本實(shí)用新型屬于電機(jī)的變頻調(diào)速和軟起動(dòng)領(lǐng)域，特別涉及一種帶逆流電阻的無大電解電容通用型變頻器。

背景技術(shù)：

交直交變頻器是針對(duì)交流電機(jī)的一種有效的調(diào)速裝置和技術(shù)。目前已經(jīng)成為電氣傳動(dòng)中最主要的調(diào)速方法。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)關(guān)系式:n＝60f/p，式中n、f、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與交流輸入工作電源頻率成正比的關(guān)系，只要通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率就可以達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

變頻器通常包含整流和逆變兩部分，對(duì)于電壓型變頻器三相交流電經(jīng)過整流后所得的直流電壓含有脈動(dòng)成分，通常使用電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)過逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動(dòng)機(jī)供電。

但上述變頻器有如下缺點(diǎn)：其一，由于大電解電容體積大，這就增加了電路的體積；其二，大容量的高壓電解電容價(jià)格高，增加了成本；其三，當(dāng)三相逆變橋的上下橋臂交替導(dǎo)通，負(fù)載中的電感性能量向電解電容進(jìn)行反復(fù)充放電，造成電容的損耗并使變頻器的壽命減小。所謂大電容是指由于現(xiàn)有變頻器的工作原理，電容的作用是濾波，電機(jī)功率越大，其容量越大，通常的配置是大約1KW功率配置1000微法的電容，因此數(shù)千微法的電容配置是變頻器的基本選項(xiàng)。

因此，如果在交流調(diào)速變頻器中取消該電解電容，會(huì)大大地提高變頻器的性能和可靠性，降低成本，并具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有變頻器存在的問題，本實(shí)用新型提供了一種帶逆流電阻的通用型變頻器。本實(shí)用新型是一種新的變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解決了上述變頻器存在的必須采用大電解電容的諸多問題，從而可提高變頻器的性能和可靠性，降低成本；其次，新的變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)變頻器在電機(jī)啟動(dòng)完成后自行退出的功能，解決原有變頻器存在難以旁路切換到工頻的問題，使得新的變頻器一機(jī)多用，大大拓寬變頻器的應(yīng)用范圍。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

一種帶逆流電阻的無大電解電容通用型變頻器，包括三相整流橋、電容C₁、電容C₂、電阻R、續(xù)流二極管D和三相逆變橋；三相整流橋的出線端與三相逆變橋的進(jìn)線端通過直流母線連接，直流母線正極通過并聯(lián)有續(xù)流二極管D和電阻R的電路相連，電容C₁和電容C₂一端均連接直流母線負(fù)極，另一端分別連接在電阻R和二極管D的兩端；三相整流橋的進(jìn)線端、三相逆變橋的出線端分別與電網(wǎng)和電機(jī)連接形成主回路；電網(wǎng)的出線端和電機(jī)的進(jìn)線端之間通過旁路連接；三相整流橋的進(jìn)線端上、三相逆變橋的出線端上、電網(wǎng)和電機(jī)之間旁路上都串聯(lián)有接觸器開關(guān)。

所述的電容C₁和電容C₂均為非電解電容。

所述的電容C₁和電容C₂的容值不大于1000uF。

電網(wǎng)的A、B、C三相分別通過接觸器開關(guān)SA、SB、SC與三相整流橋的三個(gè)進(jìn)線端連接，電網(wǎng)的A、B、C三相分別通過接觸器開關(guān)S1、S2、S3與電機(jī)的U、V、W三相連接，三相逆變橋的三個(gè)出線端分別通過接觸器開關(guān)SU、SV、SW與電機(jī)的U、V、W三相連接。

所述的三相整流橋由六個(gè)二極管構(gòu)成。

三相逆變橋由六個(gè)并聯(lián)二極管的IGBT管件構(gòu)成，其中IGBT管V1與V4、IGBT管V3與V6、IGBT管V5與V2分別構(gòu)成三組上下橋臂。

還包括微控制器，所述的微控制器采集電網(wǎng)輸出端、三相逆變橋輸出端的電壓參數(shù)及控制三相逆變橋的通斷。

微控制器通過兩個(gè)電壓相位檢測(cè)模塊分別連接電網(wǎng)的輸出端、三相逆變橋輸出端。

所述的微控制器通過驅(qū)動(dòng)電路控制所有的接觸器開關(guān)。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有如下技術(shù)效果：

