一种变频器预充电系统和变频器的制作方法

本发明实施例涉及变频器技术领域，特别涉及一种变频器预充电系统和变频器。

背景技术：

变频器的母线上必须要设置预充电电路，主要是因为变频器直流母线上有大电容存在，在电源接通的瞬间电容两端的电压不会突变，而电容两端的电流会突变，电容两端相当于短路，若没有预充电电路会导致变频器内部电路损坏，预充电电路在这里限制电源接通瞬间对电容器的充电电流，保护了变频器中整流器不会因电容器的短路而损坏。现代变频器有着小型化、高功率密度的趋势，为了降低整机的尺寸，需要技术优化升级。

然而，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：目前小功率的变频器中常用的预充电电路为一个或多个电阻与继电器或接触器并联，如图1所示，实现对变频器母线电容的充电。其中，三相输入电源连接变频器的输入端，经过整流电路将三相交流电变为直流电压，通过电阻r11给母线电解电容c11、c12充电，当母线电压到达一定值后，板载开关电源(图1中未示出)开始工作，继电器或接触器的辅助触点得电，继电器或接触器吸合，充电电阻r11被短路，能量通过继电器k11进入母线电容，然后经过逆变电路，带动电机运行。现有的中功率段(30kw～200kw)变频器上母线电容预充电电路仍使用小功率段(<30kw)的充电电阻和继电器(或接触器)并联的方案，由于中功率变频器中母线电流增大，从而必须选用大电流的接触器，导致预充电接触器选型困难，由于接触器体积大、重量大，也造成变频器整机的尺寸加大，不够紧凑。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本发明实施方式的目的在于提供一种变频器预充电系统，使得中功率变频器或大功率变频器的体积减小，重量减轻，降低初次上电损坏的概率，提高变频器的安全性。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种变频器预充电系统，应用于中功率变频器或大功率变频器，包括：整流单元、预充电单元、逆变单元和主控单元；

整流单元输入端与三相交流电的电源连接，整流单元的第一端与预充电单元的第一输入端连接，整流单元的第二端与预充电单元的第一输出端连接，预充电单元的第一输出端与逆变单元的第一端连接，预充电单元的第二输入端与逆变单元的第二端连接；

预充电单元包括晶闸管、晶闸管触发电路、板载开关电源和限流电阻，晶闸管触发电路连接于晶闸管的栅极和阴极之间；

其中，板载开关电源的第一端作为预充电单元的第一输入端与整流单元的第一端连接，板载开关电源的第二端作为预充电单元的第一输出端与整流单元的第二端连接；限流电阻串接于板载开关电源的第一端与逆变单元的第一端之间，限流电阻的第一端作为预充电单元的第一输出端；

晶闸管阳极和阴极并联连接在限流电阻的第一端和限流电阻的第二端之间；或者，晶闸管的阴极和阳极串接在板载开关电源的第二端和逆变单元的第二端之间；

主控单元的电源端与板载开关电源的第一输出端连接，主控单元第一控制端与晶闸管触发电路的控制端连接；

板载开关电源获取整流单元的输出电压，板载开关电源将输出电源通过第一输出端传输至主控单元，主控单元确定变频器运行正常，主控单元发出第一控制信号至晶闸管触发电路，通过晶闸管触发电路控制晶闸管处于截止状态，主控单元确定逆变单元的两端电压值为预设电压值，主控单元发出第二控制信号至晶闸管触发电路，通过晶闸管触发电路控制晶闸管处于导通状态。

本发明的实施方式还提供了一种变频器，包括上述的变频器预充电系统。

本发明实施方式相对于现有技术而言，预充电单元中设置晶闸管，主控单元通过晶闸管触发电路控制晶闸管的状态，实现对逆变单元的充电电流的控制，避免变频器电路中整流单元完成整流的电流直接传输至逆变电路由于瞬间电流值较大导致变频器电路发生损坏的现象，由于晶闸管的体积较小，且能够适应大电流的工作环境，使得设置该变频器预充电系统的变频器体积减小，结构上更紧凑，由于电阻所在的电路中还设置有选通开关，在整流电路输出电流稳定之后，控制选通开关处于截止状态，降低了预充电单元中的电路损耗。

