一种变频器用电机转子能量泄放电路

技术领域

本申请涉及电子电路技术领域，更具体地，涉及一种变频器用电机转子能量泄放电路。

背景技术

由于变频器调速性能的成熟优异，其在调速领域的应用越来越广，但随之而来的制动问题越来越受到人们的关注；在变频调速系统中，当变频器带动负载电动机瞬间减速或快速停车时，由于惯性原因，电动机转子的转速不会在短时间内突变为零，此时电动机处于再生发电状态，从而产生反馈电流，并通过变频器的逆变桥IGBT的反并联二极管回馈到中间的直流回路，在通用变频器的直流电路中虽然并联了电容器，但电容器的容量是有限的，并不能吸收全部回馈电能，并且当负载惯量特别大或制动频繁时，回馈电能更大，此时变频器的内置电容难以存储这部分电能，造成内置电容超过耐压损坏，导致变频器发生损坏。

目前常采用变频器外接制动电阻的方式解决这一问题，通过外部的能耗制动来消耗这部分电能，但是这种方式存在以下缺点：一是通过外接制动电阻消耗电子转子的回馈电能的同时也会消耗变频器内置电容以及电网能量，造成能量浪费；二是在电机转子能量泄放要求较高时，单一的制动电阻无法实现电机转子能量的快速泄放，系统的泄放能力有限。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种变频器用电机转子能量泄放电路，可以提高系统的能量泄放能力，同时减少对电网能量的消耗，最大程度上只对电机转子旋转能量进行消耗。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种变频器用电机转子能量泄放电路，其包括双触点开关、续流二极管和能量泄放支路；

所述能量泄放支路包括泄放电阻、A相转子能量泄放二极管、B相转子能量泄放二极管和C相转子能量泄放二极管；

所述双触点开关的第一触点端连接变频器电源电路中整流器的输出端，动端连接变频器电源电路中母线滤波电容及制动电阻的第一端，第二触点端连接所述泄放电阻的第一端；泄放电阻的第二端分别连接所述A相转子能量泄放二极管、B相转子能量泄放二极管和C相转子能量泄放二极管的阳极，A相转子能量泄放二极管、B相转子能量泄放二极管和C相转子能量泄放二极管的阴极对应连接三相交流电机中的A、B、C相绕组；

所述续流二极管的阴极连接所述制动电阻的第二端及IGBT管的集电极，阳极连接IGBT管的发射极及所述母线滤波电容的第二端。

优选的，上述变频器用电机转子能量泄放电路，其具有两种工作模式：

部分工作模式：所述IGBT管断开，所述双触点开关的动端连接第二触点，使所述续流二极管、制动电阻、泄放电阻以及A相、B相和C相转子能量泄放二极管构成第一泄放回路，三相交流电机的转子能量通过串联的制动电阻和泄放电阻进行释放；母线滤波电容的能量通过泄放电阻释放；

完全工作模式：所述双触点开关的动端连接第二触点，使所述续流二极管、制动电阻、泄放电阻以及A相、B相和C相转子能量泄放二极管构成第一泄放回路，三相交流电机的转子能量通过串联的制动电阻和泄放电阻进行释放，母线滤波电容的能量通过泄放电阻释放；且所述IGBT管导通，使制动电阻、IGBT管和母线滤波电容构成第二泄放回路，母线滤波电容的能量通过制动电阻释放。

优选的，上述变频器用电机转子能量泄放电路，在不工作时，所述双触点开关的动端连接第一触点，变频器电源电路向母线滤波电容充电并为三相交流电机提供动能。

优选的，上述变频器用电机转子能量泄放电路，其包括多条并联设置的能量泄放支路。

优选的，上述变频器用电机转子能量泄放电路，还包括软充电电阻，所述软充电电阻设置在整流器的输出端与母线滤波电容之间。

优选的，上述变频器用电机转子能量泄放电路，所述变频器电源电路包括依次连接的电网三相交流母线、三相自耦调压器和三相二极管不控整流器。

优选的，上述变频器用电机转子能量泄放电路，所述双触点开关可选用单刀双掷开关或者双触点行程开关。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的变频器用电机转子能量泄放电路，增加了一条从电机相线直接实现能量泄放的回路，从而增大了变频器系统的能量泄放能力。且相较原有结构，在能量泄放要求较低时，可以仅使用本方案提供的能量泄放支路，减少消耗直流母线处提供的由整流器、变压器系统来自电网的能量。在能量泄放要求较高时，同时使用常规的制动电路以及本方案中的能量泄放支路进行多余能量的快速释放，提高能量泄放能力，在电机转子储能较大时最大程度上保证母线滤波电容的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为带有常规能量泄放支路的变频器系统的电路结构示意图；

