速系统。当然，在其他实施例中，也可以是其他电动机一机械负荷系统。
[0044]本发明通过采用继电器实现限流电阻的通断与能耗制动电阻的通断，使得变频传动系统实现了安全上电和快速制动功能，其电路简单，控制简便，且具有设计新颖、通用性强、成本低廉等优点。
[0045]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种变频传动系统上电与制动电路，其特征在于包括整流电路、上电制动电路与传 动系统，所述上电制动电路输入端与整流电路输出端相连，上电制动电路输出端与传动系 统输入端相连，其中:所述上电制动电路包括六只电阻，五只交流电容，一只电解电容，两只继电器，一只晶 体管，一只稳压二极管，其中:第一继电器包括一组第一初级线圈和第一常开触头，第二继 电器包括一组第二初级线圈、第二常开和第一常闭次级触头，第一常开触头、第一交流电容 与第一电阻并联后，其一公共端与整流电路的输出正极相连，其另一公共端与第一常闭次 级触头和第二交流电容并联后的一个公共端相连，第一常闭次级触头和第二交流电容并联 后的另一个公共端与电解电容的正极、第二电阻一端、第三电阻一端、第四电阻一端、第六 电阻一端相连，并形成输出端；电解电容的负极、第二电阻另一端、第二常开触头一端、第五 电阻一端、稳压二极管阳极、第三交流电容一端、晶体管的发射极与整流电路的输出负极相 连，并形成输出端；第三电阻另一端与第二常开触头另一端相连；第五电阻另一端、稳压二 极管阴极、第三交流电容另一端相连后与晶体管的基极和第四电阻另一端相连；第六电阻 另一端与第四交流电容一端、第一初级线圈一端和第一二极管阴极相连，第四交流电容另 一端、第一初级线圈另一端和第一二极管阳极相连后与第五交流电容一端、第二初级线圈 一端和第二二极管阴极相连，第五交流电容另一端、第二初级线圈另一端和第二二极管阳 极相连后与晶体管的集电极相连。
2.根据权利要求1所述的变频传动系统上电与制动电路，其特征在于:所述的第一常 开触头、第一交流电容、第二交流电容、电解电容、第一常闭触头、第二电阻构成软上电电 路，该软上电电路实现由第一电阻与电解电容构成的RC串联上电，使得电解电容缓慢上 升，第一电阻为上电电阻；无论单相交流电压在任意相位角上电，通过功率电阻为电解电容 充电，电解电容端电压由零伏按照指挥规律上升。
3.根据权利要求1所述的变频传动系统上电与制动电路，其特征在于:所述的第一常 开触头、第四电阻、第五电阻、稳压二极管、第三交流电容、晶体管、第六电阻、第四交流电 容、第一初级线圈、第一二极管构成上电结束后切除电路，该电路实现上电电压接近单相交 流电源峰值时由第一常开触头短接第一电阻。
4.根据权利要求1所述的变频传动系统上电与制动电路，其特征在于:所述的第一常 闭次级触头、第二交流电容、晶体管、第六电阻、第五交流电容、第二初级线圈、第二二极管、 第二常开触头、第三电阻构成制动电路，该电路实现当直流电压超过规定值时由第二常开 触头接通第三电阻，使得电解电容下降到规定值以下；当传统系统减速、制动或倒拉翻转 时，电解电容端电压上升，如果超过设定值，第二继电器动作，第二常开触头接通，第三电阻 消耗电解电容储能，电解电容下降，同时第一常闭触头断开，防止整流电路补充能量；当电 解电容电压低于一定值时，第二继电器复位，第二常开触头断开，第一常闭触头接通，电路 进入正常状态。
5.根据权利要求1-4任一项所述的变频传动系统上电与制动电路，其特征在于:所述 整流电路包括输入滤波电感和整流桥，其中，输入滤波电感一端与单相交流电源的火线相 连；整流桥的输入端分别于输入滤波电感的另一端和单相交流电源的零线相连。
6.根据权利要求1-4任一项所述的变频传动系统上电与制动电路，其特征在于:所述 传动系统包括一只电压源逆变器以及与其连接的电动机传动系统。
【文档编号】H02P1/26GK103595304SQ201310493131
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】渠浩, 杨喜军 申请人:上海交通大学