专利名称：具有充电功能的交流电动机驱动装置及其充电方法
技术领域：
本发明涉及一种具有充电功能的交流电动机驱动装置，以及一种向交流电动机驱动装置的变频器内的电容器单元充电的方法。
背景技术：
对于交流电动机转速或转矩的调节，现如今最常用的就是变频器控制的鼠笼式交流电动机，以下称之为交流电动机驱动装置。目前最常见的变频器类型是电压控制的PWM(脉冲宽度调制)，该变频器首先对交流电源电压进行调节，然后在中间回路中通过具有高电容的电容器进行过滤，以产生恒定的直流电压，最后通过逆变桥逆变成可调的交流输出电压，该电压所含脉冲的幅值达到恒定的中间回路直流电压。在某些应用中，比如电梯，交流电动机驱动装置无需时刻工作，不过须时刻准备就绪，在接到启动命令后，能立即运行。快速启动的要求是，装置处在待机状态期间，变频器须带电，即在运行状态时，通过控制逻辑单元始终与交流电压源连接。另一方面，一般对低能耗损失有要求，也就是说在此类交流电动机驱动装置应用中(大多数时候可能处于闲置状态)，应将驱动单元的待机功耗降至最低。通常，在待机状态时，PWM变频器消耗的功率主要由辅助电源及中间直流回路的平衡电阻器提供。辅助电源将中间直流回路的高电压(该电压在正常输送电压水平可能达到数百伏)逆变成较低的隔离电压，比如控制逻辑回路、测量回路、门驱动器回路所需的5V和15V。例如，在100 kW现代驱动装置中，运行期间该回路的功耗数量级可能为50W。在待机状态下，该功耗可能降至25W，主要是因为冷却风扇及门驱动器停止运行。如果仍要求保持较低的待机功耗，则可通过继电器等闭合不必要的回路，该解决方案增加了部件数量，因而成本高。平衡电阻器用于平衡变频器中间直流回路中的串联电容器电压。使用的是最常见的电容器类型-电解质电容器时，电容器通常必须串联。比如，在100 kW现代驱动装置中，平衡电阻器功率损耗数量级可能约为30W。功率损耗与驱动装置运行状态无关。
发明内容
本发明提供了一种具有充电功能的交流电动机驱动装置，能降低功耗(特别是平衡电阻器的功耗)，从而克服了现有方法存在的问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种具有充电功能的交流电动机驱动装置，由一交流电动机、一变频器，及一位于交流供电网和变频器之间的总开关组成，所述变频器包括一整流器、一带可控开关的逆变器、一带电容器单元的中间直流回路、一控制所述变频器运行的控制单元，及一用于给所述中间直流回路的电容器单元进行充电的充电装置，所述充电装置包括与所述中间直流回路电性连接、并为所述电容器单元提供恒定充电电流的调节电源，所述总开关控制所述调节电源的运行。优选的，所述的调节电源为提供可调或可程控恒定电流的电源。
优选的，所述的调节电源包括能为恒定电流源和巴克型逆变器提供直流电压的直流电压源，以及一连接到所述直流电压源的电源开关、一连接到所述直流中间回路的正、负极的续流二极管、一连接到所述中间直流回路的电抗器。优选的，所述的直流电压源包括与至少两个电源电压相连接的整流桥电路。优选的，所述的电源开关与一起控制作用的调节控制器、及一进行电流测量的电流表电性连接。本发明还揭示了一种交流电动机驱动装置的充电方法，所述交流电动机驱动装置由一交流电动机、一变频器，及一位于交流供电网和变频器之间的总开关组成，所述变频器包括一整流器、一带可控开关的逆变器、一带电容器单元的中间直流回路、一控制所述变频器运行的控制单元，及一用于给所述中间直流回路的电容器单元进行充电的充电装置，所述充电装置包括与所述中间直流回路电性连接并为所述电容器单元提供恒定充电电流的调节电源，所述电容器单元的电压以增大直流充电电流水平、且电流未达到电源容量的最 大值时，且总开关处于断开位置时，调节电源运行并持续充电，直到中间电流回路的电压达到正常运行电压值。