电路装置、方法及变频系统与流程

[0001]
本发明一般地涉及变频器领域。更具体地，本发明涉及一种用于在变频器中执行充放电操作的电路装置、方法及变频系统。


背景技术：

[0002]
目前，变频器的应用越来越广泛。然而在每次开启变频器的时候，变频器中的直流回路的储能电容在没有建立电压之前，其充电瞬间相当于短路状态。此时充电电流非常大，进而有可能会损害整流器、直流母线上的电容和其他变频器部件。因此为了限制充电电流过大，必须对直流回路中的储能电容进行预充电。
[0003]
现有的预充电装置通常采用在变频器外单独设计充电电源，并且采用cpu对其进行控制，以便在变频器直流回路工作之前对储能电容进行预充电。然而，这样设计的预充电装置存在一些缺陷。一方面，由于增加了额外的电源，因此会增加变频器的复杂度和体积，另一方面，由于其开启和关闭的过程需要软件的控制，因此会占用cpu的资源。此外，现有的预充电电路或装置往往只能实现对储能电容进行充电，而不能对其进行放电。因此，还需要在变频器中单独设计放电电路，这样进一步增加了变频器的复杂度。


技术实现要素：

[0004]
为解决上述背景技术中的一个或多个问题，以便能满足可靠地对变频器进行预充电和放电的需求，进而对变频器的内部电路进行保护，本发明提出了一种利用开关元件控制充电电阻，以便对变频器进行预充电和放电的电路装置。该电路装置将整流器输出的直流电通过充电电阻对储能电容进行充电，从而避免了过大的电流对储能电容的冲击。当关闭整流器的电源时，该电路装置还可以在开关元件的控制下，对储能电容进行放电。
[0005]
具体地，在一个方面中，本发明公开了一种用于在变频器中执行充放电操作的电路装置，其中所述变频器包括整流单元和逆变单元。所述电路装置连接于所述整流单元的输出端与逆变单元的输入端之间，并且包括：充电电阻，其一端与所述整流单元的输出端连接，另一端与所述变频器的储能电容连接；以及开关元件，其与所述充电电阻并联，并且通过所述开关元件的断开和闭合，以便实现对所述变频器进行预充电及放电的操作。
[0006]
在一个实施例中，所述开关元件为继电器。其与所述整流单元和储能电容连接，并且当所述继电器断开时，所述整流单元通过所述充电电阻对所述储能电容进行预充电；以及当所述继电器闭合并且所述整流单元断开时，所述储能电容通过所述继电器进行放电。
[0007]
在另一个实施例中，所述继电器两端并联有限幅二极管，以便对所述继电器进行保护。
[0008]
在又一个实施例中，本发明的所述电路装置还包括控制电阻。其与所述继电器串联，并且用于控制流经所述继电器线圈电流的大小。
[0009]
在另一个方面中，本发明还公开了一种变频系统。该变频系统包括整流单元，其配置用于将交流电转换为直流电；逆变单元，其配置用于将所述整流单元输出的直流电转换
为频率可变的交流电；以及上述的电路装置，其连接于所述整流单元和逆变单元之间，并且配置用于对所述变频系统执行预充电和放电操作。
[0010]
在又一个方面中，本发明还公开了一种利用上述的电路装置在变频器中执行充放电的方法。该方法包括：在充电过程中，对所述整流单元进行上电；整流单元输出的直流电通过充电电阻对储能电容进行充电；以及继电器闭合，预充电过程结束。在放电过程中，对所述整流单元进行断电；储能电容通过与继电器所构成的回路进行放电；继电器断开；以及储电容继续放电直至放电过程结束。
[0011]
本发明的电路装置通过电路的巧妙设计，实现了同时对变频器进行充电和放电的功能，从而不但解决了当变频器开启时，过大的冲击电流会损害变频器主电路的问题，而且还解决了由于充电电路和放电电路分别设置，所带来的电路复杂的问题。其次，本发明的电路装置可以自动完成充电和放电操作，无需cpu的控制，从而节省了cpu的资源。另外，本发明的电路装置还具有体积小、成本低、器件选型容易和可靠性高等优点。
附图说明
[0012]
通过参考附图阅读下文的详细描述，可以更好地理解本发明的上述特征，并且其众多目的、特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图，其中:
[0013]
图1是示出根据本发明实施例的电路装置的原理框图；
[0014]
图2是示出根据本发明实施例的电路装置的电路图；
[0015]
图3是示出根据本发明实施例的变频系统的框图；以及
[0016]
