CN104467384A - 一种变频器尖峰电压吸收装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频器尖峰电压吸收装置、方法及系统。该吸收装置与该电机并联连接，该吸收装置包括：尖峰电压检测器、开关元件和电能热能转换器；该开关元件连接于该电机的电源输入端与该电能热能转换器之间；该尖峰电压检测器检测该电机的电源输入端的尖峰电压，当该尖峰电压超过检测阈值时，该尖峰电压检测器触发该开关元件导通，使得该电能热能转换器接收该电机的电源输入端的尖峰电压，转换为热能。本发明结构简单、成本低、安装便利，不会产生电压降，不影响电机的转矩，同时，可有效消除变频器对电机定子绕组的损伤，大幅吸收尖峰电压，转换为热量耗散掉。

Description

一种变频器尖峰电压吸收装置、方法及系统

技术领域

本发明涉及电机保护领域，特别是涉及一种变频器尖峰电压吸收装置、方法及系统。

背景技术

在现有技术中，很多场合需要对交流电机的转速进行调整。特别是近年来，对节能降耗的要求不断提高，用变频器控制风机、水泵、空压机等设备的情形十分普遍。

但是，由于变频器驱动电机的电压波形不是正弦波，而是PWM电压波形，这种波形会对电机的定子绕组和轴承产生严重的损伤。

变频器输出的PWM电压波形损伤电机定子绕组的原因是，PWM脉冲电压在电机端发生反射，入射波与反射波叠加，形成幅度超过PWM电压幅度2倍的尖峰电压，这种尖峰电压不断作用在电机定子绕组上，造成绕组的匝间绝缘击穿。

目前有一些技术可以解决这个问题，主要是在变频器的输出端安装正弦波滤波器或者du/dt滤波器。

正弦波滤波器的作用是将PWM电压波形整形成正弦波，这样就自然消除了在电机端产生的尖峰电压，起到保护电机的作用。

du/dt滤波器的作用类似于正弦波滤波器，但它不是把PWM电压波形完全整形成正弦波，而是延长脉冲的上升沿，从而减小尖峰电压。

上述这些解决方案的主要缺点是：

当功率较大时，滤波器的体积就会相应较大，成本较高。而正弦波滤波器由于存在较大的电压降，还会影响电机的转矩。

发明内容

本发明公开了一种变频器尖峰电压吸收装置、方法及系统，用于吸收尖峰电压，低价、有效的消除变频器对电机定子绕组的损伤。

本发明公开了一种变频器尖峰电压吸收装置，变频器与电机连接，该吸收装置与该电机并联连接，该吸收装置包括：

尖峰电压检测器、开关元件和电能热能转换器；

该开关元件连接于该电机的电源输入端与该电能热能转换器之间；

该尖峰电压检测器检测该电机的电源输入端的尖峰电压，当该尖峰电压超过检测阈值时，该尖峰电压检测器触发该开关元件导通，使得该电能热能转换器接收该电机的电源输入端的尖峰电压，转换为热能。

在该尖峰电压检测器与该电机的电源输入端之间设置有一高速脉冲缓冲单元，该高速脉冲缓冲单元用于暂存该尖峰电压。

该尖峰电压检测器为TVS二极管。该开关元件为IGBT晶体管。该电能热能转换器为电阻。一散热片设置在该电能热能转换器上，以用于散热。

该吸收装置连接至变频器与该电机之间的一连接点，该连接点与该吸收装置之间的电缆长度小于等于3米，该连接点距离该电机的接线端的距离小于等于8米。

该装置还包括温度检测装置，用于检测该电能热能转换器的温度，当温度超过预设阈值时，该温度检测装置触发该尖峰电压检测器提高该检测阈值。

本发明还公开了一种电机系统，包括：

变频器；电机，与该变频器连接；所述的变频器尖峰电压吸收装置。

本发明还公开了一种变频器尖峰电压吸收方法，包括：利用尖峰电压检测器检测该电机的电源输入端的尖峰电压，如果该尖峰电压超过检测阈值，由一电能热能转换器接收该电机的电源输入端的尖峰电压并将其转换为热能。

