一種變頻器尖峰電壓吸收裝置、方法及系統的製作方法
2023-06-29 04:40:26 2
一種變頻器尖峰電壓吸收裝置、方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種變頻器尖峰電壓吸收裝置、方法及系統。該吸收裝置與該電機並聯連接，該吸收裝置包括：尖峰電壓檢測器、開關元件和電能熱能轉換器；該開關元件連接於該電機的電源輸入端與該電能熱能轉換器之間；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該開關元件導通，使得該電能熱能轉換器接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓，轉換為熱能。本發明結構簡單、成本低、安裝便利，不會產生電壓降，不影響電機的轉矩，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
【技術領域】
[0001]本發明涉及電機保護領域，特別是涉及一種變頻器尖峰電壓吸收裝置、方法及系統。
【背景技術】
[0002]在現有技術中，很多場合需要對交流電機的轉速進行調整。特別是近年來，對節能降耗的要求不斷提高，用變頻器控制風機、水泵、空壓機等設備的情形十分普遍。
[0003]但是，由於變頻器驅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脈衝電壓在電機端發生反射，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濾波器的作用類似於正弦波濾波器，但它不是把PWM電壓波形完全整形成正弦波，而是延長脈衝的上升沿，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較大，成本較高。而正弦波濾波器由於存在較大的電壓降，還會影響電機的轉矩。
【發明內容】
[0010]本發明公開了一種變頻器尖峰電壓吸收裝置、方法及系統，用於吸收尖峰電壓，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並聯連接，該吸收裝置包括:
[0012]尖峰電壓檢測器、開關元件和電能熱能轉換器；
[0013]該開關元件連接於該電機的電源輸入端與該電能熱能轉換器之間；
[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該開關元件導通，使得該電能熱能轉換器接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓，轉換為熱能。
[0015]在該尖峰電壓檢測器與該電機的電源輸入端之間設置有一高速脈衝緩衝單元，該高速脈衝緩衝單元用於暫存該尖峰電壓。
[0016]該尖峰電壓檢測器為TVS 二極體。該開關元件為IGBT電晶體。該電能熱能轉換器為電阻。一散熱片設置在該電能熱能轉換器上，以用於散熱。
[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於等於3米，該連接點距離該電機的接線端的距離小於等於8米。
[0018]該裝置還包括溫度檢測裝置，用於檢測該電能熱能轉換器的溫度，當溫度超過預設閾值時，該溫度檢測裝置觸發該尖峰電壓檢測器提高該檢測閾值。
[0019]本發明還公開了一種電機系統，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，由一電能熱能轉換器接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓並將其轉換為熱能。
[0022]檢測該電能熱能轉換器的溫度，當溫度超過預設閾值時，提高該檢測閾值。
[0023]本發明的變頻器尖峰電壓吸收裝置的結構簡單、成本低、安裝便利，不會產生電壓降，不影響電機的轉矩，維持其正常工作。同時，本發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，轉換為熱量耗散掉。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1所示為本發明的電機系統的結構示意圖；
[0025]圖2所示為本發明的吸收裝置的結構示意圖；
[0026]圖3所示為本發明的又一實施例的吸收裝置的結構示意圖；
[0027]圖4所示為本發明的又一實施例的吸收裝置的結構示意圖；
[0028]圖5所示為該工作狀態顯示裝置的顯示原理示意圖；
[0029]圖6所示為本發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]以下結合附圖以及實施例介紹本發明的【具體實施方式】。
[0031]為了有效的消除變頻器產生的尖峰電壓對電機定子繞組的損傷，本發明提出一種用於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所示為本發明的電機系統100的結構示意圖。電機系統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並聯連接。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先設定的檢測閾值時，吸收裝置30自動產生一個很低的阻抗，將尖峰電壓的能量吸收掉，並將電能轉換成熱能耗散掉。
[0033]如圖2所示為本發明的吸收裝置30的結構示意圖。該吸收裝置30包括:尖峰電壓檢測器31、開關元件32和電能熱能轉換器33。該開關元件32連接於該電機的電源輸入端與該電能熱能轉換器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中預設的檢測閾值時，該尖峰電壓檢測器31觸發該開關元件32導通，使得該電能熱能轉換器33接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓，將其轉換為熱能。
[0034]具體來說，該尖峰電壓檢測器31可以選用TVS 二極體來實現。開關元件32可以採用IGBT電晶體來實現。使用電阻作為該電能熱能轉換器33。該尖峰電壓檢測器31與該開關元件32連接。
[0035]當尖峰電壓未超過該TVS 二極體的檢測閾值時，該TVS 二極體保持截止，具有較高的阻抗，沒有電流流過，不會產生壓降，也就不會影響變頻器的正常運作。IGBT電晶體也保持截止，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 二極體的檢測閾值時，該TVS 二極體導通，則此時流過該TVS 二極體的採樣電阻的電流將大幅增加，則該TVS 二極體的採樣電阻上的電壓也會大幅增加。由於該TVS 二極體與IGBT電晶體連接，該TVS 二極體的輸出端可以與IGBT電晶體的柵極端連接，從而使得IGBT電晶體的柵極端接收到高電壓，觸發該IGBT電晶體導通。當該IGBT電晶體導通時，其自身阻抗很小。導通的TVS 二極體和IGBT電晶體使得電能流入該電阻，通過電阻發出熱量，以順利的釋放該尖峰電壓的能量至空間中，實現對尖峰電壓的吸收。
[0037]具體來說，本發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管反向洩漏電流為小於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管導通時，不同電壓規格的TVS管導通電流不同。本發明中對TVS管導通狀態電流進行限流，TVS導通時最大電流小於10 mA。因此，不論在截止和導通時，TVS 二極體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，該電能熱能轉換器33的電阻值可分別選用100Ω、200Ω、300Ω。
[0039]該電能熱能轉換器33的該電阻可以選用鋁殼電阻，更進一步的，還可將一散熱片設置在該電能熱能轉換器上，通過該散熱片耗散該電阻所產生的熱量。
