一種變頻器尖峰電壓吸收裝置、方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變頻器尖峰電壓吸收裝置、方法及系統(tǒng)。該吸收裝置與該電機并聯(lián)連接，該吸收裝置包括：尖峰電壓檢測器、開關(guān)元件和電能熱能轉(zhuǎn)換器；該開關(guān)元件連接于該電機的電源輸入端與該電能熱能轉(zhuǎn)換器之間；該尖峰電壓檢測器檢測該電機的電源輸入端的尖峰電壓，當該尖峰電壓超過檢測閾值時，該尖峰電壓檢測器觸發(fā)該開關(guān)元件導(dǎo)通，使得該電能熱能轉(zhuǎn)換器接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓，轉(zhuǎn)換為熱能。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安裝便利，不會產(chǎn)生電壓降，不影響電機的轉(zhuǎn)矩，同時，可有效消除變頻器對電機定子繞組的損傷，大幅吸收尖峰電壓，轉(zhuǎn)換為熱量耗散掉。
【專利說明】—種變頻器尖峰電壓吸收裝置、方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電機保護領(lǐng)域，特別是涉及一種變頻器尖峰電壓吸收裝置、方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有技術(shù)中，很多場合需要對交流電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。特別是近年來，對節(jié)能降耗的要求不斷提高，用變頻器控制風機、水泵、空壓機等設(shè)備的情形十分普遍。
[0003]但是，由于變頻器驅(qū)動電機的電壓波形不是正弦波，而是PWM電壓波形，這種波形會對電機的定子繞組和軸承產(chǎn)生嚴重的損傷。
[0004]變頻器輸出的PWM電壓波形損傷電機定子繞組的原因是，PWM脈沖電壓在電機端發(fā)生反射，入射波與反射波疊加，形成幅度超過PWM電壓幅度2倍的尖峰電壓，這種尖峰電壓不斷作用在電機定子繞組上，造成繞組的匝間絕緣擊穿。
[0005]目前有一些技術(shù)可以解決這個問題，主要是在變頻器的輸出端安裝正弦波濾波器或者du/dt濾波器。
[0006]正弦波濾波器的作用是將PWM電壓波形整形成正弦波，這樣就自然消除了在電機端產(chǎn)生的尖峰電壓，起到保護電機的作用。
[0007]du/dt濾波器的作用類似于正弦波濾波器，但它不是把PWM電壓波形完全整形成正弦波，而是延長脈沖的上升沿，從而減小尖峰電壓。
[0008]上述這些解決方案的主要缺點是:
[0009]當功率較大時，濾波器的體積就會相應(yīng)較大，成本較高。而正弦波濾波器由于存在較大的電壓降，還會影響電機的轉(zhuǎn)矩。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明公開了一種變頻器尖峰電壓吸收裝置、方法及系統(tǒng)，用于吸收尖峰電壓，低價、有效的消除變頻器對電機定子繞組的損傷。
[0011]本發(fā)明公開了一種變頻器尖峰電壓吸收裝置，變頻器與電機連接，該吸收裝置與該電機并聯(lián)連接，該吸收裝置包括:
[0012]尖峰電壓檢測器、開關(guān)元件和電能熱能轉(zhuǎn)換器；
[0013]該開關(guān)元件連接于該電機的電源輸入端與該電能熱能轉(zhuǎn)換器之間；
[0014]該尖峰電壓檢測器檢測該電機的電源輸入端的尖峰電壓，當該尖峰電壓超過檢測閾值時，該尖峰電壓檢測器觸發(fā)該開關(guān)元件導(dǎo)通，使得該電能熱能轉(zhuǎn)換器接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓，轉(zhuǎn)換為熱能。
[0015]在該尖峰電壓檢測器與該電機的電源輸入端之間設(shè)置有一高速脈沖緩沖單元，該高速脈沖緩沖單元用于暫存該尖峰電壓。
[0016]該尖峰電壓檢測器為TVS 二極管。該開關(guān)元件為IGBT晶體管。該電能熱能轉(zhuǎn)換器為電阻。一散熱片設(shè)置在該電能熱能轉(zhuǎn)換器上，以用于散熱。
