電壓源型變頻器的預(yù)充電裝置和電壓源型變頻器的制作方法

本實(shí)用新型涉及變頻控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及電壓源型變頻器的預(yù)充電裝置和電壓源型變頻器。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器(Variable-frequency Drive，VFD)得到了非常廣泛的應(yīng)用。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流(交流變直流)單元、濾波單元、逆變(直流變交流)單元、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元、微處理單元等組成。

電壓源型變頻器是一種將電壓源的直流輸出變換為交流輸出的變頻器，其中通常采用濾波電容充當(dāng)直流回路的濾波元件。在電壓源型變頻器的上電瞬間，在變頻器內(nèi)的變壓器輸入端與濾波電容之間存在巨大的電壓差，從而引起涌流。涌流可能損壞變頻器中的二極管及熔絲。

在現(xiàn)有技術(shù)中，為了防止涌流對變頻器中的二極管及熔絲造成危害，通常選用裕量較大的二極管及熔絲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型實(shí)施方式提出電壓源型變頻器的預(yù)充電裝置和電壓源型變頻器。

本實(shí)用新型實(shí)施方式的技術(shù)方案如下：

電壓源型變頻器的預(yù)充電裝置，所述電壓源型變頻器包含一變壓器，所述預(yù)充電裝置包括：

一預(yù)充電模塊，所述預(yù)充電模塊的一輸出端與所述變壓器的一預(yù)充電輔助繞組連接，用于逐漸升高所述輸出端的一輸出電壓；

一電源，與所述預(yù)充電模塊的一輸入端連接。

在一個(gè)實(shí)施方式中，所述預(yù)充電模塊包括：

一預(yù)充電電阻；

一預(yù)充電電容，與所述預(yù)充電電阻串聯(lián)；

一開關(guān)，與所述預(yù)充電電阻并聯(lián)。

在一個(gè)實(shí)施方式中，所述預(yù)充電模塊包括下列中的至少一個(gè)：一三相晶閘管；一三相調(diào)壓器；一預(yù)充電變壓器。

在一個(gè)實(shí)施方式中，還包括：

一斷路器，串聯(lián)在所述預(yù)充電模塊與所述電源之間。

在一個(gè)實(shí)施方式中，所述預(yù)充電輔助繞組的接法采用三角形接法或星形接法。

在一個(gè)實(shí)施方式中，所述電壓源型變頻器還包括一功率單元，所述功率單元與所述變壓器的一二次繞組連接；其中：

所述預(yù)充電輔助繞組與所述二次繞組之間的變比小于1。

電壓源型變頻器，包括：

一變壓器；

一預(yù)充電輔助繞組，布置在所述變壓器的一二次側(cè)；

一預(yù)充電模塊，所述預(yù)充電模塊的一輸出端與所述預(yù)充電輔助繞組連接，用于逐漸升高所述輸出端的一輸出電壓；

一電源，與所述預(yù)充電模塊的一輸入端連接。

在一個(gè)實(shí)施方式中，所述預(yù)充電模塊包括：

一預(yù)充電電阻；

一預(yù)充電電容，與所述預(yù)充電電阻串聯(lián)；

一開關(guān)，與所述預(yù)充電電阻并聯(lián)。

在一個(gè)實(shí)施方式中，還包括：

一斷路器，串聯(lián)在所述預(yù)充電模塊的所述輸入端與所述電源之間。

在一個(gè)實(shí)施方式中，還包括一功率單元，所述功率單元與所述變壓器的一二次繞組連接；

所述預(yù)充電輔助繞組與所述二次繞組之間的變比小于1。

從上述技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型實(shí)施方式提出的預(yù)充電裝置包括：預(yù)充電模塊，該預(yù)充電模塊的輸出端與變壓器的二次繞組連接，用于逐漸升高輸出端的輸出電壓；電源，與預(yù)充電模塊的輸入端連接。本實(shí)用新型實(shí)施方式通過預(yù)充電方式克服涌流問題，無需采用裕量較大的二極管及熔絲，可以降低成本。