另外，预充电单元还包括选通开关；主控单元的第二控制端与选通开关的控制端连接；选通开关串接在晶闸管的阳极和限流电阻的第二端之间；或者，选通开关串接在板载开关电源的第一端和限流电阻的第二端之间。

另外，逆变单元中包括，均压电路和逆变电路；均压电路与逆变电路并联连接于逆变单元的第一端与逆变单元的第二端之间。

另外，均压电路包括第一均压组件和第二均压组件；第一均压组件与第二均压组件串联连接与逆变单元的第一端和逆变单元的第二端之间。

该实施方式中，第一均压组件与第二均压组件的结构相同，使得在逆变单元中两个电容分担电压，增加了每个电容的使用寿命。

另外，第一均压组件包括：第一电容和第一电阻；第二均压组件包括第二电容和第二电阻；第一电容和第一电阻并联连接，第二电容与第二电阻并联连接。

另外，晶闸管触发电路包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第三电容、第四电容和第一光耦组件；第三电阻的第一端与主控单元的第一控制端连接，第四电阻与第三电容并联连接于第三电阻的第二端与接地端之间，第三电容的第一端与第一光耦组件的第一端连接，所诉第三电容的第二端与第一光耦组件的第二端连接，第一光耦组件的第三端作为晶闸管触发的电源端与板载开关电源的第二输出端连接，第一光耦组件的第四端与第五电阻的第一端连接，第一光耦组件的第五端与晶闸管的阴极连接，第五电阻的第二端与晶闸管的栅极连接，第六电阻与第四电容分别并联于栅极和阴极之间。

另外，若选通开关为继电器，预充电单元还包括继电器控制电路；继电器的第一端与整流单元的第一端连接，继电器的第二端与限流电阻的第一端连接，继电器控制电路的第一端与继电器的线圈的第一端连接，继电器控制电路的第二端与继电器的线圈的第二端连接，继电器控制电路的控制端与主控单元的第二控制端连接，继电器控制电路的正极与板载开关电源的第一输出端连接，继电器控制电路的负极与板载开关电源的第三输出端连接。

另外，继电器控制电路包括：第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第五电容、第六电容、第二光耦组件、二极管和三极管；第七电阻的第一端与主控单元的第二控制端连接，第八电阻与第五电容并联连接于第七电阻的第二端与接地端之间，第五电容的第一端与第二光耦组件的第一端连接，所诉第五电容的第二端与第二光耦组件的第二端连接，第二光耦组件的第三端与第九电阻的第一端连接，第九电阻的第二端作为继电器控制电路的正极与板载开关电源的第一输出端连接，第二光耦组件的第四端与三极管的基极连接，第十电阻与第六电容并联连接于三极管的基极和发射极之间，三极管的发射极作为继电器控制电路的负极与板载开关电源的第三输出端连接，二极管的阳极作为继电器控制电路的第一端分别与三极管的集电极和继电器线圈的第一端连接，二极管的阴极作为继电器控制电路的第二端分别与继电器线圈的第二端和第九电阻的第二端连接。

另外，板载开关电源包括：第一主线圈和至少两个的副线圈；第一主线圈位于板载开关电源的主边，第一主线圈的第一端和第二端分别与整流单元的第一端和第二端连接；至少两个的副线圈分别设置于板载开关电源的副边。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明背景技术部分现有的变频器中预充电电路结构；

图2是本发明第一实施方式中第一变频器预充电系统的结构图；

图3是本发明第一实施方式中第二变频器预充电系统的结构图；

图4是本发明第一实施方式中第三变频器预充电系统的结构图；

图5是本发明第一实施方式中第四变频器预充电系统的结构图；

图6是本发明第一实施方式中板载开关电源的电路结构图；

图7是本发明第一实施方式中第五变频器预充电系统的结构图；

图8是本发明第二实施方式中晶闸管触发电路的电路结构图；

图9是本发明第二实施方式中继电器控制电路的电路结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本发明的第一实施方式涉及一种变频器预充电系统，应用于中功率变频器或大功率变频器，其系统结构如图2所示。该变频器预充电系统包括：整流单元10、预充电单元20、逆变单元30和主控单元40。

整流单元10输入端与三相交流电的电源连接，整流单元10的第一端与预充电单元20的第一输入端连接，整流单元10的第二端与预充电单元20的第一输出端连接，预充电单元20的第一输出端与逆变单元30的第一端连接，预充电单元20的第二输入端与逆变单元30的第二端连接。