[0017]該吸收裝置連接至變頻器與該電機之間的一連接點，該連接點與該吸收裝置之間的電纜長度小于等于3米，該連接點距離該電機的接線端的距離小于等于8米。
[0018]該裝置還包括溫度檢測裝置，用于檢測該電能熱能轉(zhuǎn)換器的溫度，當溫度超過預(yù)設(shè)閾值時，該溫度檢測裝置觸發(fā)該尖峰電壓檢測器提高該檢測閾值。
[0019]本發(fā)明還公開了一種電機系統(tǒng)，包括:
[0020]變頻器；電機，與該變頻器連接；所述的變頻器尖峰電壓吸收裝置。
[0021]本發(fā)明還公開了一種變頻器尖峰電壓吸收方法，包括:利用尖峰電壓檢測器檢測該電機的電源輸入端的尖峰電壓，如果該尖峰電壓超過檢測閾值，由一電能熱能轉(zhuǎn)換器接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓并將其轉(zhuǎn)換為熱能。
[0022]檢測該電能熱能轉(zhuǎn)換器的溫度，當溫度超過預(yù)設(shè)閾值時，提高該檢測閾值。
[0023]本發(fā)明的變頻器尖峰電壓吸收裝置的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安裝便利，不會產(chǎn)生電壓降，不影響電機的轉(zhuǎn)矩，維持其正常工作。同時，本發(fā)明的變頻器尖峰電壓吸收裝置可有效消除變頻器對電機定子繞組的損傷，大幅吸收尖峰電壓，轉(zhuǎn)換為熱量耗散掉。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1所示為本發(fā)明的電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2所示為本發(fā)明的吸收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3所示為本發(fā)明的又一實施例的吸收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4所示為本發(fā)明的又一實施例的吸收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖5所示為該工作狀態(tài)顯示裝置的顯示原理示意圖；
[0029]圖6所示為本發(fā)明的一種變頻器尖峰電壓吸收方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0030]以下結(jié)合附圖以及實施例介紹本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0031]為了有效的消除變頻器產(chǎn)生的尖峰電壓對電機定子繞組的損傷，本發(fā)明提出一種用于吸收該尖峰電壓的變頻器尖峰電壓吸收器(Surge Voltage Absorber, SVA)。
[0032]如圖1所示為本發(fā)明的電機系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)示意圖。電機系統(tǒng)100包括變頻器10、電機20以及變頻器尖峰電壓吸收裝置30 (以下簡稱吸收裝置)。該吸收裝置30與該電機20并聯(lián)連接。該電機20為交流電機。吸收裝置30檢測電機20電源輸入端的尖峰電壓，當吸收裝置30檢測到該尖峰電壓超過一預(yù)先設(shè)定的檢測閾值時，吸收裝置30自動產(chǎn)生一個很低的阻抗，將尖峰電壓的能量吸收掉，并將電能轉(zhuǎn)換成熱能耗散掉。
[0033]如圖2所示為本發(fā)明的吸收裝置30的結(jié)構(gòu)示意圖。該吸收裝置30包括:尖峰電壓檢測器31、開關(guān)元件32和電能熱能轉(zhuǎn)換器33。該開關(guān)元件32連接于該電機的電源輸入端與該電能熱能轉(zhuǎn)換器33之間。該尖峰電壓檢測器31連接該電機20的電源輸入端。該尖峰電壓檢測器31檢測該電機20的電源輸入端的尖峰電壓，當該尖峰電壓超過該尖峰電壓檢測器31中預(yù)設(shè)的檢測閾值時，該尖峰電壓檢測器31觸發(fā)該開關(guān)元件32導(dǎo)通，使得該電能熱能轉(zhuǎn)換器33接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓，將其轉(zhuǎn)換為熱能。