检测该电能热能转换器的温度，当温度超过预设阈值时，提高该检测阈值。

本发明的变频器尖峰电压吸收装置的结构简单、成本低、安装便利，不会产生电压降，不影响电机的转矩，维持其正常工作。同时，本发明的变频器尖峰电压吸收装置可有效消除变频器对电机定子绕组的损伤，大幅吸收尖峰电压，转换为热量耗散掉。

附图说明

图1所示为本发明的电机系统的结构示意图；

图2所示为本发明的吸收装置的结构示意图；

图3所示为本发明的又一实施例的吸收装置的结构示意图；

图4所示为本发明的又一实施例的吸收装置的结构示意图；

图5所示为该工作状态显示装置的显示原理示意图；

图6所示为本发明的一种变频器尖峰电压吸收方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图以及实施例介绍本发明的具体实施方式。

为了有效的消除变频器产生的尖峰电压对电机定子绕组的损伤，本发明提出一种用于吸收该尖峰电压的变频器尖峰电压吸收器（Surge VoltageAbsorber，SVA）。

如图1所示为本发明的电机系统100的结构示意图。电机系统100包括变频器10、电机20以及变频器尖峰电压吸收装置30（以下简称吸收装置）。该吸收装置30与该电机20并联连接。该电机20为交流电机。吸收装置30检测电机20电源输入端的尖峰电压，当吸收装置30检测到该尖峰电压超过一预先设定的检测阈值时，吸收装置30自动产生一个很低的阻抗，将尖峰电压的能量吸收掉，并将电能转换成热能耗散掉。

如图2所示为本发明的吸收装置30的结构示意图。该吸收装置30包括：尖峰电压检测器31、开关元件32和电能热能转换器33。该开关元件32连接于该电机的电源输入端与该电能热能转换器33之间。该尖峰电压检测器31连接该电机20的电源输入端。该尖峰电压检测器31检测该电机20的电源输入端的尖峰电压，当该尖峰电压超过该尖峰电压检测器31中预设的检测阈值时，该尖峰电压检测器31触发该开关元件32导通，使得该电能热能转换器33接收该电机的电源输入端的尖峰电压，将其转换为热能。

具体来说，该尖峰电压检测器31可以选用TVS二极管来实现。开关元件32可以采用IGBT晶体管来实现。使用电阻作为该电能热能转换器33。该尖峰电压检测器31与该开关元件32连接。

当尖峰电压未超过该TVS二极管的检测阈值时，该TVS二极管保持截止，具有较高的阻抗，没有电流流过，不会产生压降，也就不会影响变频器的正常运作。IGBT晶体管也保持截止，具有很高的阻抗，不会影响电路的正常工作。

当尖峰电压超过该TVS二极管的检测阈值时，该TVS二极管导通，则此时流过该TVS二极管的采样电阻的电流将大幅增加，则该TVS二极管的采样电阻上的电压也会大幅增加。由于该TVS二极管与IGBT晶体管连接，该TVS二极管的输出端可以与IGBT晶体管的栅极端连接，从而使得IGBT晶体管的栅极端接收到高电压，触发该IGBT晶体管导通。当该IGBT晶体管导通时，其自身阻抗很小。导通的TVS二极管和IGBT晶体管使得电能流入该电阻，通过电阻发出热量，以顺利的释放该尖峰电压的能量至空间中，实现对尖峰电压的吸收。

具体来说，本发明的变频器为低压变频器，其输入电压可选用380V、690V、1080V。以380V为例，当TVS管截止时，选用的TVS管反向泄漏电流为小于5μA，计算出阻抗值为380V/5μA＝76MΩ，阻抗值较大，不会影响变频器的正常运作。当TVS管导通时，不同电压规格的TVS管导通电流不同。本发明中对TVS管导通状态电流进行限流，TVS导通时最大电流小于10ｍA。因此，不论在截止和导通时，TVS二极管对变频器工作的影响都可以忽略不计。