优选的，所述变频器在待机状态停止时，总开关断开，所述中间直流回路的电压从正常的运行电压水平下降，当中间直流回路的电压降低到预定值时，控制电源激活并提供恒定充电电流，使中间直流回路电压保持在预定的恒定电压水平。优选的，所述的调节电源包括能为恒定电流源和巴克型逆变器提供直流电压的直流电压源，以及一连接到所述直流电压源的电源开关、一连接到所述直流中间回路的正、负极的续流二极管、一连接到所述中间直流回路的电抗器；所述的直流电压源包括与至少两个电源电压相连接的整流桥电路；所述的电源开关由调节控制器控制、其电流由电流表进行测量。优选的，所述的调节控制器以过滤测量电流生成反馈电流信号，并将反馈电流信号与放大器中的参考电流信号进行比较，以形成控制所述的电源开关的信号。优选的，所述的调节控制器形成用于生成所述参考电流信号的电流或功率反馈信号。本发明的有益效果是中间直流回路电压的降低增大了交流电动机驱动装置从待机状态到运行状态的转换时间；在中间直流回路电压上升到正常运行电压的过程中，即当变频器与供电网相连、或从待机状态恢复时，调节电源将提供其容量范围内的最高充电电流，从而解决了现有技术的问题；可以缩短和精确预测充电时间，从而估计出交流电动机驱动装置的启动时间；因为中间直流回路在闭合总开关前可以充电到全电压，所以恒定的程控电流源还能提供另一个电压，该电压可以消除闭合总开关前充电回路中由不完全电阻充电引起的常见的高输入电流尖脉冲，消除大电流尖脉冲，降低了总开关应力，从而延长了总开关的使用寿命。
图I是现有技术交流电动机驱动装置的主电路 图2是现有技术交流电动机驱动装置在启动阶段的特性示意 图3是本发明优选实施例的示意 图4是本发明调节电源优选实施例的电路图；图5是本发明交流电动机驱动装置在启动阶段的特性示意 图6是本发明交流电动机驱动装置在待机状态的特性示意图。
具体实施例方式图I举出了由变频器控制的交流电动机驱动装置的主电路图。所述交流电动机驱动装置包括一个三相交流电线连接端子U、！^、!^一个总开关^充电电阻器!^、Rc2并联到电源两相触点间；由6个二极管组成的整流器REC ;—个中间直流回路，该中间直流回路的DC+、DC-极之间的电压是uDC，该中间直流回路由两个带有平衡电阻器RpR2的电容器单元Q、C2组成；由6个可控开关组成的逆变器INU，比如，带有反相并联续流二极管的IGBTs
IGBT在输出连接U、V、W生成频率和幅值可调的三相交流输出电压；一个交流电动机M。变频器还包括一个辅助电源PS，如本例所示，辅助电源PS的输入功率一般由所述中间直流回路产生，辅助电源PS再生成辅助电压，就如同控制单元CU的U⑶，门驱动器GD的UeD。在变频器中，整流器REC的交流侧或直流侧通常还包括一个主要限流电抗器。因为该电抗器在本发明装置中不是必须的，所以图I略去了电抗器。图2显示了图I中采用现有技术的变频器的中间直流回路初次充电的典型波形。该图假设在时间点t21，交流电压源与三相交流电线连接端子L1, L2, L3相连。而后，线电流L快速升至尖峰电流Im，由于电容器单元Cp C2最初并未充电，因此，受充电电阻器Ra、Rc2限制。当中间直流回路电压uDC上升时，线电流逐渐降低。由于充电过程满足指数特性，因而，达到全直流电压需要很长的时间，这也是达到一定的电压水平Udci时，总开关K1通常闭合的原因。这种情况出现在时间点t22，因为K1闭合后，回路中没有主要的限流元件，便会出现短暂的高线电流脉冲1 >2，使直流电压快速充电到最终水平Uirc2，之后线电流保持在全电压待机水平ISK，直到驱动装置在时间点启动为止。自此，线电流iu主要由电 动机负载确定。图3中为了清楚地阐明本发明装置原理，略去了图I主电路中不必要的零部件。