具有保護裝置的變頻器、變頻器應用系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有保護裝置的變頻器，包括主控及保護單元，驅動單元，檢測和整流單元，所述的主控及保護單元與驅動單元，檢測和整流單元進行連接。一種變頻器應用系統，包括主機和至少一臺從機；所述的主機和從機包括主控及保護單元，驅動單元，檢測和整流單元，所述的主控及保護單元與驅動單元，檢測和整流單元進行連接；所述的主機與從機通過通信接口進行連接。本實用新型的優點是：第一，具有高速保護電力管的功能，當出現串接的電力管因干擾同時導通而短路或負載突然短路時，保護電路70ns時間之內完成保護措施；第二，可多機聯網時用，當外部傳感器接入其中任何一臺時該機自動成為主機其余自動成為從機，而且變頻器工作頻率相同。
【專利說明】具有保護裝置的變頻器、變頻器應用系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種具有保護裝置的變頻器，尤其地，還涉及一種變頻器應用系統。
【背景技術】
[0002]變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。一般包括:整流單元、高容量電容、逆變器和控制器；整流單元:將工作頻率固定的交流電轉換為直流電；高容量電容:存儲轉換后的電能；逆變器:由大功率開關晶體管陣列組成電子開關，將直流電轉化成不同頻率、寬度、幅度的方波；控制器:按設定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅動交流電動機。
[0003]目前變頻器技術的使用越來越普及，尤其工業設備的速度控制，如水壓或風壓能夠做到比較精確的控制，并帶來了較大的節能效果，但變頻器發生故障幾率較高，這給用戶帶來維修負擔及經濟上的損失。
[0004]現有技術使用的變頻器一般使用專業化芯片并配備一個傳感器端口，在實際應用中往往多臺變頻器聯機使用，此時只能傳感器的反饋電壓均勻分壓給個個變頻器，這樣的分壓結果不可能完全相等，而每個變頻器模數轉換結果數據也不可能相等，因此個個變頻器尋找與設定值相同的反饋數據的過程中進入頻繁的變頻狀態既電機處于震動狀態，這樣電機產生噪音也消耗一定的能量。
實用新型內容
[0005]有鑒于此，本實用新型的目的在于提供一種具有保護裝置的變頻器，其能夠，從而實現的目的。
[0006]為達到上述目的，本實用新型的技術方案是這樣實現的:一種具有保護裝置的變頻器，其特征在于，包括主控及保護單元，驅動單元，檢測和整流單元，所述的主控及保護單元與驅動單元，檢測和整流單元進行連接。
[0007]一種變頻器應用系統，其特征在于，包括主機和至少一臺從機；所述的主機包括主控及保護單元，驅動單元，檢測和整流單元，所述的主控及保護單元與驅動單元，檢測和整流單元進行連接；所述的從機包括主控及保護單元，驅動單元，檢測和整流單元，所述的主控及保護單元與驅動單元，檢測和整流單元進行連接；所述的主機與從機通過通信接口進行連接。
[0008]本實用新型相對于現有技術具有以下的有益效果:
[0009]第一，不采用專用變頻器芯片實現高速保護功能，其具有主控保護單元，在三相整流濾波后的直流電路中串接小電阻，當出現串接的電力管因干擾同時導通而短路，或負載突然短路時，保護電路70ns時間之內完成保護措施；當電阻兩端電壓在高速比較后超出設定值時驅動高速隔離光耦使觸發器翻轉關閉所有脈寬調制器的輸出，保護電路的反應時間不超過50ns。這樣的高速保護方式能夠實現可靠地保護電力管，減少故障率，以及提高變頻器的使用效率的目的。