[0040]另外，由於吸收裝置30對尖峰電壓的吸收需要依次導通TVS 二極體、IGBT電晶體，故而吸收裝置30的運作需要一定的響應時間。而對於上升沿很短的尖峰電壓，其形式為高速脈衝，其周期遠低於吸收裝置30的響應時間。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衝緩衝單元，將高速脈衝的尖峰電壓的能量暫時緩存起來，待吸收裝置30開始工作後，再洩放掉暫存的能量，其結構示意圖如圖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置有高速脈衝緩衝單元34。
[0041]該高速脈衝緩衝單元34可有由I個5μ F和3個0.0lyF電容組成，用於暫存變頻器驅動電機的尖峰電壓。
[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置有工作狀態顯示裝置，以提示用戶當前的吸收裝置30的運行狀態，後續詳細說明。
[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需小於等於3米，長於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需小於等於8米，長於8米會在接線端產生新的尖峰電壓。另外，變頻器與電機之間的驅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所示為本發明的另一實施例的吸收裝置的結構示意圖。
[0045]該吸收裝置30還包括溫度檢測裝置35，用於檢測該電能熱能轉換器33的溫度，當溫度超過一預設閾值時，該溫度檢測裝置觸發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換器33設置，以測量該電能熱能轉換器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設為700V,當吸收裝置30開始運行時，電機端高於700V的尖峰電壓幾乎全部被吸收。
[0047]溫度檢測裝置35隨時監控電能熱能轉換器33的溫度，如果發現該溫度高於60°C，溫度檢測裝置35向尖峰電壓檢測器31發出調整信號，尖峰電壓檢測器在收到調整信號後，將檢測閾值提高一個預定值，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，尖峰電壓檢測器31包括多個並聯的檢測閾值不同的TVS 二極體，然而同一時間僅保證一個TVS 二極體連接於電機的電源輸入端以及開關元件32之間。當尖峰電壓檢測器31收到調整信號後，斷開檢測閾值為700V的TVS 二極體與電路其他部分的電性連接，轉而建立檢測閾值為750V的TVS 二極體與電機的電源輸入端以及開關元件32的電性連接。提高檢測閾值的其他實現方式也在本發明的範圍內。當檢測閾值自動升至750V後，電機端高於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仍繼續監控電能熱能轉換器33的溫度，如果發現該溫度高於70°C，溫度檢測裝置35向尖峰電壓檢測器31發出調整信號，尖峰電壓檢測器將檢測閾值自動升至800V，此時，電機端高於800V的尖峰電壓幾乎全部被吸收。
[0048]在更為具體的實施例中，本發明的吸收裝置還設有工作狀態顯示裝置，如圖5所示為該工作狀態顯示裝置的顯示原理示意圖。
[0049]該工作狀態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，該工作狀態顯示裝置就設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)，並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，已經吸收掉部分尖峰電壓。溫度傳感器檢測到電能熱能轉換器的溫度已經達到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換器的溫度已經達到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全部發揮，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，用戶可根據吸收裝置30的工作狀態顯示裝置，了解吸收裝置30的當前狀態，以採取對應的調整或安全防護。
[0053]如圖6所示為依據以上實施例，本發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，執行步驟1，如果是，執行步驟3 ；
[0056]步驟3，由一電能熱能轉換器接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓並將其轉換為熱能。
[0057]該方法還包括:隨時檢測該電能熱能轉換器的溫度，當溫度超過預設閾值時，提高該檢測閾值。
[0058]本發明的變頻器尖峰電壓吸收裝置的結構簡單、成本低、安裝便利，不會產生電壓降，不影響電機的轉矩，維持其正常工作。同時，本發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，轉換為熱量耗散掉。
【權利要求】
1.一種變頻器尖峰電壓吸收裝置，變頻器與電機連接，其特徵在於，該吸收裝置與該電機並聯連接，該吸收裝置包括: 尖峰電壓檢測器、開關元件和電能熱能轉換器； 該開關元件連接於該電機的電源輸入端與該電能熱能轉換器之間； 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該開關元件導通，使得該電能熱能轉換器接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓，轉換為熱能。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，在該尖峰電壓檢測器與該電機的電源輸入端之間設置有一高速脈衝緩衝單元，該高速脈衝緩衝單元用於暫存該尖峰電壓。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，該尖峰電壓檢測器為TVS二極體。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，該開關元件為IGBT電晶體。
5.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，該電能熱能轉換器為電阻。
6.如權利要求5所述的裝置，其特徵在於，一散熱片設置在該電能熱能轉換器上，以用於散熱。
7.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，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於等於3米，該連接點距離該電機的接線端的距離小於等於8米。
8.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，該裝置還包括溫度檢測裝置，用於檢測該電能熱能轉換器的溫度，當溫度超過預設閾值時，該溫度檢測裝置觸發該尖峰電壓檢測器提高該檢測閾值。
9.一種電機系統,其特徵在於,包括: 變頻器； 電機，與該變頻器連接； 如權利要求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，其特徵在於，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，由一電能熱能轉換器接收該電機的電源輸入端的尖峰電壓並將其轉換為熱能。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，還包括: 檢測該電能熱能轉換器的溫度，當溫度超過預設閾值時，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 優先權日:2013年9月17日
【發明者】楊繼深, 沈志達 申請人:北京計算機技術及應用研究所, 北京航天愛威電子技術有限公司