图2为制动电路在工作时的能量流动示意图；

图3为本申请实施例提供的变频器用电机转子能量泄放电路的电路结构示意图；

图4为本申请实施例提供的变频器用电机转子能量泄放电路在不工作时的能量流动图；

图5为本申请实施例提供的变频器用电机转子能量泄放电路在部分工作时的能量流动图；

图6为本申请实施例提供的变频器用电机转子能量泄放电路在完全工作时的能量流动图；

图7为本申请实施例提供的变频器用电机转子能量泄放电路中多条能量泄放支路并联的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

图1为带有常规能量泄放支路的变频器系统的电路结构示意图；如图1所示，该系统包括变频器电源电路、母线滤波电容软充电电路、直-交变换逆变电路和制动电路；

其中，变频器电源电路包括电网380V三相交流母线、三相自耦调压器、三相二极管不控整流器和母线滤波电容C1；电网380V三相交流母线、三相自耦调压器和三相二极管不控整流器依次电连接，母线滤波电容C1与三相二极管不控整流器的输出端相连。

母线滤波电容软充电电路包括软充电电阻R1和软充电行程开关SW1，其中，软充电电阻R1设置在三相二极管不控整流器的输出端与母线滤波电容C1之间，软充电行程开关与软充电电阻R1并联设置；软充电电阻R1主要在电网放电时起到限流作用，减小了通电时的冲击电流对母线滤波电容C1的影响，而且瞬间电压降降到了充电电阻上，避免对电网的影响。

直-交变换逆变电路包括A相逆变功率开关IGBT上管IG1、A相逆变功率开关IGBT下管IG2，B相逆变功率开关IGBT上管IG3、B相逆变功率开关IGBT下管IG4，C相逆变功率开关IGBT上管IG5、C相逆变功率开关IGBT上管IG6。

本实施例将常规变频器系统中的三相交流电机简化为三相等效转换电路，具体是将三相交流电机等效为各相电感电阻和相旋转反电势对应的受控电压源，参见图1，将三相交流电机A相绕组等效为A相电感Lm1、A相电阻Rm1、A相反电动势Vm1；将三相交流电机B相绕组等效为B相电感Lm2、B相电阻Rm2、B相反电动势Vm2；将三相交流电机C相绕组等效为C相电感Lm3、C相电阻Rm3、C相反电动势Vm3。

一般情况下，负载电机是在变频器的输出频率的“束缚下”运行的，其转速等于或接近变频器的输出频率。但一些大惯性负载，在减速或停车过程中，电机转速有可能超过变频器的给定频率，处于超速运行状态，此时电机的转子速度超过定子磁场速度，产生容性电流，由电动进入动电(发电)状态。负载电机的发电能量，经IGBT两端并联二极管构成的三相桥式整流电路馈回变频器的直流回路，可能导致直流电压的异常升高，危及储能电容和IGBT模块的安全。

目前最常采用的方法是采用制动电路(或称刹车电路)，将制动电路接入直流回路，将直流回路的电压增量转化为制动电阻的有功耗(制动电流流经制动电阻)。变频器起动制动动作时，可以使电机的发电能量快速耗散，可以达到加速停车的作用，因而制动电路又称为刹车电路。

请继续参阅图1，常见的制动电路包括制动电阻R2以及控制该制动电路开启/关闭的能量泄放IGBT管IG7；制动电阻R2的第一端分别连接母线滤波电容C1的第一端以及A相逆变功率开关IGBT上管IG1、B相逆变功率开关IGBT上管IG3、C相逆变功率开关IGBT上管IG5的集电极，第二端连接能量泄放IGBT管IG7的集电极，能量泄放IGBT管IG7的发射极分别连接母线滤波电容C1的第二端以及A相逆变功率开关IGBT下管IG2、B相逆变功率开关IGBT下管IG4、C相逆变功率开关IGBT上管IG6的发射极，能量泄放IGBT管IG7的门极接收外部控制信号，触发能量泄放IGBT管的导通或关闭。

上述制动电路在工作时的能量流动示意图如图2所示，能量泄放IGBT管IG7受控导通，电子转子能量通过制动电阻R2进行泄放；但是，电网及母线滤波电容C1的能量同时也会通过制动电阻R2进行泄放耗散，造成能量浪费。

为了改善常规变频器的制动电路消耗电网及母线滤波电容C1能量的问题，本实施例提供了一种更加优化的变频器用电机转子能量泄放电路，具体的电路结构如图3所示，该电路包括双触点开关SW2、续流二极管D4和能量泄放支路；能量泄放支路包括泄放电阻R3、A相转子能量泄放二极管D1、B相转子能量泄放二极管D2和C相转子能量泄放二极管D3；

其中，所述双触点开关SW2的第一触点端1连接变频器电源电路中整流器的输出端，动端连接变频器电源电路中母线滤波电容C1及制动电阻R2的第一端，第二触点端2连接泄放电阻R3的第一端；泄放电阻R3的第二端分别连接所述A相转子能量泄放二极管D1、B相转子能量泄放二极管D2和C相转子能量泄放二极管D3的阳极，A相转子能量泄放二极管D1、B相转子能量泄放二极管D2和C相转子能量泄放二极管D3的阴极对应连接三相交流电机中的A、B、C相绕组；