[0010]第二，可多機聯網時用，當外部傳感器接入其中任何一臺時，該機自動成為主機，其余自動成為從機。并且，所有變頻器工作頻率相同。主機根據負載情況可開啟或關閉其中任意一臺或多臺。每臺變頻器都配有一個通信插口，還有一個傳感器連接口，每臺變頻器都編有自己的地址，單獨與主機通信接受指令。具備聯網用的Smbus串行通信口并且多臺可并聯使用，最多可并聯使用127臺。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本實用新型的主控及保護單元的電氣原理圖；
[0012]圖2為本實用新型的驅動單元的電氣原理圖；
[0013]圖3為本實用新型的檢測和整流單元的電氣原理圖。
【具體實施方式】
[0014]為了便于對實用新型的進一步理解，下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】做進一步地詳細說明。
[0015]圖1為本實用新型的主控及保護單元的電氣原理圖，本實用新型包括:主控及保護單元，驅動單元，檢測和整流單元，所述的主控及保護單元與驅動單元，檢測和整流單元進行連接。如圖所示，主控及保護單元的主控芯片Gl采用C8051F120，其內部六路PCA作脈寬調制器，由Gl的輸出端分別連到六個高速的與門G11、G12、G13、G14、G15、G16的一個輸入端，與門的型號采用CE10104，另六個輸入端連在一起接到與非門G17和G18構成的雙穩態觸發器的輸出端上。
[0016]溫控開關連接插口是COM4，COM2連接COM4，COM2連接電阻R23和R24。譯碼器G22、G23、G24、G25分別控制數碼管顯示器的千位、百位、十位和個位，并進一步連接與非門G26。G22、G23、G24、G25 的型號采用 CD4543。
[0017]C0M5為JTAG 口，用于向主控芯片Gl錄入程序之用。Gl具有顯示數據輸出接口，Gl的數據輸出端將數據輸入七段譯碼器，并輸至四位顯示器，施密特觸發器G26與連接的電阻R22和電容C4共同構成脈沖震蕩器供七段譯碼器和液晶顯示器。
[0018]電鍵K1、K2、K3、K4分別連接電阻R1、R2、R3、R4，并與主控芯片Gl連接。光耦0P5連接三極管G20，G20的發射極連接C0M11，基極連接電阻R19。
[0019]運放G19的輸出端連接R19，同向輸入端連接電阻R18和R24，反向輸入端連接至C0M11。C0M10’連接電阻式壓力傳感器。
[0020]光耦0P4連接C0M10，并與主控芯片Gl連接。C0M10還連接可調電阻R15和R16。C0M7與C0M8連接至主控芯片Gl。
[0021]主控芯片Gl連接溫度保護傳感器，溫度保護傳感器固定在散熱器上當溫度高于75度時傳感器輸出變零，變頻器停止。
[0022]光耦OPl連接電阻R11，并控制三極管G27，G27的集電極連接繼電器Jl ;光耦0P2連接電阻R12，并控制三極管G28，G28的集電極連接繼電器J2 ;光耦0P3連接電阻R13，并控制三極管G29，G29的集電極連接繼電器J3。[0023]主控芯片Gl具有報警控制端口，當因故障報警時該端口輸出高電位使光耦0P3導通，三極管G29導通，蜂鳴器BUZZER工作。
[0024]主控芯片Gl連接光耦0P2的端口在Jl工作3秒后輸出高電位使J2觸點閉合使J6(參考圖3)觸點閉合，R5兩端短路，這樣做的目的是為了三相整流濾波過程中防止浪涌電流損壞電力電容和三相整流二極管。
[0025]圖2為本實用新型的驅動單元的電氣原理圖，如圖所示，光耦0P9連接C0M16，電阻R41連接三極管Gl的集電極，其基極連接電阻R42。三極管G2的發射極連接三極管G3和G4的基極，G3的發射極連接G4的發射極。
[0026]光耦0P6連接三極管G5的集電極，并連接電阻R9，R9連接三極管G6的基極，三極管G6的發射極連接三極管G7和G8的基極，G7的發射極連接G8的發射極。