图4是示出根据本发明实施例的在变频器中执行充放电操作的方法的流程图。
具体实施方式
[0017]
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，并且这里所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0018]
图1是示出根据本发明实施例的电路装置100的原理框图。为了更好地理解本发明的电路装置的工作原理和应用场景，图1中还绘出了整流单元、逆变单元和储能电容。
[0019]
如图1所示，本发明实施例的电路装置100可以包括充电电阻101和开关元件102。其中，所述充电电阻的一端与所述整流单元的输出端连接，另一端与变频器的储能电容连接。所述开关元件与所述充电电阻并联，并且通过所述开关元件的断开和闭合，以便实现对所述变频器进行预充电及放电的操作。
[0020]
在一个实施例中，所述变频器可以包括整流单元、直流回路和逆变单元。进一步地，所述电路装置连接于所述整流单元的输出端与逆变单元的输入端之间，并且与所述直流回路中的储能电容并联。当所述变频器工作时，外部输入的交流电经过整流单元转换为直流电输出。为了对所述直流电进行储能和稳压，可以在整流单元之后布置有直流回路。所述直流回路可以包括直流母线和储能电容。经过所述直流回路稳压之后的直流电被输送到
所述逆变单元，再由逆变单元将所述直流电转换为频率可变的交流电并输出，以便驱动电动机等负载运行。
[0021]
图2是示出根据本发明实施例的电路装置200的电路图。这里需要指出的是，图2中的电路装置200可以理解为图1中的电路装置100的一种示例性的具体实现方式，因此结合图1所描述的电路装置100的细节也同样适用于对电路装置200的描述。下面将结合图2描述本发明的电路装置200的组成和工作原理。
[0022]
如图2所示，本发明的电路装置200可以包括充电电阻和开关元件。在一个实施例中，所述充电电阻例如可以是图中的r1。所述充电电阻r1的一端可以连接于直流母线dc+端，所述充电电阻r1的另一端连接所述储能电容。所述开关元件例如可以是图2中的继电器k1，其与所述充电电阻r1并联，并且可以包括线圈和触点。具体地，所述继电器k1例如可以是电磁式继电器，其可以包括线圈、衔铁和弹簧等部件。下面简要描述继电器k1的工作原理。
[0023]
当继电器k1工作时，在线圈两端加有电压，使得在所述线圈中产生电流，进一步所述电流产生电磁力。当电磁力大于弹簧的反向作用力时，吸动衔铁使常开接点动作，此时继电器k1闭合，则充电电阻r1处于短路状态，从而使得所述储能电容对所述整流单元输出的直流电进行储能和稳压，以保证所述变频器正常运行。当关闭所述整流单元的电源时，所述储能电容与所述继电器k1形成闭合回路，以便对所述储能电容进行放电操作。随着放电时间的增加，导致线圈中的电流逐渐下降。当线圈所产生的电磁力小于弹簧的反向作用力时，则衔铁释放，接点复位，使得所述继电器k1断开，从而使得所述储能电容通过所述充电电阻r1继续放电直至放电过程结束。
[0024]
在一个实施例中，所述继电器k1的两端可以并联有限幅二极管d7。其作用是把输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值时，输出电压将被限制在某一电平(称作“限幅电平”)，且不再随输入电压的变化而改变，从而对所述继电器进行保护。优选地，所述限幅二极管d7的型号例如可以是smbj30ca，其具有较陡直的u-i特性，使之具有良好的开关性能。所述限幅二极管两端的限幅电平可以被限制在30v，以便使得流经所述继电器k1的电流不至于过大，从而对所述继电器k1进行保护。
[0025]
在另一个实施例中，本发明的电路装置还可以包括控制电阻r2、r3和r4，其与所述继电器k1串联，并且用于控制流经所述继电器k1线圈电流的大小。具体地，所述控制电阻r3的一端连接直流母线的dc+端，控制电阻r3的另一端串联控制电阻r2。进一步，控制电阻r2串联所述继电器k1的线圈，并且所述继电器k1的线圈通过控制电阻r4与直流母线的dc-端连接。前述的限幅二极管d7的一端连接于所述控制电阻r3和r2之间，其另一端连接于所述继电器k1与控制电阻r4之间，以便使得所述限幅二极管d7与所述控制电阻r2和继电器k1并联。在一个应用场景中，所述控制电阻r3和r4的阻值可以通过整个预充电回路的电流以及限幅二极管的功率进行计算而获得。所述控制电阻r2的阻值可以根据所述继电器k1的吸合电流进行计算而获得。
