本發(fā)明涉及電機控制技術，尤其涉及一種變頻器和電機控制系統(tǒng)。

背景技術：

三相電動機運行性能好并可節(jié)省各種材料，按轉(zhuǎn)子結構的不同可分為籠式和繞線式兩種。籠式轉(zhuǎn)子的電動機結構簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應用，其主要缺點是調(diào)速困難。繞線式三相電動機的轉(zhuǎn)子和定子一樣也設置了三相繞組并通過滑環(huán)、電刷與外部變阻器連接。調(diào)節(jié)變阻器電阻可以改善電動機的起動性能和調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。

電動機的制動，就是給電動機一個與轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)矩使它迅速停轉(zhuǎn)，或限制其轉(zhuǎn)速。制動電機的方法一般有兩類：機械制動和電氣制動。機械制動是利用機械裝置使電動機斷開電源后迅速停轉(zhuǎn)，機械制動常用的方法有電磁抱閘和電磁離合器制動。電氣制動是使電動機產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機的轉(zhuǎn)速迅速下降。三相交流電動機常用的電氣制動方法有能耗制動、交流反接制動和回饋制動。能耗制動是電動機自行消耗減速過程中產(chǎn)生的電能。交流反接制動是當電動機斷電后，立即使其制動繞組中接入一直流電，于是在定子繞組產(chǎn)生一個靜止磁場，慣性轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子切割磁場感應電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩阻礙了轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生制動作用，使電動機迅速停止。

三相電動機的再生發(fā)電制動方法也被稱為回饋制動，主要應用于安裝多速電動機的大型起重機械中。當電動機處于運行狀態(tài)時，通過采用再生發(fā)電的制動方法，改變電動機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速，達到迫使電動機處于回饋制動狀態(tài)的效果。以再生發(fā)電制動方法在大型起重機械中的應用為例，當起重機上升到一定高度時，為了保證平穩(wěn)安全的下放重物，必須對電動機進行電氣制動。在發(fā)電 運行狀態(tài)下，電動機轉(zhuǎn)子的運動方式相對于旋轉(zhuǎn)磁場的切割磁感線發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變，從而保證轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩與電動運行的方向完全相反，電動機產(chǎn)生的電磁力矩將轉(zhuǎn)化為制動力矩，再對重物的下降速度進行有效控制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種變頻器和電機控制系統(tǒng)，以提高再生電能的利用率。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供一種變頻器，包括主回路和控制回路，所述主回路包括整流電路和逆變電路，所述整流電路和逆變電路之間通過直流母線連接，三相交流電經(jīng)所述整流電路轉(zhuǎn)換為直流電后，再經(jīng)所述逆變電路轉(zhuǎn)換為三相交流電后輸出給三相交流電動機，其中：

所述主回路還包括：可控開關部，所述可控開關部連接在所述直流母線的正向母線和負向母線之間，且通過所述可控開關部將所述直流母線輸出的由電動機減速而產(chǎn)生的直流電作為制動所述三相交流電動機時的直流電源，輸出到所述三相交流電動機的制動繞組；以及

所述控制回路在所述三相交流電動機的制動過程中，通過控制所述可控開關部的通斷，調(diào)整所述三相交流電動機制動所需的直流電。

上述變頻器中，所述的可控開關部可以為絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所述三相交流電動機的制動繞組的繞組正負極兩端中的一端通過所述絕緣柵雙極型晶體管IGBT對應連接至所述直流母線的正向母線和負向母線中極性相同的一方，另一端對應連接至所述直流母線的正向母線和負向母線中極性相同的另一方。

并且，所述的控制回路可以包括：驅(qū)動部以及控制部，其中：所述控制部通過所述驅(qū)動部控制所述IGBT的通斷。進一步所述的控制回路還包括：檢測部，所述檢測部檢測所述正向母線和負向母線之間的電壓，所述控制部基于所述檢測部的檢測結果控制所述可控開關部的通斷。