[0027]電阻R44連接三極管Gll的基極，Gll的集電極連接電阻R43，R43連接光耦0P10，三極管G12的發射極連接三極管G13和G14的基極，G13的發射極連接G14的發射極。
[0028]電阻R19連接三極管G15的基極，G15的集電極連接電阻R20，R20連接光耦0P7，三極管G16的發射極連接三極管G17和G18的基極，G17的發射極連接G18的發射極。
[0029]電阻R46連接三極管G21的基極，G21的集電極連接電阻R45，R45連接光耦OPl I，三極管G22的發射極連接三極管G23和G24的基極，G23的發射極連接G24的發射極。
[0030]電阻R33連接三極管G25的基極，G25的集電極連接電阻R34，R34連接光耦0P8，三極管G26的發射極連接三極管G27和G28的基極，G27的發射極連接G28的發射極。
[0031]高速比較器G19采用AM685，它的上升沿不超過7ns，經過輸入端電阻R18，R24分壓后得到負75mv的電壓，再連接比較器的正輸入端，此時比較器輸出負壓。同理，G9、G10、G20、G29和G30的工作原理類似，一起構成六個IGBT驅動器。
[0032]驅動器供電電壓為正18V，當光耦0P8導通時三極管截止，三極管的發射極電壓為正18V經R4加G3，G4的基極上，G3導通G4截止，G3的發射電壓正18V，經R5連到G9的柵極，因源極電壓是正6V，所以柵源之間為正12V，G9導通。
[0033]圖3為本實用新型的檢測和整流單元的電氣原理圖，如圖所示，運放Gll的同向輸入端連接R2，反向輸入端連接Rl，輸出端連接R4，運放G12的同向輸入端連接R5，反向輸入端連接R6和二極管D42的負極。
[0034]運放G13的反向輸入端連接R7和二極管D44的負極，運放G14的同向輸入端連接R10，輸出端連接三極管G15的基極，G15的發射極連接光耦0P12。
[0035]運放Gl的同向輸入端連接R16，反向輸入端連接R15，輸出端連接R18，運放G2的同向輸入端連接R19，反向輸入端連接R20和二極管D46的負極。
[0036]運放G3的反向輸入端連接R22和二極管D48的負極，運放G4的同向輸入端連接R25，輸出端連接三極管G5的基極，G5的發射極連接光耦0P13。
[0037]運放G6的同向輸入端連接R30，反向輸入端連接R29，輸出端連接R33，運放G7的同向輸入端連接R34，反向輸入端連接R33和二極管D50的負極。
[0038]運放G8的反向輸入端連接R36和二極管D52的負極，運放G9的同向輸入端連接R38，輸出端連接三極管GlO的基極，GlO的發射極連接光耦0P14。
[0039]G22連接R49、R51, G22的型號為CW1525，G21連接電容C24和C25，G16連接電容C30，G17連接電容C28，G18連接電容C29，G20連接電容C27，G19連接電容C26。[0040]二極管D26的負極連接電容C5和二極管D27的負極，二極管D28的負極連接電容C6和二極管D29的負極，二極管D30的負極連接電容C7和二極管D31的負極，二極管D32的負極連接電容C8和二極管D33的負極，二極管D34的負極連接電容C9和二極管D35的負極，二極管D36的負極連接電容ClO和二極管D37的負極。
[0041]參照圖1和圖2，當R56兩端的電壓超過75mv時，通過電阻R17加到比較器的負輸入端，此時比較器的輸出變正，經電阻R24使三極管G20導通，高速隔離光耦導通，它的輸出變零，與非門G17和G18構成的觸發器反轉，輸出端變零。
[0042]與門G11，G12，G13，G14，G15，G16的輸出變零，六路PWM輸出關閉因為光耦的截止頻率為10MHZ，上升沿時間20ns左右，因為其它與門及三極管的工作頻率超過300MHZ，所以與門的關閉時間20ns左右。