预充电单元20包括晶闸管t1、晶闸管触发电路21、板载开关电源22和限流电阻r，晶闸管触发电路21连接于晶闸管t1的栅极g和阴极k之间。预充电单元20的具体结构对应的系统结构如图3和图4所示，其中，板载开关电源22的第一端作为预充电单元20的第一输入端与整流单元10的第一端连接，板载开关电源22的第二端作为预充电单元20的第一输出端与整流单元的第二端连接；限流电阻r串接于板载开关电源22的第一端与逆变单元30的第一端之间，限流电阻r的第一端作为预充电单元20的第一输出端；图示3中晶闸管t1阳极和阴极并联连接在限流电阻r的第一端和限流电阻r的第二端之间；或者，图示4中晶闸管t1的阴极和阳极串接在板载开关电源22的第二端和逆变单元30的第二端之间。

主控单元40的电源端与板载开关电源22的第一输出端连接，主控单元40第一控制端与晶闸管触发电路21的控制端连接。

板载开关电源22获取整流单元10的输出电压，板载开关电源22将输出电源通过第一输出端传输至主控单元40，主控单元40确定变频器运行正常，主控单元40发出第一控制信号至晶闸管触发电路21，通过晶闸管触发电路21控制晶闸管t1处于截止状态，主控单元40确定逆变单元30的两端电压值为预设电压值，主控单元40发出第二控制信号至晶闸管触发电路21，通过晶闸管触发电路21控制晶闸管t1处于导通状态。

其中，变频器逆变单元,30的三相输出端需要与负载连接，在变频器的工作中为负载提供变频后的电压信号，图示中还包括负载50，逆变单元的三相输出端与负载50连接。该负载可以电机等设备。

需要说明的是，本实施方式中的变频器预充电系统主要是应用于中功率或大功率变频器，相比于传统的继电器与电阻元件并联的预充电系统，有效减小变频器的体积，是变频器的尺寸更小，结构更紧凑，其中，主控单元40主要用于对预充电系统中的预充电过程进行控制，在主控单元40的电工作之后，首先需要对变频器进行初始态检测，确定变频器系统正常之后控制预充电系统进行工作，因此，主控单元40还需要与整流单元10和逆变单元30存在通讯连接，图示3和图示4中均未示出。

本发明的第一实施方式中的变频器预充电系统主要的改进之处在于，在预充电单元20中设置晶闸管t1用于控制整流单元10整流后的瞬间电流值过大的问题，以及在设置板载开关电源22在预充电控制电路中，通过板载开关电源22先得电，之后主控单元40得电，并在主控单元40确定变频器运行正常的情况下开始预充电，提高变频器的安全性，降低初次上电损坏的概率，且能够避免预充电电路中电流过大导致电路损坏的现象。下面将对本实施方式的具体实现进行说明，主要以图3所示的电路为基础进行说明，需要明白的是，具体的实现方式也可应用于图4所示的电路中，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非为本实施方式的必须。

具体实施中，在预充电完成之后，晶闸管t1处于导通状态，限流电阻r被短路，为了确定限流电阻r未被接入到电路中，影响电路效率，在限流电阻r所在的支路串接一个选通开关k1，一个具体实施中，预充电单元20还包括选通开关k1；如图5所示，主控单元40的第二控制端与选通开关k1的控制端连接；选通开关k1串接在晶闸管t1的阳极和限流电阻r的第二端之间；或者，选通开关k1串接在板载开关电源22的第一端和限流电阻的第二端之间。

值得一提的是，选通开关是串接在限流电阻所在的支路，此处以图5进行说明，若将晶闸管串接于板载开关电源的第二端和逆变单元的第二端之间，则晶闸管的位置不会影响选通开关的位置。

