尖峰過電壓消除裝置的製作方法

2023-06-18 13:53:01 1

專利名稱：尖峰過電壓消除裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種消除由PWM引起的過電壓裝置，尤其是一種尖峰過電壓消除裝置。
背景技術：
由於顯著的節能效果和優異的調速特性，變頻器被廣泛應用在交流電動機驅動 上。但實際使用中發現，普通電動機由變頻器驅動時，電動機壽命大幅度縮短，表現為繞組 的絕緣損壞和軸承損壞。理論和實驗研究表明，造成這種現象的主要原因是變頻器採用PWM 電壓驅動電動機。當電動機中驅動電纜超過一定長度且電壓波形含有斷續且高的電壓變化 率du/dt值時，電壓波形畸變率很高，變壓器升壓輸出後，其輸出電壓波形上疊加尖峰過電 壓。進一步研究表明，PWM電壓在電動機的輸入端產生尖峰過電壓的幅度會達到變頻器額定 工作電壓的3 4倍以上，這種尖峰過電壓每秒對電動機定子衝擊上千次(具體數量取決 於變頻器的載波頻率)，很快就會導致定子絕緣損壞，使電動機壽命大幅度縮短，繞組損壞。 另外，PWM尖峰過電壓中還含有豐富的高頻諧波電壓成份，這些高頻電壓進入電動機的定子 繞組後，會通過電動機軸承的雜散電容形成通路，形成軸承電流。軸承中長時間流過軸承電 流會造成軸承壽命縮短，具體表現為軸承表面凹凸不平，旋轉摩擦力增大，導致電動機發熱 甚至軸承燒毀。由此可見，變頻器電動機系統的尖峰過電壓對電動機的危害為(1)尖峰過電壓引起電動機發熱，導致電動機溫升增加，還會引起電動機轉矩脈動 和噪音增加；(2)尖峰過電壓使電動機絕緣反覆承受電應力，損壞絕緣；(3)尖峰過電壓的高頻電壓分量通過繞組和轉子間的分布電容，經過軸承到機殼， 再到地，形成軸承電流，降低電動機軸承的壽命；(4)行波反射引起電動機端電壓疊加，使電動機絕緣破壞，甚至可能引起電纜爆 m農。針對變頻器電動機系統尖峰過電壓問題，現有技術的一種解決方案是在變頻器的 輸出端安裝電壓變化率濾波器，其機理是通過降低電壓變化率以減小長驅動電纜在電動機 端導致的過衝電壓。通常，電壓變化率濾波器安裝在變頻器的輸出端，以延長電動機壽命， 減小電磁幹擾。現有技術的另一種解決方案是採用正弦波濾波器，將變頻器輸出的PWM電 壓波形轉換為準正弦波電壓波形，以達到消除過衝電壓和電磁幹擾的目的。實際應用表明，雖然現有技術的解決方案能夠對電動機提供有效的保護，但存在 功耗大、體積大、重量大、價格高等缺陷，尤其對於大功率電動機，這些問題更加突出。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種尖峰過電壓消除裝置，在有效消除尖峰過電 壓的同時，具有功耗低、體積小、重量輕、成本低等優點。
為解決上述技術問題，本發明提供了一種尖峰過電壓消除裝置，包括存儲器，用於暫存系統電源的尖峰過電壓能量；充電器，與所述存儲器連接，用於將系統電源的尖峰過電壓能量暫存入存儲器；放電器，與所述存儲器連接，用於將暫存在所述存儲器內的尖峰過電壓能量釋 放；控制器，分別與所述充電器和放電器連接，用於在系統電源處於一個半周時控制 所述充電器將尖峰過電壓能量暫存入存儲器，在系統電源處於後一個半周時控制所述放電 器將暫存在存儲器內的尖峰過電壓能量釋放。進一步地，所述充電器包括第一測量單元，與系統電源連接，用於獲得系統電源測量電壓；第一基準單元，用於提供基準電壓；第一比較單元，分別與所述第一測量單元和第一基準單元連接，用於根據所述系 統電源測量電壓和基準電壓的比較結果發送充電控制信號；第一開關單元，分別與所述第一比較單元、控制器和存儲器連接，用於根據充電控 制信號和控制器的指令將系統電源的尖峰過電壓暫存入存儲器。進一步地，所述放電器包括第二測量單元，與所述存儲器連接，用於獲得存儲測量電壓；第二基準單元，用於提供基準電壓；第二比較單元，分別與所述第二測量單元和第二基準單元連接，用於根據所述存 儲測量電壓和基準電壓的比較結果發送放電控制信號；第二開關單元，分別與所述第二比較單元、控制器和存儲器連接，用於根據放電控 制信號和控制器的指令將暫存在存儲器內的尖峰過電壓能量釋放。進一步地，所述第一測量單元包括串接的兩個分壓電阻和設置在兩個分壓電阻之 間的系統電源測量端，所述兩個分壓電阻設置在系統電源之間，所述系統電源測量端用於 輸出系統電源測量電壓；所述第一基準單元為基準電壓輸出端，用於提供基準電壓；所述 第一比較單元為第一比較器，第一比較器的一個輸入端與所述系統電源測量端連接，另一 個輸入端與所述基準電壓輸出端連接，所述第一比較器根據所述系統電源測量電壓和基準 電壓的比較結果發送充電控制信號。進一步地，所述第一開關單元包括第一與門和第一開關管，所述第一與門的一個 輸入端與所述第一比較器的輸出端連接，接收第一比較器發送的充電控制信號，另一個輸 入端與所述控制器連接，接收控制器發送的指令，所述第一與門的輸出端與所述第一開關 管的控制端連接；所述存儲器為電容，所述電容與所述第一開關管串接並設置在系統電源 之間；當第一比較器發送充電控制信號且控制器發送允許命令時，所述第一開關管導通，使 系統電源的尖峰過電壓對電容充電，將系統電源的尖峰過電壓能量暫存入電容。進一步地，所述第一基準單元與所述控制器連接，用於根據所述控制器的指令提 供基準電壓。進一步地，所述第一基準單元為具有2個基準電壓輸出端的選擇開關，所述選擇 開關與控制器連接，用於根據所述控制器的控制分別提供OV基準電壓或Vb基準電壓，所述 Vb基準電壓是對應於系統電源正弦波正最大值或負最大值的測量電壓。