[0043]與門的脈寬調制輸出分別控制三極管Gl與光耦0P8，G5與0P5，Gll與0P10，G15與0P6，G21與0P11，G25與0P7的導通與關斷，光耦起三相高壓之間與控制電路相互隔離作用。
[0044]光耦工作頻率均為10MHZ，所有三極管的工作頻率為200MHZ以上，因此總的關閉輸出短路保護時間由兩個光耦及三極管延遲時間決定，即關閉速度不超過50ns。
[0045]當光耦0P8截止時三極管G2導通G2的發射極變零，三極管G4導通G3截止，G4的發射極電壓為零，同過R5連接到G9的柵極也變零，但是它的源極是連接在經限流電阻R6與穩壓管Dl構成的輸出端上，Cl為濾波電容，因此，G9的柵極比源極低6V，既柵極電壓為負6V，可靠地關斷G9。
[0046]G9與GlO串接，G19與G20串接，G29與G30串接，G9，G19, G29三相電的正半周PWM輸出，G10, G20, G30三相負半周PWM輸出。
[0047]G9，G19，G29的漏極接500V的正端，G10, G20, G30的源極接500V的負端，串接點上的3個輸出端分別V，U，W三相輸出，分別經過電阻R50，R51，R52連到繼電器J4經插口C0M15接到電動機。
[0048]C0M14分別連接三個檢波器，第一路的Gll為比例放大器，運放G12、G13構成全波整流器，G14為平滑濾波器經隔離光耦輸出接到插座C0M8，C0M8連接到主控芯片Gl的模數轉換輸入端上，轉換得到的數字信號控制變頻器及顯示之用。同理，第二路與第三鹿的工作原理類似。
[0049]三相電流傳感器的其中一路GlI半波過零檢波后經C0M23連G4做整型放大，隔離后經C0M22過來的三相脈沖信號在與門G8中得到相位誤差脈沖在與來自鎖相環的信號相與后的到相位誤差脈沖個數即相位誤差。G2、G3和Gll為固定360分頻器，鎖相環的輸出頻率是三相輸出頻率的360倍。
[0050]本實用新型的主控芯片Gl的具有設置為多機聯網用的SMBus串行口，COM2外部連接插口，P0.0為SDA端口，P0.1為SCL端口，多機聯網時SDA端口和SCL端口各自并聯即可。
[0051]C0M10的電式壓力傳感器插口壓力最大時傳感器電阻最大，反之變零，可調電阻R15調正傳感器電阻最大時，用光耦輸出R14上電壓輸出調正為2.5v，傳感電阻無壓力時，調正電阻R16使R14上的輸出電壓調正到零，此端輸出聯接到Gl的模數轉換接口。
[0052]當多臺變頻器工作時，電阻R14上輸出為零，模數轉換結果數據為零，此時CPU內部程序自動轉為從機接有傳感器的變頻器因模數轉換結果大于零自動轉入主機，主機將數模轉換獲得的數據用串口傳給各從機，使變頻器輸出頻率一致，防止反饋不一致產生震蕩現像帶來的不必要的電能消耗。
[0053]當多機聯網工作過程中工作頻率低于40HZ時，電機轉速變低，電機內部散熱風扇風速變低出現電機過熱而導致電機燒毀，為防止此類情況的發生，主機將關閉其中一個從機，直至工作頻率上升到40HZ以上，從而達到節省電能的目的，也有效保護了電機的安全。
[0054]Gil, Rl, R2，R3放大其中來自電阻R50上的壓降信號，它的輸出分別送到負半周整流器G12負輸入端與正半周整流器G13正輸入端，輸出在二極管D43，D45的正極連接點上得到全波負整流電壓，經G14濾波后三極管G15及光耦0P12隔離輸出。整流二極管D1，D2，D3，D4，D5，D6構成全橋整流器，濾波電容Cl，C2濾波后輸出直流電壓，G22為開關電源的脈寬調制器，變壓器為開電源的脈沖變壓器，R57為開關電源的起動電阻。
[0055]本實用新型在三相整流濾波后串接分流電阻，電阻的標稱值均為額定，電壓下降75mv,經過高速電壓比較器，當電壓超過75mv時電壓比較器輸出變高，與之相連的高速光耦輸出變0，并且，光偶連接的觸發器翻轉輸出變0，后面連接的六個輸入與門的每個與門其中一個輸入端都變0，與門的另六個輸入端分別連接主控芯片輸出的六路脈寬調制輸出端，與門的六個輸出端均無輸出，后續連接的六個IGBT驅動器輸出-6伏電壓可迅使電力管截止，從而達到了高速保護的目地。