在低压变频器的输入电压分别选用380V、690V、1080V时，该电能热能转换器33的电阻值可分别选用100Ω、200Ω、300Ω。

该电能热能转换器33的该电阻可以选用铝壳电阻，更进一步的，还可将一散热片设置在该电能热能转换器上，通过该散热片耗散该电阻所产生的热量。

另外，由于吸收装置30对尖峰电压的吸收需要依次导通TVS二极管、IGBT晶体管，故而吸收装置30的运作需要一定的响应时间。而对于上升沿很短的尖峰电压，其形式为高速脉冲，其周期远低于吸收装置30的响应时间。为了对上升沿很短的尖峰电压具有良好的抑制效果，在本发明的另一实施例中，在尖峰电压检测器的前端安装一个高速脉冲缓冲单元，将高速脉冲的尖峰电压的能量暂时缓存起来，待吸收装置30开始工作后，再泄放掉暂存的能量，其结构示意图如图3所示，在该尖峰电压检测器与该电机的电源输入端之间设置有高速脉冲缓冲单元34。

该高速脉冲缓冲单元34可有由1个5μF和3个0.01μF电容组成，用于暂存变频器驱动电机的尖峰电压。

在该尖峰电压检测器31与该电机的电源输入端之间还可设置有工作状态显示装置，以提示用户当前的吸收装置30的运行状态，后续详细说明。

另外，参阅图1所示，在安装该吸收装置30时，该吸收装置30连接至变频器10与该电机20之间的一连接点A，该连接点A与该吸收装置30之间的电缆长度AC需小于等于3米，长于3米会影响尖峰电压吸收的效果，该连接点A距离该电机的接线端B的距离AB需小于等于8米，长于8米会在接线端产生新的尖峰电压。另外，变频器与电机之间的驱动电缆对尖峰电压也有影响。例如，当变频器的输入电压为380V时，如果变频器与电机之间的驱动电缆长度超过30米，该尖峰电压可能升至1200V以上。

如图4所示为本发明的另一实施例的吸收装置的结构示意图。

该吸收装置30还包括温度检测装置35，用于检测该电能热能转换器33的温度，当温度超过一预设阈值时，该温度检测装置触发该尖峰电压检测器提高该检测阈值。

具体而言，温度检测装置35可紧贴该电能热能转换器33设置，以测量该电能热能转换器33的温度。以变频器的输入电压为380V为例，尖峰电压检测器的检测阈值预设为700V，当吸收装置30开始运行时，电机端高于700V的尖峰电压几乎全部被吸收。

温度检测装置35随时监控电能热能转换器33的温度，如果发现该温度高于60℃，温度检测装置35向尖峰电压检测器31发出调整信号，尖峰电压检测器在收到调整信号后，将检测阈值提高一个预定值，例如将检测阈值自动升至750V，以减少吸收的能量。这一过程也可以通过以下方式实现，尖峰电压检测器31包括多个并联的检测阈值不同的TVS二极管，然而同一时间仅保证一个TVS二极管连接于电机的电源输入端以及开关元件32之间。当尖峰电压检测器31收到调整信号后，断开检测阈值为700V的TVS二极管与电路其他部分的电性连接，转而建立检测阈值为750V的TVS二极管与电机的电源输入端以及开关元件32的电性连接。提高检测阈值的其他实现方式也在本发明的范围内。当检测阈值自动升至750V后，电机端高于750V的尖峰电压几乎全部被吸收，即，700-750V之间的尖峰电压不被吸收，减少了吸收的能量。而温度检测装置35仍继续监控电能热能转换器33的温度，如果发现该温度高于70℃，温度检测装置35向尖峰电压检测器31发出调整信号，尖峰电压检测器将检测阈值自动升至800V，此时，电机端高于800V的尖峰电压几乎全部被吸收。