進一步地，所述存儲器為電容；所述第二測量單元包括串接的兩個分壓電阻和設 置在兩個分壓電阻之間的存儲測量端，所述兩個分壓電阻與所述電容並聯，所述存儲測量 端用於輸出電容測量電壓；所述第二基準單元為基準電壓輸出端，用於提供基準電壓；所 述第二比較單元為第二比較器，第二比較器的一個輸入端與存儲測量端連接，另一個輸入 端與所述基準電壓輸出端連接，所述第二比較器根據所述電容測量電壓和基準電壓的比較 結果發送放電控制信號。 進一步地，所述第二開關單元包括第二與門、第二開關管和放電電阻，所述第二與 門的一個輸入端與所述第二比較器的輸出端連接，接收第二比較器發送的放電控制信號， 另一個輸入端與所述控制器連接，接收控制器發送的指令，所述第二與門的輸出端與所述 第二開關管的控制端連接，串接的所述第二開關管和放電電阻與所述電容並聯；當第二比 較器發送放電控制信號且控制器發送允許命令時，所述第二開關管導通，使電容對放電電 阻放電，將電容暫存的尖峰過電壓能量釋放。在上述技術方案基礎上，所述尖峰過電壓包括正尖峰過電壓和/或負尖峰過電壓。本發明提供了一種尖峰過電壓消除裝置，當系統電源的一個半周到來時，將尖峰 過電壓能量暫存入存儲器，當系統電源隨後的另一個半周到來時，將暫存在存儲器內的尖 峰過電壓能量釋放掉，不僅有效實現了周而復始的尖峰過電壓消除，而且具有功耗低、體積 小、重量輕、成本低等優點。


圖1為本發明尖峰過電壓消除裝置的結構示意圖；圖2為本發明尖峰過電壓消除裝置中充電器的結構示意圖；圖3為本發明尖峰過電壓消除裝置中放電器的結構示意圖；圖4為本發明尖峰過電壓消除裝置第一實施例的結構示意圖；圖5為本發明尖峰過電壓消除裝置第二實施例的結構示意圖；圖6為本發明尖峰過電壓消除裝置第三實施例的結構示意圖；圖7為本發明尖峰過電壓消除裝置第四實施例的結構示意圖；圖8為本發明尖峰過電壓消除裝置第五實施例的結構示意圖；圖9為本發明尖峰過電壓消除裝置第六實施例的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明技術方案做進一步詳細說明。圖1為本發明尖峰過電壓消除裝置的結構示意圖。如圖1所示，本發明尖峰過電 壓消除裝置包括控制器1、充電器2、放電器3和存儲器4，其中，存儲器4用於暫存系統電 源的尖峰過電壓能量；充電器2與存儲器4連接，用於將系統電源的尖峰過電壓能量暫存入 存儲器4 ；放電器3與存儲器4連接，用於將暫存在存儲器4內的尖峰過電壓能量釋放；控 制器1分別與充電器2和放電器3連接，用於在系統電源處於一個半周時控制充電器2將 尖峰過電壓能量暫存入存儲器4，在系統電源處於後一個半周時控制放電器3將暫存在存 儲器4內的尖峰過電壓能量釋放。具體地，當系統電源的一個正半周到來時，控制器1控制充電器2將正尖峰過電壓能量暫存入存儲器4，當系統電源隨後的一個負半周到來時，控制 器1控制放電器3將暫存在存儲器4內的正尖峰過電壓能量釋放掉。或者，當系統電源的 一個負半周到來時，控制器1控制充電器2將負尖峰過電壓能量暫存入存儲器4，當系統電 源隨後的一個正半周到來時，控制器1控制放電器3將暫存在存儲器4內的負尖峰過電壓 能量釋放掉。圖2為本發明尖峰過電壓消除裝置中充電器的結構示意圖。如圖2所示，本發明 充電器2包括第一測量單元21、第一基準單元22、第一比較單元23和第一開關單元24，其 中，第一測量單元21與系統電源連接，用於獲得系統電源測量電壓；第一基準單元22用於 提供基準電壓；第一比較單元23分別與第一測量單元21和第一基準單元22連接，用於根 據系統電源測量電壓和基準電壓的比較結果發送充電控制信號；第一開關單元24分別與 第一比較單元23、控制器1和存儲器4連接，用於根據充電控制信號和控制器的指令將系統 電源的尖峰過電壓暫存入存儲器4。進一步地，第一基準單元22還與控制器1連接，用於根 據控制器1的指令提供相應的基準電壓。圖3為本發明尖峰過電壓消除裝置中放電器的結構示意圖。如圖3所示，本發明 放電器3包括第二測量單元31、第二基準單元32、第二比較單元33和第二開關單元34，其 中，第二測量單元31與存儲器4連接，用於獲得存儲測量電壓；第二基準單元32用於提供 基準電壓；第二比較單元33分別與第二測量單元31和第二基準單元32連接，用於根據存 儲測量電壓和基準電壓的比較結果發送放電控制信號；第二開關單元34分別與第二比較 單元33、控制器1和存儲器4連接，用於根據放電控制信號和控制器的指令將暫存在存儲器 4內的尖峰過電壓能量釋放掉。