另外，本實(shí)用新型實(shí)施方式可以通過多種方式具體實(shí)施預(yù)充電模塊，靈活度高。

附圖說明

圖1為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式的電壓源型變頻器的預(yù)充電裝置的示范性結(jié)構(gòu)圖。

圖2為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式的電壓源型變頻器的預(yù)充電結(jié)構(gòu)的第一示范性結(jié)構(gòu)圖。

圖3為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式的電壓源型變頻器的預(yù)充電結(jié)構(gòu)的第二示范性結(jié)構(gòu)圖。

圖4為圖2和圖3中的功率單元30的示范性結(jié)構(gòu)圖。

其中，附圖標(biāo)記如下：

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施方式，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施方式僅僅用以闡述性說明本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

為了描述上的簡潔和直觀，下文通過描述若干代表性的實(shí)施方式來對本實(shí)用新型的方案進(jìn)行闡述。實(shí)施方式中大量的細(xì)節(jié)僅用于幫助理解本實(shí)用新型的方案。但是很明顯，本實(shí)用新型的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)時(shí)可以不局限于這些細(xì)節(jié)。為了避免不必要地模糊了本實(shí)用新型的方案，一些實(shí)施方式?jīng)]有進(jìn)行細(xì)致地描述，而是僅給出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根據(jù)……”是指“至少根據(jù)……，但不限于僅根據(jù)……”。由于漢語的語言習(xí)慣，下文中沒有特別指出一個(gè)成分的數(shù)量時(shí)，意味著該成分可以是一個(gè)也可以是多個(gè)，或可理解為至少一個(gè)。

電壓源型變頻器通常包含變壓器及復(fù)數(shù)個(gè)功率單元。變壓器包含一次繞組和復(fù)數(shù)個(gè)二次繞組。一次繞組連接高壓電源，復(fù)數(shù)個(gè)二次繞組對應(yīng)連接復(fù)數(shù)個(gè)功率單元。功率單元通常包括整流橋電路、濾波電容及逆變電路，而且在功率單元的前端通常連接有熔絲。

在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)電壓源型變頻器上電時(shí)，由于功率單元中存在濾波電容，電壓源型變頻器可能產(chǎn)生涌流，導(dǎo)致熔絲及整流橋電路中的二極管發(fā)生損壞。

在本實(shí)用新型實(shí)施方式中，為電壓源型變頻器提供了一種預(yù)充電裝置。在電壓源型變頻器上電之前，預(yù)先利用預(yù)充電裝置為功率單元中的濾波電容預(yù)充電，從而克服電壓源型變頻器上電時(shí)的涌流問題，而且還可以避免對大裕量二極管及大裕量熔絲的使用需求。

圖1為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式電壓源型變頻器的預(yù)充電裝置的示范性結(jié)構(gòu)圖。電壓源型變頻器20包含變壓器21。變壓器21的一次繞組連接三相高壓電源，二次繞組通常為復(fù)數(shù)個(gè)繞組(比如，大于等于2組)。而且，在二次繞組上分別連接有復(fù)數(shù)個(gè)包含濾波電容的功率單元。

預(yù)充電裝置10包括：

預(yù)充電模塊11，該預(yù)充電模塊11的輸出端與變壓器21的預(yù)充電輔助繞組連接，用于逐漸升高輸出端的輸出電壓；

電源12，與預(yù)充電模塊11的輸入端連接。

在電壓源型變頻器20上電之前，利用預(yù)充電裝置10輸出逐漸升高的輸出電壓，可以為變壓器21的功率單元中的濾波電容預(yù)充電，從而防止電壓源型變頻器20后續(xù)上電時(shí)產(chǎn)生巨大的涌流。其中，預(yù)充電輔助繞組，既可以是變壓器21中的已有二次繞組，還可以是為預(yù)充電而額外在變壓器21中布置的新增二次繞組。