本發(fā)明實施例的第二個方面，提供一種電機控制系統(tǒng)，包括三相交流電動 機，以及上述的任何一種變頻器。

本發(fā)明實施例中提供的變頻器，將電動機減速中直流母線上產(chǎn)生的直流電作為制動所需要的直流電，供給到電動機中內(nèi)置的制動繞組中，并由變頻器的控制部控制制動過程，不再單獨設置制動單元，既有效利用了電動機減速中直流母線上產(chǎn)生的直流電，節(jié)約了能源，又可以簡化電路結構，降低電路成本和維護成本。本發(fā)明實施例可以用于任何一種電機控制系統(tǒng)中，尤其是大型機械起重設備中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中所述一種現(xiàn)有電機控制系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種變頻器的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種變頻器的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的一種變頻器的結構示意圖。

具體實施方式

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，降速的基本方法就是通過逐步降低給定頻率來實現(xiàn)。當拖動系統(tǒng)的慣性較大，電機的轉(zhuǎn)速的下降將跟不上電機同步轉(zhuǎn)速的下降，即電機的實際速度比其同步速度高，此時電機轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的方向和電機恒速運行時正好相反，轉(zhuǎn)子繞組的感應電動勢和電流的方向也都相反，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也就和電機旋轉(zhuǎn)方向相反，電動機將出現(xiàn)負轉(zhuǎn)矩，此時的電動機實際為發(fā)電機，系統(tǒng)處于再生制動狀態(tài)，將拖動系統(tǒng)的動能回饋到變頻器直流母線上，使直流母線之間的直流電不斷上升，影響變頻器的正常工作。

如圖1所示，為一個電機控制系統(tǒng)結構示意圖，其中包括作為負載的電動機IM，可以是任何電力拖動系統(tǒng)中的動力源，變頻器1根據(jù)上位機的控制指令控制電動機的運行。變頻器1為交直交變頻器，其結構如圖1所示，主要包括整流部11、逆變部12、檢測部13、驅(qū)動部14和控制部15，整流部11和逆 變部12屬于變頻器1的主回路，檢測部13、驅(qū)動部14和控制部15屬于變頻器1的控制回路，其中：整流部11將交流電源輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，逆變部12將整流部11輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樵O定頻率或電壓的交流電并輸出給外部負荷，整流部11和逆變部12之間通過直流母線連接，從逆變部12獲得交流電的外部負荷，通常是電力拖動系統(tǒng)中的三相電動機或者單相電機等，交流電源可以是電力系統(tǒng)的交流電網(wǎng)，也可以是交流發(fā)電機等。檢測部13，檢測整流部11輸出的直流電的電壓，并將檢測結果反饋到控制部15?？刂撇?5根據(jù)上位機的指令以及檢測部13的檢測結果，通過驅(qū)動部14控制逆變部12中各個絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的導通狀態(tài)，從而輸入預定電壓和/或頻率的交流電。

現(xiàn)有技術中的制動單元5主要用于控制機械負載比較重的、制動速度要求非常快的場合，將運行中的電動機從交流電源上切除并立即接通制動所需的直流電，制動單元一般分為兩種，一種是能耗制動單元，另一種是能量回饋單元，能耗制動單元將電機所產(chǎn)生的再生電通過制動電阻轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉，能量回饋單元可以將電動機制動過程中產(chǎn)生的再生電反饋回電網(wǎng)，通過自動檢測變頻器的直流母線電壓，將變頻器的直流母線上的直流電逆變成與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電壓，經(jīng)多重噪聲濾波環(huán)節(jié)后連接到電網(wǎng)，從而達到能量回饋電網(wǎng)的目的。根據(jù)功率大小，制動單元可以內(nèi)置在變頻器中，也可以外置。

從圖1可以看到，現(xiàn)有電動機減速過程中的產(chǎn)生的再生電，要么消耗掉，要么反饋回電網(wǎng)，而制動過程需要的直流電，需要通過制動單元單獨供給，制動單元中需要獨立設置整流回路和驅(qū)動回路，將交流電源供給的交流電整流為制動過程所需要的直流電，電路結構復雜度高，維護成本也大。

而本發(fā)明實施例中提供的變頻器，可以將電動機減速過程中回饋到直流母線的直流電作為制動所需要的直流電，供給到電動機的制動繞組中，制動繞組一般是兩相繞組。并由變頻器的控制部控制制動過程，不需要單獨設置制動單元，既有效利用了電動機減速過程中反饋的再生電，節(jié)約了能源，又可以簡化 電路結構，降低電路成本和維護成本。下面以具體實施例并結合附圖詳細說明本發(fā)明實施例提供的技術方案。