[0034]具體來說，該尖峰電壓檢測器31可以選用TVS 二極管來實現(xiàn)。開關(guān)元件32可以采用IGBT晶體管來實現(xiàn)。使用電阻作為該電能熱能轉(zhuǎn)換器33。該尖峰電壓檢測器31與該開關(guān)元件32連接。
[0035]當尖峰電壓未超過該TVS 二極管的檢測閾值時，該TVS 二極管保持截止，具有較高的阻抗，沒有電流流過，不會產(chǎn)生壓降，也就不會影響變頻器的正常運作。IGBT晶體管也保持截止，具有很高的阻抗，不會影響電路的正常工作。
[0036]當尖峰電壓超過該TVS 二極管的檢測閾值時，該TVS 二極管導(dǎo)通，則此時流過該TVS 二極管的采樣電阻的電流將大幅增加，則該TVS 二極管的采樣電阻上的電壓也會大幅增加。由于該TVS 二極管與IGBT晶體管連接，該TVS 二極管的輸出端可以與IGBT晶體管的柵極端連接，從而使得IGBT晶體管的柵極端接收到高電壓，觸發(fā)該IGBT晶體管導(dǎo)通。當該IGBT晶體管導(dǎo)通時，其自身阻抗很小。導(dǎo)通的TVS 二極管和IGBT晶體管使得電能流入該電阻，通過電阻發(fā)出熱量，以順利的釋放該尖峰電壓的能量至空間中，實現(xiàn)對尖峰電壓的吸收。
[0037]具體來說，本發(fā)明的變頻器為低壓變頻器，其輸入電壓可選用380V、690V、1080V。以380V為例，當TVS管截止時，選用的TVS管反向泄漏電流為小于5 μ A，計算出阻抗值為380V/5 μ A = 76Μ Ω，阻抗值較大，不會影響變頻器的正常運作。當TVS管導(dǎo)通時，不同電壓規(guī)格的TVS管導(dǎo)通電流不同。本發(fā)明中對TVS管導(dǎo)通狀態(tài)電流進行限流，TVS導(dǎo)通時最大電流小于10 mA。因此，不論在截止和導(dǎo)通時，TVS 二極管對變頻器工作的影響都可以忽略不計。
[0038]在低壓變頻器的輸入電壓分別選用380V、690V、1080V時，該電能熱能轉(zhuǎn)換器33的電阻值可分別選用100Ω、200Ω、300Ω。
[0039]該電能熱能轉(zhuǎn)換器33的該電阻可以選用鋁殼電阻，更進一步的，還可將一散熱片設(shè)置在該電能熱能轉(zhuǎn)換器上，通過該散熱片耗散該電阻所產(chǎn)生的熱量。
[0040]另外，由于吸收裝置30對尖峰電壓的吸收需要依次導(dǎo)通TVS 二極管、IGBT晶體管，故而吸收裝置30的運作需要一定的響應(yīng)時間。而對于上升沿很短的尖峰電壓，其形式為高速脈沖，其周期遠低于吸收裝置30的響應(yīng)時間。為了對上升沿很短的尖峰電壓具有良好的抑制效果，在本發(fā)明的另一實施例中，在尖峰電壓檢測器的前端安裝一個高速脈沖緩沖單元，將高速脈沖的尖峰電壓的能量暫時緩存起來，待吸收裝置30開始工作后，再泄放掉暫存的能量，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，在該尖峰電壓檢測器與該電機的電源輸入端之間設(shè)置有高速脈沖緩沖單元34。
[0041]該高速脈沖緩沖單元34可有由I個5μ F和3個0.0lyF電容組成，用于暫存變頻器驅(qū)動電機的尖峰電壓。
[0042]在該尖峰電壓檢測器31與該電機的電源輸入端之間還可設(shè)置有工作狀態(tài)顯示裝置，以提示用戶當前的吸收裝置30的運行狀態(tài)，后續(xù)詳細說明。
[0043]另外，參閱圖1所示，在安裝該吸收裝置30時，該吸收裝置30連接至變頻器10與該電機20之間的一連接點Α，該連接點A與該吸收裝置30之間的電纜長度AC需小于等于3米，長于3米會影響尖峰電壓吸收的效果，該連接點A距離該電機的接線端B的距離AB需小于等于8米，長于8米會在接線端產(chǎn)生新的尖峰電壓。另外，變頻器與電機之間的驅(qū)動電纜對尖峰電壓也有影響。例如，當變頻器的輸入電壓為380V時，如果變頻器與電機之間的驅(qū)動電纜長度超過30米，該尖峰電壓可能升至1200V以上。