本次實(shí)用新型針對(duì)傳統(tǒng)變頻器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，用體積小、價(jià)格便宜的小電容取代傳統(tǒng)變頻器中的體積大、價(jià)格相對(duì)昂貴的大電解電容，并且在電容與逆變器之間的直流母線上串接與二極管D并聯(lián)的電阻R。當(dāng)三相逆變橋工作時(shí)，由于電機(jī)的電感負(fù)載特性會(huì)有續(xù)流電流回饋，大部分的能量被小電容吸收，另一部分通過電阻消耗，限制直流母線上的泵升電壓同時(shí)加快漏電感電流的衰減。使用小電容C₁和C₂可以提高變頻器的性能和可靠性，降低成本；由于直流母線上的電容C₁和C₂值大幅度減小，其作用僅作為吸收瞬時(shí)能量且作用時(shí)間很短，因而這種結(jié)構(gòu)使直流母線上保留了來自電網(wǎng)的6波頭脈動(dòng)電壓，在適當(dāng)?shù)目刂坪烷_關(guān)配合下可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)與電網(wǎng)的旁路功能。這種變頻器的結(jié)構(gòu)上保持了傳統(tǒng)變頻器整流和逆變兩部分，已有的整流、逆變和變頻原理仍然適用，不僅減少了成本還減小了系統(tǒng)的體積，又使得變頻器可以旁路工作，在不需要變頻調(diào)速的場所將變頻器旁路退出，達(dá)到一機(jī)多用的效果，這將使得變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大。

進(jìn)一步，小電容C₁和C₂根據(jù)電機(jī)功率大小通常不大于數(shù)百微法，合理選擇C₁和C₂及電阻R可以使母線上產(chǎn)生的泵升電壓限制在允許范圍，同時(shí)漏電感的衰減又能達(dá)到最快(其持續(xù)時(shí)間控制在零點(diǎn)幾毫秒或更小)。經(jīng)過三相整流橋后的直流電壓在送往三相逆變橋時(shí)不需要經(jīng)過電阻，而是通過二極管流向三相逆變器，避免此部分的能量消耗在電阻上。

進(jìn)一步，通過微控制器進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)了電氣切換的自動(dòng)化。

【附圖說明】

圖1為傳統(tǒng)變頻器結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本實(shí)用新型一種帶逆流電阻的通用型變頻器結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。

圖3a為電網(wǎng)三相相電壓波形圖，圖3b為電網(wǎng)三相線電壓波形圖，圖3c為電網(wǎng)電壓經(jīng)整流橋整流后有大電解電容和無大電解電容的對(duì)比波形圖，其中Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb為無大電解電容直流母線上的脈動(dòng)電壓，Luc為大電解電容時(shí)直流母上的電壓波形。

【具體實(shí)施方式】

為了使本實(shí)用新型的工作原理、技術(shù)方案更加清楚直觀，下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)敘述。

如圖所示，為傳統(tǒng)通用型變頻器工作原理：變頻器結(jié)構(gòu)具體為，三相電網(wǎng)電壓經(jīng)過由二極管組成三相不可控整流橋成直流電，并在直流母線上的大電解電容C的作用下濾波穩(wěn)壓，濾波穩(wěn)壓后的直流電經(jīng)逆變橋成頻率和電壓均可調(diào)的交流電供電機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)，三相逆變橋由六個(gè)并聯(lián)續(xù)流二極管的功率開關(guān)器件IGBT組成六個(gè)橋臂，其中功率開關(guān)器件V1和V4組成上下橋臂，功率開關(guān)器件V3和V6組成上下橋臂，功率開關(guān)器件V5和V2組成上下橋臂。

圖2中，為本實(shí)用新型的一種帶逆流電阻的通用型變頻器結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，在傳統(tǒng)變頻器的基礎(chǔ)上，保持傳統(tǒng)變頻器的整流橋和逆變橋不變，取消傳統(tǒng)變頻器的大電解電容。三相整流橋的出線端與三相逆變橋的進(jìn)線端通過直流母線連接，直流母線的正極通過續(xù)流二極管D和與之并聯(lián)的電阻R與逆變橋連接，在電阻R的兩端并聯(lián)有小電容C₁和C₂到直流母線的負(fù)極。