如圖2所示，為本發(fā)明實施例提供的變頻器2結構示意圖，包括主回路和控制回路，其中：

主回路包括：整流部21、逆變部22、檢測部23，以及可控開關部27；

控制回路包括：檢測部23、第一驅(qū)動部24、控制部25和第二驅(qū)動部26；

其中：整流部21將交流電源輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，逆變部22將整流部21輸出的直流電變換為設定頻率或電壓的交流電并輸出給外部負荷，控制部25通過第一驅(qū)動部24控制逆變部22，以輸出設定頻率或電壓的交流電。

本發(fā)明實施例中，整流部21和逆變部22之間通過直流母線連接，可控開關部27連接在直流母線的正向母線和負向母線之間，在電動機減速過程中，如果電機工作在發(fā)電狀態(tài)下，會通過逆變部22反饋回直流電，這時，將直流母線輸出的直流電作為三相交流電動機制動時的直流電源，并通過控制所述可控開關部的通斷，調(diào)整所述三相交流電動機制動所需的直流電。

根據(jù)本發(fā)明提供的上述實施例，可以不需要單獨設置制動單元，并且既有效利用了電動機減速過程中反饋的電能，又可以簡化電路結構。

如圖3所示，為本發(fā)明實施例提供的一個變頻器3的具體示例，其中，可控開關部可以是大功率IGBT，驅(qū)動IGBT_T的第二驅(qū)動部則為IGBT驅(qū)動電路36。IGBT_T的柵極g為控制端，連接到IGBT驅(qū)動電路36，IGBT_T的集電極C通過一個二極管連接至直流母線的正向母線，其中，IGBT_T的集電極C與二極管的陽極連接，直流母線的正向母線與二極管的陰極連接，IGBT_T的發(fā)射極e連接至直流母線的負向母線，三相交流電動機的制動繞組的正極連接至直流母線的正向母線，制動繞組的負極連接至IGBT_T的集電極C。

在電動機減速過程中，電動機再生的交流電通過逆變部22轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，這時直流母線之間具有一定的直流電壓。

當IGBT驅(qū)動電路36控制IGBT_T導通時，通過IGBT_T，制動繞組的負 極連接至直流母線的負向母線，由交流電動機減速而產(chǎn)生的直流電作為制動所需的直流電，經(jīng)直流母線輸出到交流電動機的制動繞組。

IGBT驅(qū)動電路36以給定的占空比控制大功率IGBT_T的導通時間，以調(diào)整交流電動機制動所需的直流電。

在圖3所示實施例中，控制部35可以根據(jù)預先給定的控制參數(shù)確定輸入IGBT驅(qū)動電路36的占空比，也可以根據(jù)檢測部的檢測結果和需要的直流電確定輸入IGBT驅(qū)動電路36的占空比，IGBT驅(qū)動電路36根據(jù)輸入的占空比根據(jù)輸出控制IGBT_T的通斷，使得制動繞組獲得制動所需的直流電。

再例如圖4所示，另一個實施例中，可控開關部包括IGBT和至少兩個電阻，以兩個電阻(R₁，R₂)為例，IGBT_T和兩個電阻(R₁，R₂)串聯(lián)，三相交流電動機的制動繞組的正負極兩端分別對應連接至其中一個電阻的兩端，例如圖4中R₁的兩端。也就是說，兩個電阻(R₁，R₂)形成分壓電路，其中任何一個電阻上的分壓都可以作為制動所需的直流電壓。

上述實施例中，如何具體實現(xiàn)IGBT驅(qū)動電路，以及如果計算所需的占空比，為本領域技術人員所熟知，這里不再詳細贅述。

本發(fā)明實施例中，交流異步電動機可以是同步電機也可以是非同步電機。非同步電機的例如誘導電動機(Induction Motor，IM)，而同步電動機例如永磁電動機(Permanent Magnetic Motor，PMM)。

本發(fā)明實施例提供的上述方案，可以用于如圖2或圖3所示的電機控制系統(tǒng)中，其中主要可以應用于安裝多速三相交流電動機的大型起重機械中，可以很好的利用再生能源，達到節(jié)約電能并簡化控制電路的目的。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領域內(nèi)的技術人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。