变频器能耗制动控制电路、变频器及其能耗制动控制方法

技术领域

本发明涉及变频器领域，特别涉及一种变频器能耗制动控制电路、变频器及其能耗制动控制方法。

背景技术

变频器是一种通过改变电动机的工作电源频率方式来控制电动机的电力控制设备。随着工业自动化程度的不断提高，变频器得到了广泛应用，其主要应用之一是节能。例如，可以将变频器用在风机或水泵上，在需要降低给风量或给水量的场合，通过变频器内部IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)的开断，调整风机或水泵的工作电源频率，从而调整给风量或给水量，达到节能的目的。

变频器的基本结构如图1所示。变频器包括主电路和控制电路，主电路包括整流电路、中间电路和逆变电路。控制电路用于接收运行指令，将运行指令转换为用于控制整流电路、中间电路和逆变电路的控制指令；整流电路用于将交流电转换为直流电，其输入端与三相交流电源连接，输出端与中间电路连接；中间电路用于对直流电进行滤波、储能等，其输出端与逆变电路的输入端连接；逆变电路用于将直流电转换为所需的交流电，作为三相异步电动机的工作电源，其中，逆变电路一般采用IGBT实现，IGBT在控制电路的控制下改变交流电的频率等参数。

在采用大功率变频器驱动电动机的场景中，当电动机处于制动状态时，电动机转子因惯性会继续转动，此时电动机处于发电状态，其产生的能量将反馈到直流母线端，母线电压会持续泵升，如果不对母线电压加以限制，将会造成母线上的滤波电容和功率器件等过压损坏。而即便母线电压没有过高泵升，由于母线能量没有专门的泄放途径，母线放电过慢，变频器和电动机无法再次快速重启；并且，母线放电过慢也增加了电气安全事故的出现概率。

目前，解决此问题的方法通常是在变频器母线端增加能耗制动电路，对于大功率变频系统而言，最简单的方法是在母线上串接大功率波纹电阻器，但是，该电阻器在电动机启动后一直通电运行，能量损耗较大，不仅降低了变频器的工作效率，还对变频器系统的散热等方面提出更高的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种变频器的能耗制动控制电路、变频器及其能耗制动控制方法，在电动机处于制动状态时才接入制动电阻进行能耗制动，不仅能够对母线电压泵升进行有效的控制，还能够使变频器快速制动和重启，提高了变频器和电动机驱动系统的效率和可靠性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变频器能耗制动控制电路，所述控制电路与变频器主电路连接，所述主电路包括制动电阻R1，其特征在于，所述控制电路包括：

检测模块，用于在变频器能耗制动过程中检测母线电压，并确定母线电压所处的区间；

能耗制动模块，用于当检测模块检测到母线电压超过泵升电压上限值U_H时，将制动电阻R1接入母线进行能耗制动，当检测模块检测到母线电压低于泵升电压下限值U_L时，将制动电阻R1从母线切断。

优选地，所述主电路还包括与制动电阻R1串联的继电器KA1；当所述检测模块检测到母线电压超过泵升电压上限值U_H时，所述能耗制动模块使继电器KA1的常开触点闭合，从而将制动电阻R1接入母线；当所述检测模块检测到母线电压低于泵升电压下限值U_L时，所述能耗制动模块使继电器KA1的常开触点断开，从而将制动电阻R1从母线切断。

优选地，所述控制电路还包括：

第一分压网络，用于预先设定并输出所述泵升电压上限值U_H；和/或

第二分压网络，用于预先设定并输出所述泵升电压下限值U_L。

优选地，所述检测模块包括第一比较器OP1、第二比较器OP2、第一三极管Q1、第五电阻R5、第六电阻R6和晶闸管Q2，其中：

第一比较器OP1和第二比较器OP2的同向端分别连接到所述控制电路的输入端；

第一比较器OP1的反相端连接到第一分压网络的输出端；

第二比较器OP2的反相端连接到第二分压网络的输出端；

第一三极管Q1的门极与第二比较器OP2的输出端连接，漏极与直流电源正极连接，源极与第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端与接地端连接；

晶闸管Q2的正极与第一三极管Q1的源极连接，负极与第六电阻R6的一端连接，第六电阻R6的另一端与第一比较器OP1的输出端连接；晶闸管Q2的负极还与第七电阻R7的一端连接，第七电阻R7的另一端作为所述检测模块的输出端。