[0044]如圖4所示為本發(fā)明的另一實施例的吸收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045]該吸收裝置30還包括溫度檢測裝置35，用于檢測該電能熱能轉(zhuǎn)換器33的溫度，當溫度超過一預(yù)設(shè)閾值時，該溫度檢測裝置觸發(fā)該尖峰電壓檢測器提高該檢測閾值。
[0046]具體而言，溫度檢測裝置35可緊貼該電能熱能轉(zhuǎn)換器33設(shè)置，以測量該電能熱能轉(zhuǎn)換器33的溫度。以變頻器的輸入電壓為380V為例，尖峰電壓檢測器的檢測閾值預(yù)設(shè)為700V,當吸收裝置30開始運行時，電機端高于700V的尖峰電壓幾乎全部被吸收。
[0047]溫度檢測裝置35隨時監(jiān)控電能熱能轉(zhuǎn)換器33的溫度，如果發(fā)現(xiàn)該溫度高于60°C，溫度檢測裝置35向尖峰電壓檢測器31發(fā)出調(diào)整信號，尖峰電壓檢測器在收到調(diào)整信號后，將檢測閾值提高一個預(yù)定值，例如將檢測閾值自動升至750V，以減少吸收的能量。這一過程也可以通過以下方式實現(xiàn)，尖峰電壓檢測器31包括多個并聯(lián)的檢測閾值不同的TVS 二極管，然而同一時間僅保證一個TVS 二極管連接于電機的電源輸入端以及開關(guān)元件32之間。當尖峰電壓檢測器31收到調(diào)整信號后，斷開檢測閾值為700V的TVS 二極管與電路其他部分的電性連接，轉(zhuǎn)而建立檢測閾值為750V的TVS 二極管與電機的電源輸入端以及開關(guān)元件32的電性連接。提高檢測閾值的其他實現(xiàn)方式也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。當檢測閾值自動升至750V后，電機端高于750V的尖峰電壓幾乎全部被吸收，即，700-750V之間的尖峰電壓不被吸收，減少了吸收的能量。而溫度檢測裝置35仍繼續(xù)監(jiān)控電能熱能轉(zhuǎn)換器33的溫度，如果發(fā)現(xiàn)該溫度高于70°C，溫度檢測裝置35向尖峰電壓檢測器31發(fā)出調(diào)整信號，尖峰電壓檢測器將檢測閾值自動升至800V，此時，電機端高于800V的尖峰電壓幾乎全部被吸收。
[0048]在更為具體的實施例中，本發(fā)明的吸收裝置還設(shè)有工作狀態(tài)顯示裝置，如圖5所示為該工作狀態(tài)顯示裝置的顯示原理示意圖。
[0049]該工作狀態(tài)顯示裝置包括加電工作燈、尖峰吸收燈、殼體高溫燈和滿載運行燈。吸收裝置30還具有金屬殼體，該工作狀態(tài)顯示裝置就設(shè)置在金屬殼體的面板上。
[0050]溫度檢測裝置35可以是溫度傳感器，特別是為了分別檢測60°C和70°C，可利用分壓器，分別連接兩個溫度傳感器，以分別檢測60°C和70°C。
[0051]當吸收裝置30通電開始工作時，加電工作燈點亮，以提示用戶吸收裝置已經(jīng)開始工作。當尖峰電壓檢測器檢測到該電機的電源輸入端存在尖峰電壓(700V)，并通過電阻吸收掉其能量時，尖峰吸收燈點亮，以提示用戶吸收裝置正常運作，已經(jīng)吸收掉部分尖峰電壓。溫度傳感器檢測到電能熱能轉(zhuǎn)換器的溫度已經(jīng)達到60°C時，殼體高溫燈點亮，以提示用戶吸收裝置30已將大量尖峰電壓轉(zhuǎn)換成熱能，殼體的溫度較高，避免接觸殼體以免造成灼傷，同時提示用戶該檢測閾值已升至750V。溫度傳感器檢測到電能熱能轉(zhuǎn)換器的溫度已經(jīng)達到70°C時，滿載運行燈點亮，以提示用戶吸收裝置30的能量吸收能力已經(jīng)全部發(fā)揮，該檢測閾值已升至800V，最好降低變頻器的載波頻率，或者改善尖峰電壓吸收器的散熱條件。
[0052]如此，用戶可根據(jù)吸收裝置30的工作狀態(tài)顯示裝置，了解吸收裝置30的當前狀態(tài)，以采取對應(yīng)的調(diào)整或安全防護。
[0053]如圖6所示為依據(jù)以上實施例，本發(fā)明所公開的一種變頻器尖峰電壓吸收方法的流程圖。
[0054]步驟1，利用尖峰電壓檢測器檢測該電機的電源輸入端的尖峰電壓；
[0055]步驟2，判斷是否超過檢測閾值，如果否，執(zhí)行步驟1，如果是，執(zhí)行步驟3 ；