具體的，本實(shí)用新型的一種帶逆流電阻無大電解電容的通用型變頻器，包括三相整流橋、小電容C₁和C₂(根據(jù)電機(jī)功率大小通常不大于數(shù)百微法)、電阻R、二極管D、三相逆變橋和微控制器組成。三相整流橋的出線端與三相逆變橋的進(jìn)線端通過直流母線連接，直流母線的負(fù)極直接連通，正極通過續(xù)流二極管D和與之并聯(lián)的電阻R與逆變橋連通，在二極管D的兩端聯(lián)有小電容C₁和C₂到負(fù)極。電容的值根據(jù)電機(jī)功率不同在數(shù)十至數(shù)百微法，并且采用無極性的非電解電容。三相整流橋的進(jìn)線端、三相逆變橋的出線端分別與電網(wǎng)和電機(jī)連接形成主回路。三相整流橋的進(jìn)線端與電網(wǎng)、三相逆變橋的出線端與電機(jī)及電網(wǎng)與電機(jī)之間都串有接觸器開關(guān)，控制器與電網(wǎng)輸出端、逆變橋輸出端的電壓電流相位檢測(cè)模塊連接，且控制器控制所有的接觸器開關(guān)的開通與關(guān)斷。

電網(wǎng)的三相電A、B、C與三相整流橋的進(jìn)線端通過接觸器開關(guān)SA、SB、SC連接，三相逆變橋的出線端通過接觸器開關(guān)SU、SV、SW與電機(jī)U、V、W三相連接，電網(wǎng)的三相電A、B、C通過接觸器開關(guān)S1、S2、S3和電機(jī)U、V、W三相連接。

當(dāng)僅用作變頻調(diào)速時(shí)，接觸器S1、S2、S3斷開，接觸器SA、SB、SC和SU、SV、SW閉合，上述電路成為通常的變頻器。

當(dāng)需要用作變頻軟啟動(dòng)時(shí)，首先用上述電路使系統(tǒng)工作在變頻調(diào)速狀態(tài)，直至速度達(dá)到約工頻附近，然后通過控制主開關(guān)的狀態(tài)使之工作在方波變頻區(qū)域，同時(shí)檢測(cè)電源和開關(guān)的狀態(tài)，在適當(dāng)時(shí)刻以及通過適當(dāng)?shù)目刂瞥绦蚴菇佑|器S1、S2、S3閉合，接觸器SA、SB、SC和SU、SV、SW斷開實(shí)現(xiàn)工頻旁路。

一種帶逆流電阻的無大電解電容的通用型變頻器的控制方法，包括以下步驟：

三相整流橋進(jìn)線端的接觸器開關(guān)SA、SB、SC及三相逆變橋的出線端SU、SV、SW閉合，電網(wǎng)和電機(jī)之間的接觸器開關(guān)S1、S2、S3斷開，電網(wǎng)電壓經(jīng)過三相整流橋?qū)⒔涣麟妷鹤儞Q為直流電壓，三相逆變橋再將直流母線的電壓變換為幅值、頻率、相位可調(diào)的交流電壓給電機(jī)供電；微控制器控制逆變器IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，對(duì)電機(jī)進(jìn)行連續(xù)變頻控制。

逆變器IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷的過程中，由于電機(jī)具有電感性負(fù)載特性，會(huì)有部分能量流向直流母線。傳統(tǒng)的變頻器這部分能量是通過大電容吸收的，所以電機(jī)功率越大電容就會(huì)越大。

本實(shí)用新型的特征是，通過在直流母線上設(shè)置電阻R來消耗這部分能量，加快電機(jī)漏電感儲(chǔ)存的電能的消耗。由異步電機(jī)的工作原理，轉(zhuǎn)子回路一直是短路的，因此，設(shè)置電阻消耗的能量僅僅為電機(jī)漏電感的瞬時(shí)能量，所以合理選擇C₁和C₂及電阻R可以使母線上產(chǎn)生的泵升電壓限制在允許范圍，同時(shí)漏電感的衰減又能達(dá)到最快(其持續(xù)時(shí)間控制在零點(diǎn)幾毫秒或更小)。經(jīng)過三相整流橋后的直流電壓在送往三相逆變橋時(shí)不需要經(jīng)過電阻，而是通過二極管流向三相逆變器，避免此部分的能量消耗在電阻上。

該電路還可以用于做電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器使用，此時(shí)微控制器通過電壓相位檢測(cè)模塊檢測(cè)電網(wǎng)電壓和三相逆變器輸出的電壓，當(dāng)電網(wǎng)的電壓、頻率、相位和逆變器輸出的電壓、頻率、相位一致時(shí)，微控制器按照一定的順序和規(guī)則，斷開三相整流橋進(jìn)線端的接觸器開關(guān)SA、SB、SC及三相逆變橋的出線端SU、SV、SW，而接觸器開關(guān)S1、S2、S3閉合，使電網(wǎng)直接給電機(jī)供電，變頻器可達(dá)到旁路功能。