中间直流回路主要由包含一个整流器RECl、一个向中间直流回路提供恒定电流Ic的调节电源PSl组成的回路进行充电。整流器RECl由二极管组成，可以连接到所有的电源相，例如图中所示的两相电源。本发明中，如图I中的常规充电电阻器1^和R⑵不是必须的。图4用简化格式显示了图3的一个调节电源PSl实施方案。该调节电源PSl包含由一个电源开关(优选的功率场效应管Vs)、续流二极管Ds和一个电抗器Ls组成的巴克型逆变器。电源开关Vs由控制器仏控制，采用电阻器民测量电源电流。测得的电流在控制器A1内过滤，以产生反馈电流信号IACT，，该信号与电流参考信号Iref在放大器A2内进行比较后，形成控制电源开关Vs的PWMkef控制信号。电流参考信号Ikef由变频器的控制单元CU形成。为了生成参考信号Ikef，必须向变频器的控制单元CU提供控制器A1中形成的电流或功率反馈信号FB(为了保持清晰的数字信号，图中略去了技术熟练人员熟知的信号，如直流电压的反馈信号)。图5显示了充电回路对本发明的变频器进行初始充电的典型波形。充电从时间点t41开始，此时，电源(图3中的调节电源PSl)开始向中间直流回路电容器单元(图I的CpC2)提供恒定的大电流(线电流k中的Iqi),导致电压总和线性增大。在时间点t42，电压达到全电压Udc2，此时，总开关(图I的&)闭合。由于闭合前达到全直流电压，从而消除了现有技术(图I的1 >2)中出现的大电流尖脉冲，进而降低了总开关触点的应力，可以延长其使用寿命。在时间点U之后，回路特性与图2相似。待机结束后，总开关(图3中的K1)闭合，变频器将在时间点t43启动。图6显示了本发明装置在待机状态下的回路特性。最初，交流电动机驱动装置已加载，因而驱动装置的线电流k达到高负荷Iw驱动装置在时间点t51停止，总开关(图I的K1)打开，也就是说连接到交流供电网的主电路中断。由于辅助电源及平衡电阻器等的功率消耗，中间直流回路电压Udc开始从初始全电压水平Udc2下降。当直流电压在时间点t52达到预定值UDa时，本发明装置的调节电源(图3的SPl)被激活，并向中间直流回路提供低电压待机电流Isdi，并使电压保持在恒定的Udci水平。待机电流与直流电压成正比，也就是说低电压电流Isdi远远低于全电压电流ISD2。当变频器在时间点t53重新启动时，电源电流增大到另一个程控水平，最好达到最高水平(Ich时的线电流以便快速将中间直流回路 充电到最高电压水平(时间点t54达到的值)。然后，总开关闭合，经过可能的延时后，驱动装置在时间点t55启动。 需要强调的是，以上是本发明的较佳实施列而已，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种具有充电功能的交流电动机驱动装置，由一交流电动机(M)、一变频器，及一位于交流供电网和变频器之间的总开关(K1)组成，所述变频器包括一整流器(REC)、一带可控开关(V1、\ ,V3、V4、V5、V6，D1、D2、D3、D4、D5、D6)的逆变器、一带电容器单元(CpC2)的中间直流回路、一控制所述变频器运行的控制单元(CU、GD)，及一用于给所述中间直流回路的电容器单元(Cp C2)进行充电的充电装置，其特征在于所述充电装置包括与所述中间直流回路电性连接、并为所述电容器单元(CpC2)提供恒定充电电流的调节电源(PS1)，所述总开关(K1)控制所述调节电源(PSl)的运行。
2.根据权利要求I所述的具有充电功能的交流电动机驱动装置，其特征在于所述的调节电源(PSl)为提供可调或可程控恒定电流的电源。
3.根据权利要求I或2所述的任一具有充电功能的交流电动机驱动装置，其特征在于所述的调节电源(PSl)包括能为恒定电流源和巴克型逆变器提供直流电压的直流电压源，以及一连接到所述直流电压源的电源开关(Vs)、一连接到所述直流中间回路的正、负极的续流二极管、一连接到所述中间直流回路的电抗器(Ls)。