具體地，在電壓源型變頻器20需要工作時(shí)，首先切斷三相高壓電源與電壓源型變頻器20中變壓器21的一次繞組之間的電連接，一次繞組沒有輸入電壓。而且，預(yù)充電裝置10中的電源12開始為預(yù)充電模塊11提供電功率。預(yù)充電模塊11的輸出電壓從極低值(比如，零)開始平穩(wěn)上升。相應(yīng)地，與預(yù)充電模塊11的輸出端連接的預(yù)充電輔助繞組上的電壓平穩(wěn)上升?；陔姶鸥袘?yīng)，與功率單元連接的二次繞組上的感應(yīng)電壓也平穩(wěn)上升，而且變壓器21的一次繞組上的感應(yīng)電壓也平穩(wěn)上升。隨著與功率單元連接的二次繞組上的感應(yīng)電壓逐漸上升，功率單元的輸入電流逐漸上升。功率單元的輸入電流上升平穩(wěn)，并不是瞬間突變，因此功率單元中的濾波電容被平穩(wěn)充電，而不會產(chǎn)生巨大的涌流。

當(dāng)功率單元的電壓上升到額定電壓之后，斷開預(yù)充電裝置10，并且接通三相高壓電源與變壓器21的一次繞組之間的電連接。此時(shí)，電壓源型變頻器20開始上電，由于變壓器21的一次繞組上的電壓已經(jīng)升高，而且功率單元中的濾波電容已被充電，因此上電時(shí)不會產(chǎn)生巨大的涌流。

可見，本實(shí)用新型實(shí)施方式在電壓源型變頻器20上電之前，通過預(yù)充電裝置10預(yù)先為功率單元中的濾波電容充電，可以克服涌流問題，并且避免采用昂貴的、大裕量的二極管及熔絲，因此降低了成本。

在一個(gè)實(shí)施方式中，預(yù)充電模塊11包括下列中的至少一個(gè)：三相晶閘管；三相調(diào)壓器；預(yù)充電變壓器，等等。

可見，本實(shí)用新型實(shí)施方式可以通過多種電子元件具體實(shí)施預(yù)充電模塊11，配置方式靈活。

在一個(gè)實(shí)施方式中，預(yù)充電模塊11包括：預(yù)充電電阻；預(yù)充電電容，與預(yù)充電電阻串聯(lián)；開關(guān)，與預(yù)充電電阻并聯(lián)。

可見，本實(shí)用新型實(shí)施方式可以通過包含預(yù)充電電阻和預(yù)充電電容的振蕩回路實(shí)現(xiàn)預(yù)充電模塊11，還可以利用開關(guān)的旁路功能防止振蕩回路的涌流。

以上詳細(xì)羅列了預(yù)充電模塊11的具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以意識到，這種描述僅是示范性的，并不用于限定本實(shí)用新型實(shí)施方式的保護(hù)范圍。實(shí)際上，預(yù)充電模塊11可以實(shí)施為任意具有電壓調(diào)節(jié)功能的單獨(dú)電子元件或多個(gè)電子元件之組合，本實(shí)用新型實(shí)施方式對此并無限定。

在一個(gè)實(shí)施方式中，預(yù)充電裝置10還包括：

斷路器，串聯(lián)在預(yù)充電模塊11的輸入端與電源12之間。在預(yù)充電階段，斷路器閉合，預(yù)充電模塊11向與其連接的預(yù)充電輔助繞組輸出電壓。在預(yù)充電結(jié)束之后，斷路器斷開，預(yù)充電模塊11停止向與其連接的預(yù)充電輔助繞組輸出電壓。