下面結(jié)合具體的波形圖對(duì)本實(shí)用新型的工作原理進(jìn)行分析：

圖3a、圖3b所示為工頻電網(wǎng)電壓，圖3a是電網(wǎng)三相相電壓波形圖，圖3b為電網(wǎng)三相線電壓波形圖，電網(wǎng)電壓先通過三相橋式不可控整流電路轉(zhuǎn)換為直流電，由于直流母線上沒有并大電解電容，此時(shí)的直流電中含有與電網(wǎng)三相線電壓一致的6波頭脈動(dòng)電壓，如圖3c，含有脈動(dòng)的直流電壓經(jīng)過二極管D送往逆變橋，再用逆變橋?qū)⒅绷麟妷鹤儞Q為頻率與電壓均可調(diào)的交流電給電機(jī)供電。

在對(duì)電機(jī)進(jìn)行變壓變頻調(diào)速時(shí)，需要控制逆變器的上下橋臂交替導(dǎo)通，在任意某一時(shí)刻，有三個(gè)橋臂導(dǎo)通，上橋臂一個(gè)IGBT導(dǎo)通，下橋臂兩個(gè)IGBT導(dǎo)通，或者上橋臂有兩個(gè)IGBT導(dǎo)通，下橋臂有一個(gè)IGBT導(dǎo)通。由于電機(jī)是感性負(fù)載，在IGBT導(dǎo)通切換時(shí)會(huì)有續(xù)流電流產(chǎn)生，如三相逆變橋的上橋臂的V1、V3開通V5關(guān)斷，下橋臂的V4、V6關(guān)斷V2開通，切換為上橋臂的V1、V3關(guān)斷V5開通，下橋臂的V4、V6開通V2關(guān)斷，會(huì)向直流側(cè)產(chǎn)生續(xù)流電流，此時(shí)直流母線上的電阻會(huì)吸收這部分能量，經(jīng)過三相整流橋得到的直流電壓在送往三相逆變橋時(shí)不需要經(jīng)過電阻，而是通過二極管流向三相逆變器。避免此部分的能量消耗在電阻上。

作為變頻軟啟動(dòng)器工作：在圖2中，電網(wǎng)電壓的輸出端與三相整流橋之間接有接觸器開關(guān)SA、SB、SC，逆變器的輸出端和和負(fù)載電機(jī)之間接有接觸器開關(guān)SU、SV、SW，電網(wǎng)電壓和負(fù)載電機(jī)之間接有接觸器開關(guān)S1、S2、S3；各接觸器通過微控制器控制開通與關(guān)斷；電網(wǎng)電壓輸出端和逆變器輸出端都接有電壓相位檢測(cè)模塊，電壓相位檢測(cè)模塊和微控制器連接，微控制器控制逆變橋中IGBT的開通與關(guān)斷；由于經(jīng)過整流后的電壓在直流母線側(cè)保留了直接來自電網(wǎng)與三相線電壓一致的脈動(dòng)電壓，在電機(jī)完成調(diào)頻調(diào)壓啟動(dòng)后，通過相位調(diào)節(jié)使逆變橋輸出電壓與電網(wǎng)電壓相位一致，微控制器始終檢測(cè)電網(wǎng)電壓、逆變器輸出電壓的頻率和相位，當(dāng)微控制器檢測(cè)電網(wǎng)電壓和逆變器輸出的電壓頻率、相位不一致時(shí)，接觸器開關(guān)S1、S2、S3保持?jǐn)嚅_，而接觸器開關(guān)SA、SB、SC和接觸器開關(guān)SU、SV、SW保持閉合，電網(wǎng)電壓通過變頻器啟動(dòng)電機(jī)，此時(shí)微控制器可根據(jù)脈動(dòng)電壓通過算法控制IGBT的開通與關(guān)斷，使逆變器輸出的電壓、頻率和電網(wǎng)電壓、頻率保持一致，當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)微控制器檢測(cè)電網(wǎng)電壓和逆變器輸出的電壓頻率、相位一致時(shí)，微控制器控制接觸器開關(guān)S1、S2、S3保持閉合，再斷開接觸器開關(guān)SA、SB、SC和接觸器開關(guān)SU、SV、SW，使電機(jī)直接接到電網(wǎng)中，此時(shí)變頻器可退出，完成旁路功能。