本發明尖峰過電壓消除裝置的工作過程為當系統電源的正半周或負半周到來 時，第一測量單元21獲得系統電源測量電壓，第一比較單元23根據系統電源測量電壓和基 準電壓的比較結果發送充電控制信號，根據第一比較單元23發送的充電控制信號和控制 器發送的的指令，第一開關單元24將系統電源的正尖峰過電壓或負尖峰過電壓暫存入存 儲器4。當系統電源隨後的一個負半周或正半周到來時，第二測量單元31獲得存儲測量電 壓，第二比較單元33根據存儲測量電壓和基準電壓的比較結果發送放電控制信號，根據第 二比較單元33發送的放電控制信號和控制器發送的的指令，第二開關單元34將暫存在存 儲器4內的正尖峰過電壓或負尖峰過電壓能量釋放掉。通過上述技術方案可以看出，本發明尖峰過電壓消除裝置不僅有效實現了周而復 始的正尖峰過電壓或負尖峰過電壓消除，而且具有功耗低、體積小、重量輕、成本低等優點。下面通過具體實施例詳細說明本發明尖峰過電壓消除裝置的技術方案。第一實施例圖4為本發明尖峰過電壓消除裝置第一實施例的結構示意圖，用於消除系統電源 的正尖峰過電壓。如圖4所示，本實施例中，第一測量單元採用分壓電阻結構，包括系統電源測量 端、分壓電阻Rai和Rbi，串接的分壓電阻Rai和Rbi設置在電動機附近的系統電源(AB相)之 間，系統電源測量端設置在分壓電阻Rai與Rbi之間，系統電源測量端用於測量輸出系統電源 測量電壓。第一基準單元為Vbl基準電壓輸出端，用於提供Vbl基準電壓，Vbl基準電壓是 對應於系統電源正弦波正最大值的測量電壓，Vbl基準電壓為正電壓值。第一比較單元採用正比較器結構，包括第一比較器P1，第一比較器Pl的正輸入端與系統電源測量端連接， 負輸入端與Vbl基準電壓輸出端連接，第一比較器Pl比較系統電源測量電壓和Vbl基準電 壓，當系統電源測量電壓大於Vbl基準電壓時，第一比較器Pl的輸出端發送充電控制信號 (如高電平)。第一開關單元採用與門和開關管結構，包括第一開關管IGBTl和二輸入端的 第一與門AND1，第一與門ANDl的一個輸入端與第一比較器Pl的輸出端連接，接收第一比較 器Pl發送的充電控制信號，另一個輸入端與控制器1連接，接收控制器1發送的指令，第一 與門ANDl的輸出端通過驅動電路與第一開關管IGBTl的控制端連接，當第一比較器Pl發 送充電控制信號且控制器1發送的指令是允許命令時，第一開關管IGBTl在驅動電路作用 下導通。存儲器4採用電容器結構，包括第一電容Cl，第一電容Cl與第一開關管IGBTl串 接並設置在系統電源之間，用於在第一開關管IGBTl導通時，系統電源的正尖峰過電壓對 第一電容Cl充電，將系統電源的正尖峰過電壓能量暫存入第一電容Cl。如圖4所示，本實施例中，第二測量單元採用分壓電阻結構，包括存儲測量端、分 壓電阻Ra2和Rb2，串接的分壓電阻Ra2和Rb2與第一電容Cl並聯，存儲測量端設置在分壓電 阻Ra2與Rb2之間，存儲測量端用於測量輸出第一電容測量電壓。第二基準單元為Vbl基準 電壓輸出端，用於提供Vbl基準電壓，Vbl基準電壓是對應於系統電源正弦波正最大值的測 量電壓。第二比較單元採用正比較器結構，包括第二比較器P2，第二比較器P2的正輸入端 與存儲測量端連接，負輸入端與Vbl基準電壓輸出端連接，第二比較器P2比較第一電容測 量電壓和Vbl基準電壓，當第一電容測量電壓大於Vbl基準電壓時，第二比較器P2的輸出 端發送放電控制信號(如高電平)。第二開關單元採用與門和開關管結構，包括第二開關管 IGBT2和三輸入端的第二與門AND2，第二與門AND2的一個輸入端與第二比較器P2的輸出 端連接，接收第二比較器P2發送的放電控制信號，另一個輸入端與控制器1連接，接收控制 器1發送的指令，再一個輸入端通過第一非門ORl與第一與門ANDl連接，第一非門ORl用 於提供閉鎖信號，保證第一開關管IGBTl和第二開關管IGBT2不能直通。第二與門AND2的 輸出端通過驅動電路與第二開關管IGBT2的控制端連接，當第二比較器P2發送放電控制信 號且控制器1發送的指令是允許命令時，第二開關管IGBT2在驅動電路作用下導通。第二 開關單元還包括第一放電電阻Rabi，第一放電電阻Rabi與第二開關管IGBT2串接，並與第一 電容Cl並聯，用於在第二開關管IGBT2導通時，第一電容Cl對第一放電電阻Rabi放電，將 第二電容Cl暫存的正尖峰過電壓能量釋放掉。本實施例中，第一開關管IGBTl和第二開關管IGBT2還分別並聯有吸收電路，該結 構已為本領域技術人員所了解，這裡不再贅述。本實施例尖峰過電壓消除裝置消除系統電源正尖峰過電壓的工作過程為1、尖峰過電壓消除裝置進行啟動控制，啟動控制完成後，第一電容Cl保持正弦波 正最大值，稱之為第一標準電壓Vi。2、在系統電源正半周，控制器1向第一與門ANDl發送允許命令。當系統電源的正 尖峰過電壓到來時，經分壓電阻Rai和Rbi分壓得到的系統電源測量電壓將大於Vbl基準電 壓。第一比較器Pl通過比較判斷出系統電源測量電壓大於Vbl基準電壓後，第一比較器Pl 發送充電控制信號(如高電平)。第一與門ANDl接收到第一比較器Pl發送的充電控制信 號和控制器1發送的允許指令後，在驅動電路作用下控制第一開關管IGBTl導通，系統電源 的正尖峰過電壓向第一電容Cl充電，正尖峰能量被暫存入第一電容Cl。當系統電源的尖峰