因此，本實(shí)用新型實(shí)施方式采用斷路器的閉合或斷開功能，可以開啟預(yù)充電過程或關(guān)閉預(yù)充電過程。

在一個(gè)實(shí)施方式中，預(yù)充電輔助繞組的接法包括三角形接法或星形接法。

在一個(gè)實(shí)施方式中，預(yù)充電模塊11的輸出端連接的預(yù)充電輔助繞組與功率單元連接的二次繞組之間的變比小于1。

當(dāng)預(yù)充電模塊11的輸出端連接的預(yù)充電輔助繞組與功率單元連接的二次繞組之間的變比小于1時(shí)，預(yù)充電模塊11的輸出端可以利用較低的輸出電壓，在功率單元的輸入端感應(yīng)出較高的感應(yīng)電壓。優(yōu)選地，電源12具體實(shí)施為三相低壓電源。

在一個(gè)實(shí)施方式中，可以將預(yù)充電裝置10集成到電壓源型變頻器20中，從而構(gòu)成一種具有預(yù)充電功能的電壓源型變頻器。該具有預(yù)充電功能的電壓源型變頻器，具體包括：變壓器；預(yù)充電輔助繞組，布置在變壓器的二次側(cè)；預(yù)充電模塊，該預(yù)充電模塊的輸出端與預(yù)充電輔助繞組連接，用于逐漸升高輸出端的輸出電壓；電源，與預(yù)充電模塊的輸入端連接。

下面結(jié)合具體實(shí)例，對本實(shí)用新型實(shí)施方式的示范性結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖2為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式電壓源型變頻器的預(yù)充電結(jié)構(gòu)的第一示范性結(jié)構(gòu)圖。

如圖2所示，電壓源型變頻器的變壓器21包含一次繞組2和復(fù)數(shù)個(gè)二次繞組6，變壓器21還包含預(yù)充電輔助繞組3。預(yù)充電輔助繞組3設(shè)置在變壓器21的二次側(cè)，其與二次繞組6的變比小于1：1(示范性地，可以為1：2)。一次繞組2的接法為星形接法，二次繞組6的接法為三角形接法，預(yù)充電輔助繞組3的接法為三角形接法。

復(fù)數(shù)個(gè)二次繞組6分別連接到復(fù)數(shù)個(gè)包含濾波電容的功率單元30。一次繞組2與三相高壓電源9連接，在一次繞組2與三相高壓電源9之間串接有開關(guān)8。

三相晶閘管4串接在預(yù)充電輔助繞組3與三相低壓電源5之間，其輸入端連接三相低壓電源5，輸出 端連接至變壓器21的預(yù)充電輔助繞組3。而且，在三相晶閘管4與三相低壓電源5之間串接有斷路器7。三相晶閘管4為圖1中預(yù)充電模塊11的具體實(shí)施方式，三相低壓電源5為圖1中電源12的具體實(shí)施方式。

圖4為圖2中的功率單元30的示范性結(jié)構(gòu)圖。

如圖4所示，功率單元30包括整流橋電路31、濾波電容32及逆變電路33。整流橋電路31的三個(gè)輸入端子與二次繞組6的三相端子分別連接。在現(xiàn)有技術(shù)的上電瞬間，由于功率單元30中存在濾波電容32，功率單元30可能會產(chǎn)生涌流，導(dǎo)致整流橋電路31中的二極管和熔絲發(fā)生損壞。

在本實(shí)用新型實(shí)施方式中，當(dāng)電壓源型變頻器需要上電時(shí)，先通過三相晶閘管4給各個(gè)功率單元30中的濾波電容32預(yù)充電。

具體地，預(yù)充電過程包括：

在電壓源型變頻器需要工作時(shí)，開關(guān)8首先斷開，切斷三相高壓電源9與電壓源型變頻器的變壓器21的一次繞組2之間的電連接，一次繞組2沒有輸入電壓。而且，閉合斷路器7，三相低壓電源5開始為晶閘管4供電，使能晶閘管4在接近180度時(shí)導(dǎo)通(比如，170度)，此時(shí)晶閘管4的輸出電壓很低，施加到預(yù)充電輔助繞組3上的電壓也很低。因此，變壓器21的一次繞組2和二次繞組6上的感應(yīng)電壓都很低，與二次繞組6連接的功率單元30的輸入電壓也很低。