具体地说，板载开关电源22的第一输出端与选通开关k1的控制端连接，板载开关电源22的第二输出端与晶闸管触发电路21的电源端连接。

具体实施中，板载开关电源22为包括主副线圈的结构，如图6所示的板载开关电源22结构示意，整流单元10的第一端设为正母线pa，整流单元10的第二端设为负母线，逆变单元30的第一端为正母线pb，则板载开关电源22主边分别连接正母线pa和负母线，其中，板载开关电源22包括：第一主线圈和至少两个的副线圈；第一主线圈位于板载开关电源22的主边，第一主线圈的第一端和第二端分别与整流单元10的第一端和第二端连接；至少两个的副线圈分别设置于板载开关电源22的副边。例如，图6中若晶闸管触发电路的控制端电压为+15v，第一副线圈输出端的输出电压为+15v，第一副线圈输出端与晶闸管触发电路21的电源端连接。选通开关k1的控制端电压为24v，第二副线圈输出端的输出电压为24v，设置第二副线圈的输出端与选通开关k1的控制端连接。

具体实施中，逆变单元30用于将整流单元10传输的脉冲电压转换为交流电，具体地说，逆变单元30中包括，均压电路和逆变电路；其电路结构如图7所示，均压电路与逆变电路并联连接于逆变单元30的第一端与逆变单元30的第二端之间，逆变电路的输出端为三相输出端与负载50连接。均压电路包括第一均压组件和第二均压组件；第一均压组件与第二均压组件串联连接与逆变单元30的第一端和逆变单元30的第二端之间。此处设置两个均压组件是一种示例性的说明，具体均压组件的个数不做限制。一个具体实施中，第一均压组件包括：第一电容c1和第一电阻r1；第二均压组件包括第二电容c2和第二电阻r2；第一电容c1和第一电阻r1并联连接，第二电容与第二电阻r2并联连接。

具体实施中，预充电单元20中的限流电阻r用于对逆变单元30中的电容元件进行充电时进行降低电路中的充电电流，限流电阻r还可以是有多个电阻串联组成的电阻单元，此处仅是示例，不做具体限制。其中，逆变单元30也可以是多个电容元件串联在一起，如，两个电容串联在一起，每个电容分别并联一个电阻形成一个均压电路，两个电容元件的容量相同，两个电阻的阻值也相同，例如，选择电容的容量大，电压低的铝电解电容。设置两个电容元件每个电容元件的电容值相同，使得每个电容承受的充电电压相同，增加了电容的使用寿命。

需要说明的是，以上仅为举例说明，并不对本发明的技术方案构成限定。

相对于现有技术而言，预充电单元中设置晶闸管，主控单元通过晶闸管触发电路控制晶闸管的状态，实现对逆变单元的充电电流的控制，避免变频器电路中整流单元完成整流的电流直接传输至逆变电路由于瞬间电流值较大导致变频器电路发生损坏的现象，由于晶闸管的体积较小，且能够适应大电流的工作环境，使得设置该变频器预充电系统的变频器体积减小，结构上更紧凑，由于电阻所在的电路中还设置有选通开关，在整流电路输出电流稳定之后，控制选通开关处于截止状态，降低了预充电单元中的电路损耗。

本发明的第二实施方式涉及一种变频器预充电系统，第二实施方式是在第一实施方式的基础上对晶闸管触发电路21以及选通开关k1进行具体说明，本实施方式中对变频器预充电系统的细节说明仅为示例，并非用于具体限定。

具体实施中，晶闸管触发电路21包括：第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第三电容c3、第四电容c4和第一光耦组件，其电路结构如图8所示，第三电阻r3的第一端与主控单元40的第一控制端连接，第四电阻r4与第三电容c3并联连接于第三电阻r3的第二端与接地端gnd之间，第三电容c3的第一端与第一光耦组件的第一端连接，所诉第三电容c3的第二端与第一光耦组件的第二端连接，第一光耦组件的第三端作为晶闸管触发的电源端与板载开关电源22的第二输出端连接，第一光耦组件的第四端与第五电阻r5的第一端连接，第一光耦组件的第五端与晶闸管t1的阴极连接，第五电阻r5的第二端与晶闸管t1的栅极连接，第六电阻r6与第四电容c4分别并联于栅极g和阴极k之间。

晶闸管触发电路中通过驱动第一光耦组件实现对晶闸管t1的控制，其中，板载开关电源22用于输出+15v电压用于为晶闸管t1的导通提供能量，第三电容c3主要作用是滤波电容，防止晶闸管t1误导通；第五电阻r5、第六电阻r6为限流电阻，第四电容c4用于滤除电路中干扰信号，图示电路中晶闸管t1阳极表示为a，阴极表示为k，栅极表示为g。