4.根据权利要求3所述的具有充电功能的交流电动机驱动装置，其特征在于所述的直流电压源包括与至少两个电源电压相连接的整流桥电路(RECl)。
5.根据权利要求3所述的具有充电功能的交流电动机驱动装置，其特征在于所述的电源开关(Vs)与一起控制作用的调节控制器(A1X及一进行电流测量的电流表(Rs)电性连接。
6.一种交流电动机驱动装置的充电方法，所述交流电动机驱动装置由一交流电动机(M)、一变频器，及一位于交流供电网和变频器之间的总开关(K1)组成，所述变频器包括一整流器(REC)、一带可控开关(V1 ,V2 ,V3 ,V4 > V5, V6, D1、D2、D3、D4、D5、D6)的逆变器、一带电容器单元(Cl、C2)的中间直流回路、一控制所述变频器运行的控制单元(⑶、⑶)，及一用于给所述中间直流回路的电容器单元(Cp C2)进行充电的充电装置，其特征在于 所述充电装置包括与所述中间直流回路电性连接并为所述电容器单元(C。C2)提供恒定充电电流的调节电源(PS1)，所述电容器单元(C1、C2)的电压以增大直流充电电流水平、且电流未达到电源(Iai)容量的最大值时，且总开关(K1)处于断开位置时，调节电源(PSl)运行并持续充电，直到中间电流回路的电压达到正常运行电压值(UDC2)。
7.根据权利要求6所述的交流电动机驱动装置的充电方法，其特征在于所述变频器在待机状态停止时，总开关(K1)断开，所述中间直流回路的电压(uDC)从正常的运行电压水平(UDe2)下降，当中间直流回路的电压降低到预定值(Uio)时，控制电源(PSl)激活并提供恒定充电电流(ISD1)，使中间直流回路电压保持在预定的恒定电压水平(UDa)。
8.根据权利要求7所述的交流电动机驱动装置的充电方法，其特征在于所述的调节电源(PSl)包括能为恒定电流源和巴克型逆变器提供直流电压的直流电压源，以及一连接到所述直流电压源的电源开关(Vs)、一连接到所述直流中间回路的正、负极的续流二极管、一连接到所述中间直流回路的电抗器(Ls);所述的直流电压源包括与至少两个电源电压相连接的整流桥电路(RECl);所述的电源开关(Vs)由调节控制器(A1)控制、其电流由电流表(Rs)进行测量。
9.根据权利要求8所述的交流电动机驱动装置的充电方法，其特征在于所述的调节控制器(A1)以过滤测量电流生成反馈电流信号(IACT)，并将反馈电流信号(Iact)与放大器(A2)中的参考电流信号(Ikef)进行比较，以形成控制所述的电源开关(Vs)的信号(PWMkef)。
10.根据权利要求9所述的交流电动机驱动装置的充电方法，其特征在于所述的调节控制器(A1)形成用于生成所述参考电流信号(Ikef)的电流或功率反馈信号(FB)。
全文摘要
本发明揭示了一种交流电动机驱动装置及其电容器单元的充电方法，该交流电动机驱动装置由一交流电动机、一变频器、一总开关组成，所述变频器包括一整流器、一逆变器、一带电容器单元的中间直流回路、一控制所述变频器运行的控制单元，及一用于给所述电容器单元进行充电的充电装置，所述充电装置包括与所述中间直流回路电性连接、并为所述电容器单元提供恒定充电电流的调节电源，所述总开关控制所述调节电源的运行。本发明的有益效果是提供一可调或可程控恒定电流的电源为电容器单元充电，降低了能耗，消除了现有技术大电流尖脉冲，降低了总开关应力，从而延长了总开关的使用寿命。
文档编号H02P27/06GK102801383SQ20121032738
公开日2012年11月28日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者帕沃梅瑞琳娜, 尤哈维泰宁 申请人:伟肯(苏州)电气传动有限公司