8過電壓過後，經分壓電阻Rai和Rbi分壓得到的的系統電源測量電壓將小於或等於Vbl基準 電壓。第一比較器Pl通過比較判斷出系統電源測量電壓小於或等於Vbl基準電壓後，第一 比較器Pl發送停止控制信號(如低電平)。第一與門ANDl接收到第一比較器Pl發送的停 止控制信號後，在驅動電路作用下控制第一開關管IGBTl斷開，第一電容Cl停止充電。3、在系統電源負半周，控制器1向第二與門AND2發送允許命令。由於第一電容Cl 暫存有正尖峰能量，經分壓電阻Ra2和Rb2分壓得到的第一電容測量電壓將大於Vbl基準電 壓。第二比較器P2通過比較判斷出第一電容測量電壓大於Vbl基準電壓後，第二比較器P2 發送放電控制信號(如高電平)。第二與門AND2接收到第二比較器P2發送的放電控制信 號和控制器1發送的允許指令後，在驅動電路作用下控制第二開關管IGBT2導通，第一電容 Cl對第一放電電阻Rabi放電。這樣，暫存在第一電容Cl內的正尖峰能量被第一放電電阻 Rabi消耗掉。當第一電容Cl放電到第一標準電壓Vl時，經分壓電阻Ra2和Rb2分壓得到的 第一電容測量電壓將小於或等於Vbl基準電壓。第二比較器P2通過比較判斷出第一電容 測量電壓小於或等於Vbl基準電壓後，第二比較器P2發送停止控制信號(如低電平)。第 二與門AND2接收到第二比較器P2發送的停止控制信號後，在驅動電路作用下控制第二開 關管IGBT2斷開，第一電容Cl停止放電。此時，第一電容Cl保持第一標準電壓VI。由此可見，當系統電源處於正半周時，正尖峰過電壓能量被累積存入第一電容Cl， 當系統電源處於負半周時，存入第一電容Cl的正尖峰能量被第一放電電阻Rabi消耗掉。在 控制器的控制下，本實施例尖峰過電壓消除裝置通過周而復始的尖峰過電壓消除過程，有 效消除了系統電源的正尖峰過電壓。同時，本實施例具有功耗低、體積小重量輕、成本低等 優點。第二實施例圖5為本發明尖峰過電壓消除裝置第二實施例的結構示意圖，用於消除系統電源 的正尖峰過電壓。本實施例的主體結構與前述第一實施例的技術方案基本相同，所不同的 是，本實施例的第一基準單元為具有2個基準電壓輸出端的第一選擇開關，第一選擇開關 與控制器1連接，用於根據控制器1的控制分別提供OV基準電壓或Vbl基準電壓。本實施 例通過設置第一選擇開關，在實現第一實施例將正向尖峰過電壓消除的同時，還實現了正 向尖峰過電壓消除的啟動控制。本實施例尖峰過電壓消除裝置進行啟動控制的工作過程為控制器1控制第一選擇開關選擇OV基準電壓。當系統電源正半周到來時，經分壓 電阻Rai和Rbi分壓得到的系統電源測量電壓將大於OV基準電壓。第一比較器Pl通過比較 判斷出系統電源測量電壓大於OV基準電壓後，第一比較器Pl發送充電控制信號(如高電 平)。控制器1向第一與門ANDl發送允許命令，第一與門ANDl接收到第一比較器Pl發送 的充電控制信號和控制器1發送的允許指令後，在驅動電路作用下控制第一開關管IGBTl 導通，系統電源對第一電容Cl按正弦波電壓充電。當第一電容Cl充電到正弦波正最大值 時，控制器1向第一與門ANDl發出禁止命令，停止第一電容Cl充電。同時，控制器1控制 第一選擇開關選擇Vbl基準電壓，至此完成本實施例尖峰過電壓消除的啟動控制。此時，第 一電容Cl保持正弦波正最大值，稱之為第一標準電壓VI。第三實施例圖6為本發明尖峰過電壓消除裝置第三實施例的結構示意圖，用於消除系統電源的負尖峰過電壓。如圖6所示，本實施例中，第一測量單元採用分壓電阻結構，包括系統電源測量 端、分壓電阻Ra3和Rb3，串接的分壓電阻Ra3和Rb3設置在電動機附近的系統電源(AB相)之 間，系統電源測量端設置在分壓電阻Ra3與Rb3之間，系統電源測量端用於測量輸出系統電源 測量電壓。第二基準單元為Vb2基準電壓輸出端，用於提供Vb2基準電壓，Vb2基準電壓是 對應於系統電源正弦波負最大值的測量電壓，Vb2基準電壓為負電壓值。第一比較單元採 用負比較器結構，包括第三比較器P3，第三比較器P3的負輸入端與系統電源測量端連接， 正輸入端與Vb2基準電壓輸出端連接，第三比較器P3比較系統電源測量電壓和Vb2基準電 壓，當系統電源測量電壓小於Vb2基準電壓時，第三比較器P3的輸出端發送充電控制信號 (如高電平)。