[0026]
在又一个实施例中，所述储能电容可以是图2中的大容量的电解电容c1、c2和c3，其电容量的选取可以根据直流母线电压值来确定。进一步，所述电解电容c1、c2和c3相互并联，并且连接于所述直流母线的dc+端与dc-端之间，以使得所述直流母线和储能电容c1、c2和c3可以构成所述变频器的直流回路。
[0027]
在一些应用场景中，所述变频器的负载可以为三相异步电动机，其属于感性负载，无论电动机处于何种运行状态，其功率因素总不为1。因此，在直流回路和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功功率要靠直流回路中的储能元件来进行缓冲，以便使直流电压始终保持平稳。基于上述原理，所述直流回路配置用于接收和存储整流单元发送来的直流电，以便对所述整流单元输出的直流电进行滤波、稳压和储能，并且向所述逆变器输出经过所述直流回路滤波和稳压之后的直流电。然而，当闭合变频器开关的瞬间，由于整流单元输出的电流过大，有可能将储能电容击穿，因此需要预先对储能电容进行预充电。并且当断开变频器的开关时，还需要对储能电容进行放电操作。
[0028]
在一个实施例中，所述整流单元例如可以是三相整流桥。其输入端用于接收例如变压器输出的三相交流电u、v和w。其输出端用于输出经过整流处理之后的直流电。具体地，所述三相整流桥可以由6个整流二极管d1、d2、d3、d4、d5和d6组成，其中u相电压连接于串联的整流二极管d1和d2之间；v相电压连接于串联的整流二极管d3和d4之间；w相电压连接于串联的整流二极管d5和d6之间。进一步，整流二极管d1、d3和d5的输出端连接于一点，以作为直流母线的dc+端；整流二极管d2、d4和d6的输入端连接于一点，以作为直流母线的dc-端。
[0029]
图3是示出根据本发明实施例的变频系统300的框图。
[0030]
如图3所示，本发明还公开了一种变频系统300，其可以包括整流单元301、逆变单元302和上述用于对所述变频系统进行预充电和放电的电路装置303。进一步地，所述整流单元配置用于将交流电转换为直流电。所述逆变单元配置用于将所述整流单元输出的直流电转换为频率可变的交流电。所述电路装置连接于所述整流单元和逆变单元之间，并且配置用于对所述变频系统执行预充电和放电操作。
[0031]
图4是示出根据本发明实施例的在变频器中执行充放电操作的方法400的流程图。
[0032]
如图4所示，本发明还公开了一种利用上述的电路装置在变频器中执行充放电操作的方法400。该方法包括：在预充电过程中，首先执行步骤401。在此步骤401处，对所述整流单元进行上电或者对所述变频器进行上电，此时变频器外部的交流电经过整流单元处理成直流电并且进行输出。接着方法400进入步骤402。在此步骤402处，整流单元输出的直流电通过充电电阻对储能电容进行充电。最后方法400终止于步骤403，在此步骤处，继电器闭合，预充电过程结束。具体地，随着充电时间的增加，充电电阻两端的电压逐渐增大。当充电电阻两端的电压增大到，使得流过所述继电器线圈的电流所产生的电磁力大于弹簧反向作用力时，吸动衔铁使常开接点动作，从而将继电器闭合。于是充电电阻被短路，预充电过程结束。
[0033]
在放电过程中，所述方法400首先执行步骤404。在此步骤404处，对所述整流单元进行断电或者对所述变频器进行断电，此时整流单元输出电压和电流值为零。接着方法400进入步骤405，在此步骤405处，储能电容通过与继电器的衔铁所构成的回路进行放电。具体地，由于此时继电器处于闭合状态，因此储能电容依次通过继电器的衔铁、控制电阻r3、r2、继电器的线圈以及控制电阻r4所构成的回路进行放电。
[0034]
随后，方法400执行步骤406。在此步骤406处，继电器断开。具体地，随着放电时间的增加，储能电容上的电压越来越小，导致流经继电器线圈中的电流逐渐减小。当继电器线圈的电流所产生的电磁力小于弹簧反向作用力时，则衔铁释放，接点复位，从而将继电器断
开。最后，方法400终止于步骤407。在此步骤407处，储电容继续放电直至放电过程结束。具体地，当继电器断开后，储能电容将通过与充电电阻r1所构成的回路继续放电，直至储能电容两端的电压为零。此时，所述电路装置恢复到预充电前的状态，并准备等待下一次的预充电过程。下面结合附图1～4，详细描述本发明的电路装置的工作原理。