[0056]光耦的極限工作頻率達到10MHZ，與門采用上升沿時間速度為不超過20ns的CElOK系列器件，三極管的工作頻率應高于300MHZ的開關管。電力管的工作電流大，工作頻率低，上升沿時間250ns以上。當干擾或其它故障原因出現時，三組中每組串聯在一起的兩個電力管同時導通時，分流電阻上的電壓隨電力管電流上升沿同步上升。因此，選擇分流電阻時選擇工作峰值壓降應小于65mv，選擇電力管的電流極限參數應大于峰值工作電流30%以上，這樣高速保護方式可靠地保護電力管，減少了故障率，提高了變頻器的使用效率。
[0057]進一步的，本實用新型的變頻器應用系統包括主機和至少一臺從機；所述的主機包括主控及保護單元，驅動單元，檢測和整流單元，所述的主控及保護單元與驅動單元，檢測和整流單元進行連接；所述的從機包括主控及保護單元，驅動單元，檢測和整流單元，所述的主控及保護單元與驅動單元，檢測和整流單元進行連接；所述的主機與從機通過通信接口進行連接。
[0058]在使用時，主機將傳感器上反饋直流電壓轉換為數字信號，與變頻信息同步方式傳給所有從機，因此，所有電機的工作頻率均相同，有效地防止了震動，克服了振動引起的電能消耗。利用串口可以任意關閉或開啟其中的一個變頻器，當多機聯合工作并變頻器的輸出頻率低于30HZ時，因電機轉速過低電機內部散熱風扇速度低，電機出現過熱現象，此時主機將其中一個變頻器關閉，直至工作頻率40HZ以上，這樣不僅保護了電機，也進一步節省了電能。
[0059]以上所述，僅為本實用新型的較佳實施例而已，并非用于限定本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種具有保護裝置的變頻器，其特征在于，包括主控及保護單元，驅動單元，檢測和整流單元，所述的主控及保護單元與驅動單元，檢測和整流單元進行連接。
2.如權利要求1所述的變頻器，其特征在于，所述的主控及保護單元包括: 主控芯片Gl，連有六路脈寬調制器，由Gl的輸出端分別連到六個高速的與門Gll、G12、G13、G14、G15、G16的一個輸入端，與門的另六個輸入端連在一起接到與非門G17和G18構成的雙穩態觸發器的輸出端上； 溫控開關連接插口是COM4，COM2連接COM4，COM2連接電阻R23和R24，譯碼器G22、G23、G24、G25分別控制連接四位顯示器的千位、百位、十位和個位，并進一步連接與非門G26 ；施密特觸發器G26與連接的電阻R22和電容C4共同構成脈沖震蕩器； 光耦0P5連接三極管G20，G20的發射極連接COMlI，基極連接電阻R19 ； 運放G19的輸出端連接R19，同向輸入端連接電阻R18和R24，反向輸入端連接至COMll ;光耦0P4連接C0M10，并與主控芯片Gl連接； 光耦OPl連接電阻Rl I，并控制三極管G27，G27的集電極連接繼電器Jl ;光耦0P2連接電阻R12，并控制三極管G28，G28的集電極連接繼電器J2 ;光耦0P3連接電阻R13，并控制三極管G29，G29的集電極連接繼電器J3。