第一開關單元採用與門和開關管結構，包括第三開關管IGBT3和二輸入端的 第三與門AND3，第三與門AND3的一個輸入端與第三比較器P3的輸出端連接，接收第三比較 器P3發送的充電控制信號，另一個輸入端與控制器1連接，接收控制器1發送的指令，第三 與門AND3的輸出端通過驅動電路與第三開關管IGBT3的控制端連接，當第三比較器P3發 送充電控制信號且控制器1發送的指令是允許命令時，第三開關管IGBT3在驅動電路作用 下導通。存儲器4採用電容器結構，包括第二電容C2，第二電容C2與第三開關管IGBT3串 接並設置在系統電源之間，用於在第三開關管IGBT3導通時，系統電源的負尖峰過電壓對 第二電容C2充電，將系統電源的負尖峰過電壓能量暫存入第二電容C2。如圖6所示，本實施例中，第二測量單元採用分壓電阻結構，包括存儲測量端、分 壓電阻Ra4和Rb4，串接的分壓電阻Ra4和Rb4與第二電容C2並聯，存儲測量端設置在分壓電 阻Ra4與Rb4之間，存儲測量端用於測量輸出第二電容測量電壓。第二基準單元為Vb2基準 電壓輸出端，用於提供Vb2基準電壓，Vb2基準電壓是對應於系統電源正弦波負最大值的測 量電壓。第二比較單元採用負比較器結構，包括第四比較器P4，第四比較器P4的負輸入端 與存儲測量端連接，正輸入端與Vb2基準電壓輸出端連接，第四比較器P4比較第二電容測 量電壓和Vb2基準電壓，當第二電容測量電壓小於Vb2基準電壓時，第四比較器P4的輸出 端發送放電控制信號(如高電平)。第二開關單元採用與門和開關管結構，包括第四開關管 IGBT4和三輸入端的第四與門AND4，第四與門AND4的一個輸入端與第四比較器P4的輸出 端連接，接收第四比較器P4發送的放電控制信號，另一個輸入端與控制器1連接，接收控制 器1發送的指令，再一個輸入端通過第二非門0R2與第三與門AND3連接，第二非門0R2用 於提供閉鎖信號，保證第三開關管IGBT3和第四開關管IGBT4不能直通。第四與門AND4的 輸出端通過驅動電路與第四開關管IGBT4的控制端連接，當第四比較器P4發送放電控制信 號且控制器1發送的指令是允許命令時，第四開關管IGBT4在驅動電路作用下導通。第二 開關單元還包括第二放電電阻Rab2，第二放電電阻Rab2第四開關管IGBT4串接，並與第二電 容C2並聯，用於在第四開關管IGBT4導通時，第二電容C2對第二放電電阻Rab2放電，將第 二電容C2暫存的負尖峰過電壓能量釋放掉。本實施例中，第三開關管IGBT3和第四開關管IGBT4還分別並聯有吸收電路，該結 構已為本領域技術人員所了解，這裡不再贅述。本實施例尖峰過電壓消除裝置消除系統電源的負尖峰過電壓的工作過程為1、尖峰過電壓消除裝置進行啟動控制，啟動控制完成後，第二電容C2保持正弦波 負最大值，稱之為第二標準電壓V2。
2、在系統電源負半周，控制器1向第三與門AND3發送允許命令。當系統電源的負 尖峰過電壓到來時，經分壓電阻Ra3和Rb3分壓得到的系統電源測量電壓將小於Vb2基準電 壓。第三比較器P3通過比較判斷出系統電源測量電壓小於Vb2基準電壓後，第三比較器P3 發送充電控制信號(如高電平)。第三與門AND3接收到第三比較器P3發送的充電控制信 號和控制器1發送的允許指令後，在驅動電路作用下控制第三開關管IGBT3導通，系統電源 的負尖峰過電壓向第二電容C2充電，負尖峰能量被暫存入第二電容C2。當系統電源的尖峰 過電壓過後，經分壓電阻Ra3和Rb3分壓得到的系統電源測量電壓將大於或等於Vb2基準電 壓。第三比較器P3通過比較判斷出系統電源測量電壓大於或等於Vb2基準電壓後，第三比 較器P3發送停止控制信號(如低電平)。第三與門AND3接收到第三比較器P3發送的停止 控制信號後，在驅動電路作用下控制第三開關管IGBT3斷開，第二電容C2停止充電。3、在系統電源正半周，控制器1向第四與門AND4發送允許命令。由於第二電容C2 暫存有負尖峰能量，經分壓電阻Ra4和Rb4分壓得到的第二電容測量電壓將小於Vb2基準電 壓。第四比較器P4通過比較判斷出第二電容測量電壓小於Vb2基準電壓後，第四比較器P4 發送放電控制信號(如高電平)。第四與門AND4接收到第四比較器P4發送的放電控制信 號和控制器1發送的允許指令後，在驅動電路作用下控制第四開關管IGBT4導通，第二電容 C2對第二放電電阻Rab2放電。這樣，暫存在第二電容C2內的負尖峰能量被第二放電電阻 Rab2消耗掉。當第二電容C2放電到第二標準電壓V2時，經分壓電阻Ra4和Rb4分壓得到的 第二電容測量電壓將大於或等於Vb2基準電壓。第四比較器P4通過比較判斷出第二電容 測量電壓大於或等於Vb2基準電壓後，第四比較器P4發送停止控制信號(如低電平)。第 四與門AND4接收到第四比較器P4發送的停止控制信號後，在驅動電路作用下控制第四開 關管IGBT4斷開，第二電容C2停止放電。此時，第二電容C2保持第二標準電壓V2。由此可見，當系統電源處於負半周時，負尖峰過電壓能量被累積存入第二電容C2， 當系統電源處於正半周時，存入第二電容C2的負尖峰能量被第二放電電阻Rab2消耗掉。在 控制器的控制下，本實施例尖峰過電壓消除裝置通過周而復始的尖峰過電壓消除過程，有 效消除了系統電源的負尖峰過電壓。