然后，在晶閘管4的每個(gè)電壓周期中逐步增加晶閘管4的導(dǎo)通角度，直至導(dǎo)通角度接近0度。晶閘管4施加到預(yù)充電輔助繞組3的輸出電壓逐漸增加。相應(yīng)地，一次繞組2和二次繞組6上的感應(yīng)電壓逐漸增加，與二次繞組6連接的功率單元30的輸入電壓逐漸增加，功率單元30的輸入電流逐漸上升。在這過程中，功率單元30的輸入電流上升平穩(wěn)，并不是瞬間突變，因此功率單元30中的濾波電容32被平穩(wěn)充電，而不會產(chǎn)生巨大的涌流。

當(dāng)晶閘管4的輸出電壓接近三相低壓電源5的輸出電壓時(shí)，斷路器7斷開，晶閘管4停止工作，完成對功率單元30的預(yù)充電。

在完成對功率單元30的預(yù)充電后，開關(guān)8閉合(斷路器7保持?jǐn)嚅_)，接通三相高壓電源9與變壓器21的一次繞組2之間的電連接。三相高壓電源9為一次繞組2提供電功率，一次繞組2具有較高的輸入電壓。由于一次繞組2上的電壓在預(yù)充電過程中已經(jīng)升高，而且功率單元30中的濾波電容32已被充電，因此上電瞬間(即開關(guān)8閉合瞬間)不會產(chǎn)生巨大的涌流，從而保護(hù)了功率單元30中的二極管和熔絲不被損壞。

另外，當(dāng)三相低壓電源5的輸出電壓滿足需求時(shí)，還可以省略預(yù)充電輔助繞組3，利用與三相低壓電源5連接的三相晶閘管4依次為復(fù)數(shù)個(gè)功率單元30直接預(yù)充電。

在上述實(shí)例中，以晶閘管4為實(shí)例描述了預(yù)充電模塊的具體實(shí)施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以意識到，可以采用任意具有電壓調(diào)節(jié)功能的單個(gè)電子元件或多個(gè)電子元件之組合替代晶閘管4，本實(shí)用新型實(shí)施方式對此并無限定。

圖3為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施方式電壓源型變頻器的預(yù)充電結(jié)構(gòu)的第二示范性結(jié)構(gòu)圖。

如圖3所示，電壓源型變頻器的變壓器21包含一次繞組2和復(fù)數(shù)個(gè)二次繞組6，還包含預(yù)充電輔助繞組3。預(yù)充電輔助繞組3設(shè)置在變壓器21的二次側(cè)，其與二次繞組6的變比小于1：1(示范性地，可以為1：2)。一次繞組2的接法為星形接法，二次繞組6的接法為三角形接法，預(yù)充電輔助繞組3的接法為三角形接法。

復(fù)數(shù)個(gè)二次繞組6分別連接到復(fù)數(shù)個(gè)包含濾波電容的功率單元30。一次繞組2與三相高壓電源9連接，而且在一次繞組2與三相高壓電源9之間串接有開關(guān)8。

預(yù)充電電容13和預(yù)充電電阻14串接在預(yù)充電輔助繞組3與三相低壓電源5之間，而且開關(guān)15與預(yù)充電電阻14并聯(lián)。在預(yù)充電電阻14與三相低壓電源5之間串接有斷路器7。預(yù)充電電容13、預(yù)充電電阻14和開關(guān)15共同構(gòu)成圖1中預(yù)充電模塊11的具體實(shí)施方式。三相低壓電源5為圖1中電源12的具體實(shí)施方式。

圖4為圖3中的功率單元30的示范性結(jié)構(gòu)圖。如圖4所示，功率單元30包括整流橋電路31、濾波電容32及逆變電路33。整流橋電路31的三個(gè)輸入端子分別連接二次繞組6的三相端子。在現(xiàn)有技術(shù)的上電瞬間，由于功率單元30中存在濾波電容32，功率單元30可能會產(chǎn)生涌流，導(dǎo)致整流橋電路31中的二極管和熔絲發(fā)生損壞。