[0056]步驟3，由一電能熱能轉(zhuǎn)換器接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓并將其轉(zhuǎn)換為熱能。
[0057]該方法還包括:隨時檢測該電能熱能轉(zhuǎn)換器的溫度，當溫度超過預(yù)設(shè)閾值時，提高該檢測閾值。
[0058]本發(fā)明的變頻器尖峰電壓吸收裝置的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安裝便利，不會產(chǎn)生電壓降，不影響電機的轉(zhuǎn)矩，維持其正常工作。同時，本發(fā)明的變頻器尖峰電壓吸收裝置可有效消除變頻器對電機定子繞組的損傷，大幅吸收尖峰電壓，轉(zhuǎn)換為熱量耗散掉。
【權(quán)利要求】
1.一種變頻器尖峰電壓吸收裝置，變頻器與電機連接，其特征在于，該吸收裝置與該電機并聯(lián)連接，該吸收裝置包括: 尖峰電壓檢測器、開關(guān)元件和電能熱能轉(zhuǎn)換器； 該開關(guān)元件連接于該電機的電源輸入端與該電能熱能轉(zhuǎn)換器之間； 該尖峰電壓檢測器檢測該電機的電源輸入端的尖峰電壓，當該尖峰電壓超過檢測閾值時，該尖峰電壓檢測器觸發(fā)該開關(guān)元件導(dǎo)通，使得該電能熱能轉(zhuǎn)換器接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓，轉(zhuǎn)換為熱能。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在該尖峰電壓檢測器與該電機的電源輸入端之間設(shè)置有一高速脈沖緩沖單元，該高速脈沖緩沖單元用于暫存該尖峰電壓。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該尖峰電壓檢測器為TVS二極管。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該開關(guān)元件為IGBT晶體管。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該電能熱能轉(zhuǎn)換器為電阻。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，一散熱片設(shè)置在該電能熱能轉(zhuǎn)換器上，以用于散熱。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該吸收裝置連接至變頻器與該電機之間的一連接點，該連接點與該吸收裝置之間的電纜長度小于等于3米，該連接點距離該電機的接線端的距離小于等于8米。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括溫度檢測裝置，用于檢測該電能熱能轉(zhuǎn)換器的溫度，當溫度超過預(yù)設(shè)閾值時，該溫度檢測裝置觸發(fā)該尖峰電壓檢測器提高該檢測閾值。
9.一種電機系統(tǒng),其特征在于,包括: 變頻器； 電機，與該變頻器連接； 如權(quán)利要求1-8中任一所述的變頻器尖峰電壓吸收裝置。
10.一種變頻器尖峰電壓吸收方法，其特征在于，包括: 利用尖峰電壓檢測器檢測該電機的電源輸入端的尖峰電壓，如果該尖峰電壓超過檢測閾值，由一電能熱能轉(zhuǎn)換器接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓并將其轉(zhuǎn)換為熱能。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括: 檢測該電能熱能轉(zhuǎn)換器的溫度，當溫度超過預(yù)設(shè)閾值時，提高該檢測閾值。
【文檔編號】H02M1/12GK104467384SQ201310425015
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】楊繼深, 沈志達 申請人:北京計算機技術(shù)及應(yīng)用研究所, 北京航天愛威電子技術(shù)有限公司