同時，本實施例具有功耗低、體積小、重量輕、成本低等 優點。第四實施例圖7為本發明尖峰過電壓消除裝置第四實施例的結構示意圖，用於消除系統電源 的負尖峰過電壓。本實施例的主體結構與前述第三實施例的技術方案基本相同，所不同的 是，本實施例的第二基準單元為具有2個基準電壓輸出端的第二選擇開關，第二選擇開關 與控制器1連接，用於根據控制器1的控制分別提供OV基準電壓或Vb2基準電壓。本實施 例通過設置第二選擇開關，在實現第三實施例將負向尖峰過電壓消除的同時，還實現了負 向尖峰過電壓消除的啟動控制。本實施例尖峰過電壓消除裝置進行啟動控制的工作過程為控制器1控制第二選擇開關選擇OV基準電壓。當系統電源負半周到來時，經分壓 電阻Ra3和Rb3分壓得到的系統電源測量電壓將小於ov基準電壓。第三比較器P3通過比較 判斷出系統電源測量電壓小於OV基準電壓後，第三比較器P3發送充電控制信號(如高電 平)。控制器1向第三與門AND3發送允許命令，第三與門AND3接收到第三比較器P3發送 的充電控制信號和控制器1發送的允許指令後，在驅動電路作用下控制第三開關管IGBT3導通，系統電源對第二電容C2按正弦波電壓充電。當第二電容C2充電到正弦波負最大值 時，控制器1向第三與門AND3發出禁止命令，停止第二電容C2充電。同時，控制器1控制 第二選擇開關選擇Vb2基準電壓，至此完成本實施例尖峰過電壓消除的啟動控制。此時，第 二電容C2保持正弦波負最大值，稱之為第二標準電壓V2。第五實施例圖8為本發明尖峰過電壓消除裝置第五實施例的結構示意圖，用於同時消除系統 電源的正尖峰過電壓和負尖峰過電壓。如圖8所示，本實施例是前述第二實施例和第四實施例的組合結構。有關本實施 例的結構已在第二和第四實施例中詳細說明，這裡不再贅述。本實施例尖峰過電壓消除裝置消除系統電源尖峰過電壓的工作過程為1、正向尖峰過電壓消除的啟動控制控制器1控制第一選擇開關選擇OV基準電壓。當系統電源正半周到來時，經分壓 電阻Rai和Rbi分壓得到的系統電源測量端輸出的系統電源測量電壓將大於OV基準電壓。 第一比較器Pl通過比較判斷出系統電源測量電壓大於OV基準電壓後，第一比較器Pl發送 充電控制信號。控制器1向第一與門ANDl發送允許命令，第一與門ANDl接收到第一比較 器Pl發送的充電控制信號和控制器1發送的允許指令後，在驅動電路作用下控制第一開關 管IGBTl導通，系統電源對第一電容Cl按正弦波電壓充電。當第一電容Cl充電到正弦波 正最大值時，控制器1向第一與門ANDl發出禁止命令，停止第一電容Cl充電。同時，控制 器1控制第一選擇開關選擇Vb 1基準電壓，至此完成本實施例尖峰過電壓消除的啟動控制。 此時，第一電容Cl保持正弦波正最大值，稱之為第一標準電壓VI。2、負向尖峰過電壓消除的啟動控制控制器1控制第二選擇開關選擇OV基準電壓。當系統電源負半周到來時，經分壓 電阻Ra3和Rb3分壓得到的系統電源測量端輸出的系統電源測量電壓將小於OV基準電壓。 第三比較器P3通過比較判斷出系統電源測量電壓小於OV基準電壓後，第三比較器P3發送 充電控制信號。控制器1向第三與門AND3發送允許命令，第三與門AND3接收到第三比較 器P3發送的充電控制信號和控制器1發送的允許指令後，在驅動電路作用下控制第三開關 管IGBT3導通，系統電源對第二電容C2按正弦波電壓充電。當第二電容C2充電到正弦波 負最大值時，控制器1向第三與門AND3發出禁止命令，停止第二電容C2充電。同時，控制 器1控制第二選擇開關選擇Vb2基準電壓，至此完成本實施例尖峰過電壓消除的啟動控制。 此時，第二電容C2保持正弦波負最大值，稱之為第二標準電壓V2。3、將正尖峰能量暫存入第一電容Cl在系統電源正半周，控制器1向第一與門ANDl發送允許命令。當系統電源的正尖 峰過電壓到來時，經分壓電阻Rai和Rbi分壓得到的系統電源測量端輸出的系統電源測量電 壓將大於Vbl基準電壓。第一比較器Pl通過比較判斷出系統電源測量電壓大於Vbl基準 電壓後，第一比較器Pl發送充電控制信號。第一與門ANDl接收到第一比較器Pl發送的充 電控制信號和控制器1發送的允許指令後，在驅動電路作用下控制第一開關管IGBTl導通， 系統電源的正尖峰過電壓向第一電容Cl充電，正尖峰能量被暫存入第一電容Cl。當系統 電源的尖峰過電壓過後，經分壓電阻Rai和Rbi分壓得到的系統電源測量電壓將小於或等於 Vbl基準電壓。第一比較器Pl通過比較判斷出系統電源測量電壓小於或等於Vbl基準電壓