3.如權利要求2所述 的變頻器，其特征在于，所述的驅動單元包括: 光耦0P9連接C0M16，電阻R41連接三極管Gl的集電極，其基極連接電阻R42，三極管G2的發射極連接三極管G3和G4的基極，G3的發射極連接G4的發射極； 光耦0P6連接三極管G5的集電極，并連接電阻R9，R9連接三極管G6的基極，三極管G6的發射極連接三極管G7和G8的基極，G7的發射極連接G8的發射極； 電阻R44連接三極管Gll的基極，Gll的集電極連接電阻R43，R43連接光耦0P10，三極管G12的發射極連接三極管G13和G14的基極，G13的發射極連接G14的發射極； 電阻R19連接三極管G15的基極，G15的集電極連接電阻R20，R20連接光耦0P7，三極管G16的發射極連接三極管G17和G18的基極，G17的發射極連接G18的發射極； 電阻R46連接三極管G21的基極，G21的集電極連接電阻R45，R45連接光耦OPll，三極管G22的發射極連接三極管G23和G24的基極，G23的發射極連接G24的發射極； 電阻R33連接三極管G25的基極，G25的集電極連接電阻R34，R34連接光耦0P8，三極管G26的發射極連接三極管G27和G28的基極，G27的發射極連接G28的發射極； 六個IGBT驅動器，分別具有比較器G9、GlO、G19、G20、G29和G30。
4.如權利要求3所述的變頻器，其特征在于，所述的檢測和整流單元包括: 運放Gl I的同向輸入端連接R2，反向輸入端連接Rl，輸出端連接R4，運放G12的同向輸入端連接R5，反向輸入端連接R6和二極管D42的負極； 運放Gl3的反向輸入端連接R7和二極管D44的負極，運放G14的同向輸入端連接RlO，輸出端連接三極管G15的基極，G15的發射極連接光耦0P12 ； 運放Gl的同向輸入端連接R16，反向輸入端連接R15，輸出端連接R18，運放G2的同向輸入端連接R19，反向輸入端連接R20和二極管D46的負極； 運放G3的反向輸入端連接R22和二極管D48的負極，運放G4的同向輸入端連接R25，輸出端連接三極管G5的基極，G5的發射極連接光耦0P13 ； 運放G6的同向輸入端連接R30，反向輸入端連接R29，輸出端連接R33，運放G7的同向輸入端連接R34，反向輸入端連接R33和二極管D50的負極； 運放G8的反向輸入端連接R36和二極管D52的負極，運放G9的同向輸入端連接R38，輸出端連接三極管GlO的基極，GlO的發射極連接光耦0P14 ； G22連接R49、R51，G22的型號為CW1525, G21連接電容C24和C25, G16連接電容C30,G17連接電容C28，G18連接電容C29，G20連接電容C27，G19連接電容C26 ； 二極管D26的負極連接電容C5和二極管D27的負極，二極管D28的負極連接電容C6和二極管D29的負極，二極管D30的負極連接電容C7和二極管D31的負極，二極管D32的負極連接電容C8和二極管D33的負極，二極管D34的負極連接電容C9和二極管D35的負極，二極管D36的負極連接電容ClO和二極管D37的負極。
5.如權利要求1至4中任何一項所述的變頻器，其特征在于，主控芯片Gl的型號采用C8051F120。
6.如權利要求5所述的變頻器，其特征在于，與門Gil、G12、G13、G14、G15和G16的型號采用CE10104。
7.如權利要求6所述的變頻器，其特征在于，比較器G9、G10、G19、G20、G29和G30的型號采用AM685。
8.一種變頻器應用系統，其特征在于，包括主機和至少一臺從機； 所述的主機包括主控及保護單元，驅動單元，檢測和整流單元，所述的主控及保護單元與驅動單元，檢測和整流單元進行連接； 所述的從機包括主控及保護單元，驅動單元，檢測和整流單元，所述的主控及保護單元與驅動單元，檢測和整流單元進行連接； 所述的主機與從機通過通信接口進行連接。
9.如權利要求8所述的系統，其特征在于:所述的主機通過傳感器連接口連接有傳感器。
10.如權利要求8或9所述的系統，其特征在于:所述的通信接口為SMBus串行口。
【文檔編號】H02M5/42GK203491896SQ201320551788
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年9月6日 優先權日:2013年9月6日
【發明者】吳奇偉 申請人:吳奇偉