在本實(shí)用新型實(shí)施方式中，當(dāng)電壓源型變頻器需要上電時(shí)，先通過預(yù)充電電容13、預(yù)充電電阻14和開關(guān)15給各個(gè)功率單元30中的濾波電容32預(yù)充電。

具體地，預(yù)充電過程包括：

在電壓源型變頻器需要工作時(shí)，開關(guān)8首先斷開，切斷三相高壓電源9與變壓器21的一次繞組2之間的電連接，一次繞組2沒有輸入電壓。而且，閉合斷路器7，三相低壓電源5開始為預(yù)充電電容13供電。由于存在預(yù)充電電阻14，在斷路器7閉合瞬間不會產(chǎn)生較大的沖擊電流。

接著，在斷路器7閉合后的2至3個(gè)電壓周期后閉合開關(guān)15，此時(shí)預(yù)充電電阻14被旁路。預(yù)充電電阻14與預(yù)充電電容13構(gòu)成振蕩回路，施加到預(yù)充電輔助繞組3上的電壓逐漸增加。由于預(yù)充電輔助繞組3上的電壓是逐漸增加，因此變壓器21的一次繞組2和二次繞組6上的感應(yīng)電壓也是逐漸增加，與二次繞組6連接的功率單元30的輸入電壓也是逐漸增加，功率單元30的輸入電流逐漸上升。由于功率單元30的輸入電流上升平穩(wěn)，并不是瞬間突變，因此功率單元30中的濾波電容32被平穩(wěn)充電，而不會產(chǎn)生巨大的涌流。

當(dāng)預(yù)充電輔助繞組3的電壓接近三相低壓電源5的輸出電壓時(shí)，斷路器7斷開，完成對各個(gè)功率單元30的預(yù)充電。

當(dāng)完成對各個(gè)功率單元30的預(yù)充電后，開關(guān)8閉合(斷路器7保持?jǐn)嚅_)，接通三相高壓電源9與變壓器21的一次繞組2之間的電連接。三相高壓電源9開始為一次繞組2提供電功率，一次繞組2具有較 高的輸入電壓，由于一次繞組2上的電壓在預(yù)充電過程中已經(jīng)升高，而且各個(gè)功率單元30中的濾波電容已被充電，因此上電瞬間(即開關(guān)8閉合瞬間)不會產(chǎn)生巨大的涌流，從而保護(hù)了各個(gè)功率單元30中的二極管和熔絲不被損壞。而且，由于預(yù)充電電阻14只是用于限制斷路器7閉合瞬間的涌流，因此預(yù)充電電阻14的電阻值可以較小，耗能也較少。

另外，當(dāng)三相低壓電源5的輸出電壓滿足需求時(shí)，還可以省略預(yù)充電輔助繞組3，利用與三相低壓電源5連接的振蕩回路依次為復(fù)數(shù)個(gè)功率單元30直接預(yù)充電。

圖4示范性描述了圖2和圖3中的功率單元30的示范性結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以意識到，這種描述僅是示范性的。實(shí)際上，功率單元30還可以具體其它的具體結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型實(shí)施方式對此并無限定。

從上述技術(shù)方案可以看出，電壓源型變頻器包含變壓器，預(yù)充電裝置包括：預(yù)充電模塊，該預(yù)充電模塊的輸出端與變壓器的預(yù)充電輔助繞組連接，用于逐漸升高輸出端的輸出電壓；電源，與預(yù)充電模塊的輸入端連接。本實(shí)用新型實(shí)施方式通過預(yù)充電方式克服涌流問題，無需采用裕量較大的二極管及熔絲，可以降低成本。

另外，本實(shí)用新型實(shí)施方式可以通過多種方式具體實(shí)施預(yù)充電模塊，靈活度高。

以上所述，僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式而已，并非用于限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。