在更为具体的实施例中，本发明的吸收装置还设有工作状态显示装置，如图5所示为该工作状态显示装置的显示原理示意图。

该工作状态显示装置包括加电工作灯、尖峰吸收灯、壳体高温灯和满载运行灯。吸收装置30还具有金属壳体，该工作状态显示装置就设置在金属壳体的面板上。

温度检测装置35可以是温度传感器，特别是为了分别检测60℃和70℃，可利用分压器，分别连接两个温度传感器，以分别检测60℃和70℃。

当吸收装置30通电开始工作时，加电工作灯点亮，以提示用户吸收装置已经开始工作。当尖峰电压检测器检测到该电机的电源输入端存在尖峰电压（700V），并通过电阻吸收掉其能量时，尖峰吸收灯点亮，以提示用户吸收装置正常运作，已经吸收掉部分尖峰电压。温度传感器检测到电能热能转换器的温度已经达到60℃时，壳体高温灯点亮，以提示用户吸收装置30已将大量尖峰电压转换成热能，壳体的温度较高，避免接触壳体以免造成灼伤，同时提示用户该检测阈值已升至750V。温度传感器检测到电能热能转换器的温度已经达到70℃时，满载运行灯点亮，以提示用户吸收装置30的能量吸收能力已经全部发挥，该检测阈值已升至800V，最好降低变频器的载波频率，或者改善尖峰电压吸收器的散热条件。

如此，用户可根据吸收装置30的工作状态显示装置，了解吸收装置30的当前状态，以采取对应的调整或安全防护。

如图6所示为依据以上实施例，本发明所公开的一种变频器尖峰电压吸收方法的流程图。

步骤1，利用尖峰电压检测器检测该电机的电源输入端的尖峰电压；

步骤2，判断是否超过检测阈值，如果否，执行步骤1，如果是，执行步骤3；

步骤3，由一电能热能转换器接收该电机的电源输入端的尖峰电压并将其转换为热能。

该方法还包括：随时检测该电能热能转换器的温度，当温度超过预设阈值时，提高该检测阈值。

本发明的变频器尖峰电压吸收装置的结构简单、成本低、安装便利，不会产生电压降，不影响电机的转矩，维持其正常工作。同时，本发明的变频器尖峰电压吸收装置可有效消除变频器对电机定子绕组的损伤，大幅吸收尖峰电压，转换为热量耗散掉。

Claims (11)

1.一种变频器尖峰电压吸收装置，变频器与电机连接，其特征在于，该吸收装置与该电机并联连接，该吸收装置包括：

尖峰电压检测器、开关元件和电能热能转换器；

该开关元件连接于该电机的电源输入端与该电能热能转换器之间；

该尖峰电压检测器检测该电机的电源输入端的尖峰电压，当该尖峰电压超过检测阈值时，该尖峰电压检测器触发该开关元件导通，使得该电能热能转换器接收该电机的电源输入端的尖峰电压，转换为热能。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在该尖峰电压检测器与该电机的电源输入端之间设置有一高速脉冲缓冲单元，该高速脉冲缓冲单元用于暂存该尖峰电压。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该尖峰电压检测器为TVS二极管。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该开关元件为IGBT晶体管。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该电能热能转换器为电阻。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，一散热片设置在该电能热能转换器上，以用于散热。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该吸收装置连接至变频器与该电机之间的一连接点，该连接点与该吸收装置之间的电缆长度小于等于3米，该连接点距离该电机的接线端的距离小于等于8米。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括温度检测装置，用于检测该电能热能转换器的温度，当温度超过预设阈值时，该温度检测装置触发该尖峰电压检测器提高该检测阈值。

9.一种电机系统，其特征在于，包括：

变频器；

电机，与该变频器连接；

如权利要求1-8中任一所述的变频器尖峰电压吸收装置。

10.一种变频器尖峰电压吸收方法，其特征在于，包括：

利用尖峰电压检测器检测该电机的电源输入端的尖峰电压，如果该尖峰电压超过检测阈值，由一电能热能转换器接收该电机的电源输入端的尖峰电压并将其转换为热能。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：

检测该电能热能转换器的温度，当温度超过预设阈值时，提高该检测阈值。