12後，第一比較器Pl發送停止控制信號。第一與門ANDl接收到第一比較器Pl發送的停止控 制信號後，在驅動電路作用下控制第一開關管IGBTl斷開，第一電容Cl停止充電。4、將負尖峰能量暫存入第二電容C2在系統電源負半周，控制器1向第三與門AND3發送允許命令。當系統電源的負尖 峰過電壓到來時，經分壓電阻Ra3和Rb3分壓得到的系統電源測量端輸出的系統電源測量電 壓將小於Vb2基準電壓。第三比較器P3通過比較判斷出系統電源測量電壓小於Vb2基準 電壓後，第三比較器P3發送充電控制信號。第三與門AND3接收到第三比較器P3發送的充 電控制信號和控制器1發送的允許指令後，在驅動電路作用下控制第三開關管IGBT3導通， 系統電源的負尖峰過電壓向第二電容C2充電，負尖峰能量被暫存入第二電容C2。當系統 電源的尖峰過電壓過後，經分壓電阻Ra3和Rb3分壓得到的系統電源測量電壓將大於或等於 Vb2基準電壓。第三比較器P3通過比較判斷出系統電源測量電壓大於或等於Vb2基準電壓 後，第三比較器P3發送停止控制信號。第三與門AND3接收到第三比較器P3發送的停止控 制信號後，在驅動電路作用下控制第三開關管IGBT3斷開，第二電容C2停止充電。5、第一電容Cl電壓平衡控制 在系統電源負半周，控制器1向第二與門AND2發送允許命令。由於第一電容Cl暫 存有正尖峰能量，經分壓電阻Ra2和Rb2分壓得到的存儲測量端輸出的第一電容測量電壓將 大於Vbl基準電壓。第二比較器P2通過比較判斷出第一電容測量電壓大於Vbl基準電壓 後，第二比較器P2發送放電控制信號。第二與門AND2接收到第二比較器P2發送的放電控 制信號和控制器1發送的允許指令後，在驅動電路作用下控制第二開關管IGBT2導通，第一 電容Cl對第一放電電阻Rabi放電。這樣，暫存在第一電容Cl內的正尖峰能量被第一放電電 阻Rabi消耗掉。當第一電容Cl放電到第一標準電壓Vl時，經分壓電阻Ra2和Rb2分壓得到 的第一電容測量電壓將小於或等於Vbl基準電壓。第二比較器P2通過比較判斷出第一電 容測量電壓小於或等於Vbl基準電壓後，第二比較器P2發送停止控制信號。第二與門AND2 接收到第二比較器P2發送的停止控制信號後，在驅動電路作用下控制第二開關管IGBT2斷 開，第一電容Cl停止放電。此時，第一電容Cl保持第一標準電壓VI。6、第二電容C2電壓平衡控制在系統電源正半周，控制器1向第四與門AND4發送允許命令。由於第二電容C2暫 存有負尖峰能量，經分壓電阻Ra4和Rb4分壓得到的存儲測量端輸出的第二電容測量電壓將 小於Vb2基準電壓。第四比較器P4通過比較判斷出第二電容測量電壓小於Vb2基準電壓 後，第四比較器P4發送放電控制信號。第四與門AND4接收到第四比較器P4發送的放電控 制信號和控制器1發送的允許指令後，在驅動電路作用下控制第四開關管IGBT4導通，第二 電容C2對第二放電電阻Rab2放電。這樣，暫存在第二電容C2內的負尖峰能量被第二放電電 阻Rab2消耗掉。當第二電容C2放電到第二標準電壓V2時，經分壓電阻Ra4和Rb4分壓得到 的第二電容測量電壓將大於或等於Vb2基準電壓。第四比較器P4通過比較判斷出第二電 容測量電壓大於或等於Vb2基準電壓後，第四比較器P4發送停止控制信號。第四與門AND4 接收到第四比較器P4發送的停止控制信號後，在驅動電路作用下控制第四開關管IGBT4斷 開，第二電容C2停止放電。此時，第二電容C2保持第二標準電壓V2。由此可見，當系統電源處於正半波時，正尖峰過電壓能量被累計存入第一電容Cl， 同時負尖峰能量被第二放電電阻Rab2消耗掉；當系統電源處於負半波時，負尖峰過電壓能量被累計存入第二電容C2，同時正尖峰能量被第一放電電阻Rabi消耗掉。在控制器的控制 下，本實施例尖峰過電壓消除裝置通過周而復始的尖峰過電壓消除過程，有效消除了系統 電源的正尖峰過電壓和負尖峰過電壓。同時，本實施例具有功耗低、體積小、重量輕、成本低 等優點。第六實施例圖9為本發明尖峰過電壓消除裝置第六實施例的結構示意圖。如圖9所示，本實 施例中，三相50Hz或60Hz的交流電源，經過變頻器後得到所需頻率，將三臺本發明尖峰過 電壓消除裝置分別安裝在電動機的電源輸入端，即設置在電動機附近的AB相、BC相和AC相 電壓之間，通過本發明尖峰過電壓消除裝置周而復始的尖峰過電壓消除過程，有效消除三 相交流電源的尖峰過電壓。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技 術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。本發明得到國家高技術研究發展計劃(863計劃)支持，項目名稱為高效節能環 保原油混沌脈衝電脫水器產業化關鍵技術研究，項目編號為2007AA05Z230。本發明得到 北京市教育委員會共建項目專項資助。本發明得到中國石油大學(北京)前瞻導向項目資 助，批准號為2010QZ03。
權利要求
1.一種尖峰過電壓消除裝置，其特徵在於，包括 存儲器，用於暫存系統電源的尖峰過電壓能量；充電器，與所述存儲器連接，用於將系統電源的尖峰過電壓能量暫存入存儲器； 放電器，與所述存儲器連接，用於將暫存在所述存儲器內的尖峰過電壓能量釋放； 控制器，分別與所述充電器和放電器連接，用於在系統電源處於一個半周時控制所述 充電器將尖峰過電壓能量暫存入存儲器，在系統電源處於後一個半周時控制所述放電器將 暫存在存儲器內的尖峰過電壓能量釋放。