[0035]
在初始状态下，由于本发明的电路装置的继电器k1线圈中无电流流过，因此继电器处于断开状态，并且储能电容上无电压。当变频器的开关电源打开时，外部三相交流电可以通过变压器进行降压处理，从而将经过降压处理后的三相交流电u、v和w向变频器的三相整流桥输出。进一步，大小相等、相位相差120度的三相交流电u、v和w经过整流桥的6个整流二极管d1～d6的处理之后，向直流母线的dc+端输出直流电。
[0036]
上述直流电通过充电电阻r1向储能电容c1、c2和c3进行充电。随着充电时间的增加，储能电容c1、c2和c3两端的电压(即直流母线dc+端与dc-端之间的电压)逐渐增大。由于直流母线dc+端与dc-端之间依次串联有控制电阻r3、r2、继电器k1和r4，因此在该串联回路中产生电流，并且该电流随着直流母线dc+端与dc-端之间的电压的增大而增强。进一步，当电流流经继电器k1的线圈时，由于电磁感应的作用而产生电磁力，并且所述电磁力随着流经线圈的电流的增强而变大。
[0037]
随着充电时间的增加，继电器k1线圈所产生的电磁力会逐渐增大。当电磁力大于弹簧的反向作用力时，吸动衔铁使常开接点动作，导致继电器k1闭合，则充电电阻r1处于短路状态，从而使得所述储能电容c1、c2和c3对所述整流单元输出的直流电进行储能和稳压，以保证所述变频器正常运行。此时，整流单元输出的直流电经过直流母线和继电器的短路衔铁，并且通过储能电容c1、c2和c3的滤波和稳压之后，向逆变单元输出。所述逆变单元再将其接收到的直流电通过逆变桥转换成频率可变的交流电，以便驱动所述电动机等负载运行。需要说明的是，由于储能电容c1、c2和c3经过了预充电过程，使其两端预先具有一定的电压值，因此当继电器k1闭合，整流单元输出的直流电压加载到储能电容c1、c2和c3上时，避免了冲击电流过大而对储能电容c1、c2、c3和其他电器元件造成损害。
[0038]
在上述过程中，通过合理设置控制电阻r3、r2和r4电阻值，使得流经所述继电器k1线圈中的电流所产生的电磁力始终保证将继电器的衔铁吸合，从而使得所述充电电阻r1始终处于短路状态。另外，为了防止流经继电器k1线圈中的电流过大而将继电器k1烧坏，可以在所述继电器k1线圈两端并联有限幅二极管d7。该限幅二极管可以保证无论直流母线dc+端与dc-端之间的电压增大到何值，继电器k1线圈两端的电压始终保持在30v左右，从而起到了对所述继电器k1进行保护的作用。
[0039]
当变频器的开关电源断开时，所述变频器停止工作，整流单元输出的电压为零。此时，储能电容c1、c2、c3与继电器k1的短路衔铁、控制电阻r3、控制电阻r2、继电器k1的线圈和控制电阻r4构成放电回路，从而对所述储能电容c1、c2、c3进行放电。随着放电时间的增加，直流母线dc+端与dc-端之间的电压逐渐下降。当继电器k1线圈的电压或电流下降到某一阈值时，线圈所产生的电磁力小于弹簧反向作用力，则衔铁释放，接点复位，继电器k1断开。接着，储能电容c1、c2和c3通过充电电阻r1、控制电阻r3、控制电阻r2、继电器k1的线圈和控制电阻r4构成放电回路继续放电，直至放电过程结束。最终，本发明的电路装置处于所述初始状态，以便等待下一次预充电过程的开始。
[0040]
应当理解，本发明的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和
“
第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本公开的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0041]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而并不意在限定本发明。如在本发明说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本发明说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0042]
虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。