续流二极管D4与能量泄放IGBT管IG7反向并联设置，该续流二极管D4的阴极连接所述制动电阻R2的第二端及IGBT管的集电极，阳极连接IGBT管的发射极及所述母线滤波电容C1的第二端。

本实施例提供的能量直接泄放电路具有三种工作模式：不工作、部分工作模式和完全工作模式；

参见图4，当能量泄放电路不工作时，即电机正常电动运行时，双触点开关SW2的动端连接第一触点端1，电网能量通过变频器电源电路正常向母线滤波电容C1充电，电网能量及母线滤波电容C1存储的能量通过功率开关IG1、IG4、IG6向电机转子及转子所拖动的负载提供动能。

参见图5，当能量泄放电路处于部分工作模式时：能量泄放IGBT管IG7断开，双触点开关SW2的动端连接第二触点端2，使续流二极管D4、制动电阻R2、泄放电阻R3以及A相、B相和C相转子能量泄放二极管D1、D2、D3，以及A相、B相、C相逆变功率开关IGBT下管IG2、IG4、IG6构成第一泄放回路，三相交流电机的转子能量通过串联的制动电阻R2和泄放电阻R3进行释放；母线滤波电容C1的能量通过泄放电阻R3进行缓慢释放；此模式适用于负载电机产生的发电能量较小、对系统泄放能力要求较小的情况下，此时电网能量无法通过制动电阻R2或泄放电阻R3释放，母线滤波电容C1的电压被和制动电阻R2和能量泄放IGBT管IG7钳位，由于能量泄放IGBT管IG7处于断开状态，因此母线滤波电容C1的能量无法通过制动电阻R2泄放，仅能够通过泄放电阻R3缓慢释放，从而减少对电网及母线滤波电容C1能量的消耗，而直接消耗电机转子能量。

参见图6，当能量泄放电路处于完全工作模式时：双触点开关SW2的动端连接第二触点端2，使续流二极管D4、制动电阻R2、泄放电阻R3以及A相、B相和C相转子能量泄放二极管D1、D2、D3，以及A相、B相、C相逆变功率开关IGBT下管IG2、IG4、IG6构成第一泄放回路，三相交流电机的转子能量通过串联的制动电阻R2和泄放电阻R3进行释放，母线滤波电容C1的能量通过泄放电阻R3进行释放；此外，由于能量泄放IGBT管IG7导通，使制动电阻R2、IGBT管和母线滤波电容C1构成第二泄放回路，母线滤波电容C1的能量可以通过制动电阻R2释放。此模式适用于负载电机产生的发电能量较大、对系统泄放能力要求较高的情况下，此时母线滤波电容C1的能量可以通过制动电阻R2和泄放电阻R3进行快速并联泄放。

本实施例提供的能量泄放电路在结束部分工作模式后，将双触点开关SW2从第一触点2拨到第二触点1后系统可继续运行，不需进行复位。

本实施例提供的能量泄放电路在结束完全工作模式后，双触点开关SW2必须进行复位，系统也应进行复位并进行母线滤波电容C1的预充电。完全工作模式是为了在电机转子储能较大时最大程度上保证母线滤波电容C1的安全性，母线滤波电容C1的电压受制动电阻R2和IG7的钳位变得极小，且电网能量不进行补充，是完全工作后应进行复位并重新进行母线滤波电容C1预充电的原因。

双触点开关SW2可选用单刀双掷开关或者双触点行程开关，本实施例不做具体限制。

相较只具备常规制动电路的变频器功率电路结构，本实施例提供的能量泄放电路增加了一条从电机相线直接实现能量泄放的回路，从而增大了变频器系统的能量泄放能力。且相较原有结构，在能量泄放要求较低时，可以仅使用本方案提供的能量泄放支路，减少消耗直流母线处提供的由整流器、变压器系统来自电网的能量。在能量泄放要求较高时，同时使用常规的制动电路以及本方案中的能量泄放支路进行多余能量的快速释放，提高能量泄放能力。

在一个优选的实施例中，上述变频器用电机转子能量泄放电路包括多条并联设置的能量泄放支路，通过将多条能量泄放支路进行并联来进一步提高系统的泄放能力，达到提高最大泄放能力限制的效果。请参阅图7，在物理空间允许的情况下，该能量泄放支路可以无限并联，可以增加无限条该支路借以摆除泄放电阻R3(并联时标记为R13和R23)的功率限制和电机转子能量泄放二极管D1、D2、D3(并联时标记为D11、D21和D12、D22和D13、D23)限流能力的限制，可无限增加支路允许释放的最大能量直至受系统最大通流能力和双触点开关SW2最大通流能力的限制。