2.如權利要求1所述的尖峰過電壓消除裝置，其特徵在於，所述充電器包括 第一測量單元，與系統電源連接，用於獲得系統電源測量電壓；第一基準單元，用於提供基準電壓；第一比較單元，分別與所述第一測量單元和第一基準單元連接，用於根據所述系統電 源測量電壓和基準電壓的比較結果發送充電控制信號；第一開關單元，分別與所述第一比較單元、控制器和存儲器連接，用於根據充電控制信 號和控制器的指令將系統電源的尖峰過電壓暫存入存儲器。
3.如權利要求1所述的尖峰過電壓消除裝置，其特徵在於，所述放電器包括 第二測量單元，與所述存儲器連接，用於獲得存儲測量電壓；第二基準單元，用於提供基準電壓；第二比較單元，分別與所述第二測量單元和第二基準單元連接，用於根據所述存儲測 量電壓和基準電壓的比較結果發送放電控制信號；第二開關單元，分別與所述第二比較單元、控制器和存儲器連接，用於根據放電控制信 號和控制器的指令將暫存在存儲器內的尖峰過電壓能量釋放。
4.如權利要求2所述的尖峰過電壓消除裝置，其特徵在於，所述第一測量單元包括串 接的兩個分壓電阻和設置在兩個分壓電阻之間的系統電源測量端，所述兩個分壓電阻設置 在系統電源之間，所述系統電源測量端用於輸出系統電源測量電壓；所述第一基準單元為 基準電壓輸出端，用於提供基準電壓；所述第一比較單元為第一比較器，第一比較器的一個 輸入端與所述系統電源測量端連接，另一個輸入端與所述基準電壓輸出端連接，所述第一 比較器根據所述系統電源測量電壓和基準電壓的比較結果發送充電控制信號。
5.如權利要求4所述的尖峰過電壓消除裝置，其特徵在於，所述第一開關單元包括第 一與門和第一開關管，所述第一與門的一個輸入端與所述第一比較器的輸出端連接，接收 第一比較器發送的充電控制信號，另一個輸入端與所述控制器連接，接收控制器發送的指 令，所述第一與門的輸出端與所述第一開關管的控制端連接；所述存儲器為電容，所述電容 與所述第一開關管串接並設置在系統電源之間；當第一比較器發送充電控制信號且控制器 發送允許命令時，所述第一開關管導通，使系統電源的尖峰過電壓對電容充電，將系統電源 的尖峰過電壓能量暫存入電容。
6.如權利要求2所述的尖峰過電壓消除裝置，其特徵在於，所述第一基準單元與所述 控制器連接，用於根據所述控制器的指令提供基準電壓。
7.如權利要求6所述的尖峰過電壓消除裝置，其特徵在於，所述第一基準單元為具有 2個基準電壓輸出端的選擇開關，所述選擇開關與控制器連接，用於根據所述控制器的控制 分別提供OV基準電壓或Vb基準電壓，所述Vb基準電壓是對應於系統電源正弦波正最大值或負最大值的測量電壓。
8.如權利要求3所述的尖峰過電壓消除裝置，其特徵在於，所述存儲器為電容；所述第 二測量單元包括串接的兩個分壓電阻和設置在兩個分壓電阻之間的存儲測量端，所述兩個 分壓電阻與所述電容並聯，所述存儲測量端用於輸出電容測量電壓；所述第二基準單元為 基準電壓輸出端，用於提供基準電壓；所述第二比較單元為第二比較器，第二比較器的一個 輸入端與存儲測量端連接，另一個輸入端與所述基準電壓輸出端連接，所述第二比較器根 據所述電容測量電壓和基準電壓的比較結果發送放電控制信號。
9.如權利要求8所述的尖峰過電壓消除裝置，其特徵在於，所述第二開關單元包括第 二與門、第二開關管和放電電阻，所述第二與門的一個輸入端與所述第二比較器的輸出端 連接，接收第二比較器發送的放電控制信號，另一個輸入端與所述控制器連接，接收控制器 發送的指令，所述第二與門的輸出端與所述第二開關管的控制端連接，串接的所述第二開 關管和放電電阻與所述電容並聯；當第二比較器發送放電控制信號且控制器發送允許命令 時，所述第二開關管導通，使電容對放電電阻放電，將電容暫存的尖峰過電壓能量釋放。
10.如權利要求1 9任一所述的尖峰過電壓消除裝置，其特徵在於，所述尖峰過電壓 包括正尖峰過電壓和/或負尖峰過電壓。
全文摘要
本發明涉及一種尖峰過電壓消除裝置，包括存儲器、充電器、放電器和控制器，存儲器用於暫存系統電源的尖峰過電壓能量，充電器與所述存儲器連接，用於將系統電源的尖峰過電壓能量暫存入存儲器，放電器與所述存儲器連接，用於將暫存在所述存儲器內的尖峰過電壓能量釋放，控制器分別與所述充電器和放電器連接，用於在系統電源處於一個半周時控制所述充電器將尖峰過電壓能量暫存入存儲器，在系統電源處於後一個半周時控制所述放電器將暫存在存儲器內的尖峰過電壓能量釋放。所述尖峰過電壓包括正尖峰過電壓和/或負尖峰過電壓。本發明不僅有效實現了周而復始的尖峰過電壓消除，而且具有功耗低、體積小、重量輕、成本低等優點。
文檔編號H02H9/04GK102005753SQ20101055329
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月22日 優先權日2010年11月22日
發明者宋安陽, 梁志珊, 邱銀鋒 申請人:中國石油大學(北京)