优选地，所述能耗制动模块包括第三三极管Q3、第八电阻R8、第十二电阻R12、IGBTQ4和二极管VD1，其中：

第三三极管Q3的门极作为能耗制动模块的输入端，其连接到检测模块的输出端，第三三极管Q3的漏极与直流电源正极连接，源极与第十二电阻R12的一端串接，第十二电阻R12的另一端与接地端连接；

第八电阻R8的一端连接到第三三极管Q3的源极，另一端连接到IGBT Q4的门极；

IGBT Q4的源极与接地端连接，且源极与二极管VD1的正极连接，漏极与二极管VD1的负极连接；

所述继电器KA1连接在IGBT Q4的漏极和直流电源正极之间。

优选地，可将第三三极管Q3部分的电路替换为由PNP和NPN三极管组成的图腾柱结构来实现。

优选地，母线电压经过电阻R10和电阻R11分压后，作为所述控制电路的输入。

本发明还提供了一种变频器，其包括以上实施例中的变频器能耗制动控制电路。

本发明还提供了一种变频器能耗制动控制方法，其特征在于：

在变频器能耗制动过程中检测母线电压，并确定母线电压所处的区间；

当母线电压超过泵升电压上限值U_H时，将制动电阻R1接入母线进行能耗制动，当母线电压低于泵升电压下限值U_L时，将制动电阻R1从母线切断。

优选地，将继电器KA1与制动电阻R1串联，当母线电压超过泵升电压上限值U_H时，使继电器KA1的常开触点闭合，从而将制动电阻R1接入母线；当母线电压低于泵升电压下限值U_L时，使继电器KA1的常开触点断开，从而将制动电阻R1从母线切断。

优选地，预先设定所述泵升电压上限值U_H和/或所述泵升电压下限值U_L。

本发明提供的变频器能耗制动控制电路和控制方法只在电动机处于制动状态时才接入制动电阻R1进行能耗制动，避免了制动电阻R1持续通电运行造成的能耗，提高了变频电动机驱动系统的工作效率和可靠性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出变频机的基本结构；

图2示出变频器的主电路；

图3示出本发明提供的变频器能耗制动控制电路。

图中，

1、第一分压网络；2、第二分压网络；3、检测模块；4、能耗制动模块。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明提供了一种变频器，该变频器包括主电路和控制电路。主电路如图1所示，控制电路如图2所示。其中，主电路包括制动电阻R1，控制电路包括检测模块3和能耗制动模块4，当检测模块3在变频器能耗制动过程中检测到母线电压超过预设的泵升电压上限值U_H时，将制动电阻R1接入母线进行能耗制动；当检测模块3在变频器能耗制动过程中检测到母线电压低于预设的泵升电压下限值U_L时，将制动电阻R1从母线切断。由于本发明在电动机处于制动状态时再接入制动电阻R1进行能耗制动，避免了制动电阻R1持续通电运行，提高了变频驱动系统的工作效率和可靠性。

如图2所示，变频器主电路包括整流电路、中间电路和逆变电路。其中，中间电路包括母线电容C1、制动电阻R1、与制动电阻R1反向并联的二极管以及与制动电阻R1串联的继电器KA1。其中，制动电阻R1通常选用较大功率的波纹电阻器或金属壳电阻；与制动电阻R1反向并联的二极管用于防止因回路寄生电感而产生的过压损坏功率开关管。继电器KA1包括常开触点，当控制电路检测到母线电压产生过压时(即母线电压超过预设的泵升电压上限值U_H时)，继电器KA1的主线圈得电，常开触点闭合，制动电阻R1接入母线进行能耗制动和过压保护；当控制电路检测到母线电压下降到安全范围内时(即母线电压低于预设的泵升电压下限值U_L时)，继电器KA1的主线圈失电，常开触点断开，将制动电阻R1从母线切断。

如图3所示，本发明提供的变频器能耗制动控制电路包括第一分压网络1，第二分压网络2，检测模块3以及能耗制动模块4，其中：

母线电压Uin经过第十电阻R10和第十一电阻R11分压后变为合适的电压，作为所述变频器能耗制动控制电路的输入；

第一分压网络1用于预先设定和输出能耗制动电压上限值U_H，包括串接的第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1和第二电阻R2的连接点处输出的电压即能耗制动电压上限值U_H；