一个具体实施中，选通开关k1设置为继电器，其中，选通开关k1的主要作用是在预充电完成之后，处于截止状态，使得限流电阻r不再接入电路中，降低电路的功耗，选通开关k1还可根据需要设置为其他的开关元件，此处仅是示例。若选通开关k1为继电器，预充电单元20还包括继电器控制电路；继电器的第一端与整流单元10的第一端连接，继电器的第二端与限流电阻r的第一端连接，继电器控制电路的第一端与继电器的线圈的第一端连接，继电器控制电路的第二端与继电器的线圈的第二端连接，继电器控制电路的控制端与主控单元40的第二控制端连接，继电器控制电路的正极与板载开关电源22的第一输出端连接，继电器控制电路的负极与板载开关电源22的第三输出端连接。

继电器控制电路包括：第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第五电容c5、第六电容c6、第二光耦组件、二极管d1和三极管q1，其具体的电路结构如图9所示，第七电阻r7的第一端与主控单元40的第二控制端连接，第八电阻r8与第五电容c5并联连接于第七电阻r7的第二端与接地端gnd之间，第五电容c5的第一端与第二光耦组件的第一端连接，所诉第五电容c5的第二端与第二光耦组件的第二端连接，第二光耦组件的第三端与第九电阻r9的第一端连接，第九电阻r9的第二端作为继电器控制电路的正极与板载开关电源22的第一输出端的24v电压连接，第二光耦组件的第四端与三极q1管的基极连接，第十电阻r10与第六电容c6并联连接于三极管q1的基极和发射极之间，三极管q1的发射极作为继电器控制电路的负极与板载开关电源22的第三输出端的24v_gnd连接，二极管d1的阳极作为继电器控制电路的第一端分别与三极管q1的集电极和继电器线圈的第一端连接，二极管d1的阴极作为继电器控制电路的第二端分别与继电器线圈的第二端和第九电阻r9的第二端连接。

其中，板载开关电源22传输的24v电压用于为继电器的控制线圈供电，三极管用于控制继电器线圈与24v电源的导通或关断，二极管用于在继电器线圈与24v电压断开时为线圈续流。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各电路单元均为电子电路模块，在实际应用中，一个电子电路模块可以是一个物理单元的一部分，还可以是多个电路组合实现的，对于各电子电路中的具体选型和结构不做限定，可实现对应的功能即可，此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表示本实施方式中的变压器预充电系统中不存在其他的单元。

本发明第三实施方式涉及一种变频器，包括上述第一或第二实施方式中提到的变频器预充电系统。

具体地说，该变频器中主控单元40用于实现对预充电方法的控制，具体实施包括：在变频器系统上电之后，变频器的主控系统得电，对变频器进行初始态检测，确定变频器系统正常之后，变频器发出第一控制信号至选通开关k1，选通开关k1在第一控制信号的作用下处于导通状态，变频器发出第二控制信号至晶闸管触发电路21，晶闸管触发电路21在第二控制信号的作用下控制晶闸管t1处于截止状态，使得整流单元10整流结束的三相交流电转换为脉冲电流之后能够通过限流电阻r之后传输至逆变电路，避免逆变电路中的电容元件因瞬时的充电电流过大损坏电路中的器件，获取逆变单元30第一端与逆变单元30第二端之间的电压值，若该电压值达到预设电压值，即确定逆变电路可以稳定工作后，主控单元40发出第三控制信号至选通开关k1，选通开关k1在第三控制信号的作用下处于截止状态，主控单元40发出第四控制信号至晶闸管触发电路21，晶闸管触发电路21在第四控制信号的作用下控制晶闸管t1处于导通状态。此时，变频器的预充电工作完成，逆变单元30输出的三相电用于带动负载50工作。

具体地说，主控单元40在确定系统初始态处于正常状态之后，才开始进行工作，可以降低变频器初始时损坏的故障率。确定预充电完成之后，切断限流电阻r降低了变频器的待机损耗。当变频器处于待机状态时，即三相输入电源接入变频器，但变频器没有功率输出时，因变频器的板载开关电源22从充电电路前取电，变频器的控制系统可以单独工作，故而可以将控制系统和功率系统分开，降低因充电电阻造成的待机损耗

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的装置实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

另外，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例中主控单元40中的控制方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：只读存储器(rom，read-onlymemory)或随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)等各种可以存储程序代码的介质。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。