第二分压网络2用于预先设定和输出能耗制动电压下限值U_L，包括串接的第三电阻R3和第四电阻R4，第三电阻R3和第四电阻R4的连接点处输出的电压即能耗制动电压下限值U_L；

检测模块3包括第一比较器OP1、第二比较器OP2、第一三极管Q1、第五电阻R5、第六电阻R6和晶闸管Q2，其中：第一比较器OP1和第二比较器OP2的同向端分别连接到所述控制电路的输入端；第一比较器OP1的反相端连接到第一分压网络的输出端；第二比较器OP2的反相端连接到第二分压网络的输出端；第一三极管Q1的门极与第二比较器OP2的输出端连接，漏极与直流电源正极连接，源极与第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端与接地端连接；晶闸管Q2的正极与第一三极管Q1的源极连接，负极与第六电阻R6的一端连接，第六电阻R6的另一端与第一比较器OP1的输出端连接；晶闸管Q2的负极还与第七电阻R7的一端连接，第七电阻R7的另一端作为所述检测模块3的输出端；

能耗制动模块4包括第三三极管Q3、第八电阻R8、第十二电阻R12、IGBT Q4和二极管VD1，其中：第三三极管Q3的门极作为能耗制动模块4的输入端，其连接到检测模块3的输出端，第三三极管Q3的漏极与直流电源正极连接，源极与第十二电阻R12的一端串接，第十二电阻R12的另一端与接地端连接；第八电阻R8的一端连接到第三三极管Q3的源极，另一端连接到IGBT Q4的门极；IGBT Q4的源极与接地端连接，且源极与二极管VD1的正极连接，漏极与二极管VD1的负极连接；所述继电器KA1连接在IGBT Q4的漏极和直流电源正极之间。

所述变频器能耗制动控制电路的工作原理是：

通过第一分压网络1和第二分压网络2，预先设定合适的泵升电压下限值U_H和泵升电压下限值U_L；

在变频器能耗制动过程中，当检测模块3检测到母线电压超过泵升电压下限值U_L时，第一三极管Q1导通，输出高电平；如果母线电压继续上升，超过设定的泵升电压上限值U_H时，第一比较器OP1输出高电平，晶闸管Q2导通，其输出端为高电平，第三三极管Q3导通，经第八电阻R8对门极电流限流后，使IGBT>

当母线电压下降至U_H和U_L之间时，由于晶闸管Q2的作用,制动回路依旧导通；

当母线电压降至U_L以下时，第一三极管Q1截止，晶闸管Q2及第三三极管Q3随后也截止，IGBT>

此外，控制电路中第三三极管Q3部分的电路可改由PNP和NPN三极管组成的图腾柱结构来实现。

基于上述变频器能耗制动控制电路，本发明还提供了一种变频器能耗制动控制方法，即：在变频器能耗制动过程中检测母线电压，并确定母线电压所处的区间；当母线电压超过泵升电压上限值U_H时，将制动电阻R1接入母线进行能耗制动，当母线电压低于泵升电压下限值U_L时，将制动电阻R1从母线切断。

优选地，将继电器KA1与制动电阻R1串联，当母线电压超过泵升电压上限值U_H时，使继电器KA1的常开触点闭合，从而将制动电阻R1接入母线；当母线电压低于泵升电压下限值U_L时，使继电器KA1的常开触点断开，从而将制动电阻R1从母线切断。

优选地，所述泵升电压上限值U_H和所述泵升电压下限值U_L均可预先设定。

本发明可对变频电动机驱动系统的母线电压进行精确控制，防止制动状态下的母线电压泵升问题，有效防止母线上的滤波电容和功率模块等过压损坏。并且，本发明只在电动机处于制动状态时才接入制动电阻R1进行能耗制动，避免了制动电阻R1持续通电运行造成的能耗，提高了变频电动机驱动系统的工作效率和可靠性。并且，由于本发明采用双阈值(即泵升电压上限值U_H和泵升电压下限值U_L)，能够灵活控制变频器，可以有效地避免电网波动对母线电压控制的影响，防止电路误动作。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。