TWM497388U - 軟啓動保護模組與使用其的變頻器 - Google Patents

Description

軟啟動保護模組與使用其的變頻器

本創作係關於一種變頻器(variable frequency drive)，且特別是一種適用於變頻模組的軟啟動保護模組及使用所述軟啟動保護模組的變頻器。

變頻器是一種可調速驅動系統，其應用變頻驅動技術與微電子技術，透過改變交流馬達工作電壓的頻率和幅度來控制交流電機的電力控制設備。隨著變頻器的演進與開發，目前常見的變頻器以交流轉交流變頻器居多。

變頻器可分為三個部份，分別是整流單元、儲能單元以及直流轉交流的逆變單元(inverter)。整流單元例如為二極體電橋，用以將接收到的交流市電整流為直流輸出。儲能單元包括一個大容量的儲能元件，例如為電容，可以平滑直流輸出的漣波及提供後級逆變單元穩定的電壓輸入。逆變單元再利用主動功率晶體將電壓轉換為近似弦波的交流電壓。

當市電開始輸入變頻器時，由於電容和市電的壓差太大時，在啟動瞬間會產生很大的充電電流，造成整流單元的損壞、或保險絲燒斷等問題。因此，在變頻器中時常會加入軟啟動單元，也就是說，在變頻器中串聯功率電阻，以減少充電電流。由於功率 電阻係串聯於整流單元與電容之間，當市電輸入變頻器時，功率電阻會消耗很大的功率。當電容充電至預定值時，軟啟動電路再利用繼電器旁路功率電阻，且接著逆變單元透過主動功率電晶體的切換輸出交流電壓。

若繼電器發生故障，可能會造成軟啟動單元失效。為了即時發現繼電器發生故障，目前習知的作法是，於變頻器中加入光耦合器，光耦合器包括發光二極體與光敏電晶體。發光二極體並聯於軟啟動單元之功率電阻，而光敏電晶體電性連接至中央處理單元。藉此，當發光二極體發光時，光敏電晶體會接收發光二極體所發出之光，以據此產生訊號給中央處理單元，且中央處理單元會判斷繼電器並未正常工作，亦即中央處理單元可以透過發光二極體是否發光來判斷繼電器是否正常工作。當變頻器開始工作(係指逆變單元開始輸出交流電壓)，且繼電器沒有正常工作(即未旁路功率電阻)時，光耦合器會輸出訊號至中央處理單元，使得中央處理單元關閉變頻器(實質上為關閉逆變器中所有的主動功率電晶體，以停止輸出交流電壓)，以避免變頻器損壞。

然而，目前習知的作法需要在軟啟動保護模組中加入發光二極體以及光敏電晶體，故造成電路的成本與面積提高。因此，為了解決電路的成本與面積提高的問題，需要一種軟啟動保護模組之設計，在能保護變頻器的前提下，亦可降低電路的面積與成本。

本創作實施例提供一種軟啟動保護模組。所述軟啟動保護模組適用於一變頻模組。變頻模組包括儲能單元。軟啟動保護模組包括軟啟動單元以及中央處理單元。軟啟動單元包括功率電阻與常開(normally open)之繼電器，功率電阻電性連接於儲能單元的低壓端，且功率電阻與繼電器並聯。中央處理單元電性連接變頻模組與軟啟動單元，用以偵測功率電阻的電壓差。當變頻模組 開始工作時，中央處理單元輸出第一控制訊號至繼電器，並控制繼電器進入閉合狀態(close state)，使得功率電阻的電壓差穩定不上升。當變頻模組開始工作，且中央處理單元偵測到功率電阻的電壓差上升時，中央處理單元判斷繼電器沒有正常運作，此時中央處理單元輸出第二控制訊號至變頻模組，使得變頻模組關閉。

本創作實施例提供一種變頻器，所述變頻器包括變頻模組與上述軟啟動保護模組。所述變頻器包括變頻模組、軟啟動單元以及中央處理單元。變頻模組包括儲能單元。變頻模組用以調整市電的頻率和幅度。軟啟動單元電性連接變頻模組，其包括功率電阻與常開之繼電器。功率電阻電性連接於儲能單元的低壓端，且功率電阻與繼電器並聯。中央處理單元電性連接變頻模組與軟啟動單元，用以偵測功率電阻的電壓差。當變頻模組開始工作時，中央處理單元輸出第一控制訊號至繼電器，並控制繼電器進入閉合狀態，使得功率電阻的電壓差穩定不上升。當變頻模組開始工作，且中央處理單元偵測到功率電阻的電壓差上升時，中央處理單元判斷繼電器沒有正常運作，此時中央處理單元輸出第二控制訊號至變頻模組，使得變頻模組關閉。

綜上所述，本創作實施例所提供的軟啟動保護模組及使用其的變頻器可以透過直接偵測功率電阻兩端的電壓差來判斷繼電器是否正常運作。相較於現有之技術，所述軟啟動保護模組以較為簡易的方式來判斷繼電器是否損壞，並降低軟啟動保護模組中電路的面積以及成本。

1‧‧‧變頻器

11‧‧‧變頻模組

12‧‧‧軟啟動保護模組

13‧‧‧市電

121‧‧‧軟啟動單元

122‧‧‧中央處理單元

111‧‧‧整流單元

112‧‧‧儲能單元

1211‧‧‧功率電阻

1212‧‧‧繼電器

L‧‧‧輸入火線端

N‧‧‧輸入水線端

圖1是本創作實施例之變頻模組與軟啟動保護模組的方塊圖。

圖2是本創作實施例之變頻模組與軟啟動保護模組的示意圖。

在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本創作概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本創作將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本創作概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。

應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件與訊號，但此等元件與訊號不應受此等術語限制。另外，如本文中所使用，術語「或」視實際情況可能包括相關聯之列出項目中之任一者或者多者之所有組合。

請參閱圖1，圖1是本創作實施例之變頻模組與軟啟動保護模組的方塊圖。本創作實施例之軟啟動保護模組12適用於任一種變頻模組，且變頻模組11與軟啟動保護模組12可以組成一個變頻器1。軟啟動保護模組12包括軟啟動單元121與中央處理單元122。軟啟動單元121電性連接於中央處理單元122與變頻模組11。中央處理單元122電性連接於變頻模組11。變頻模組11的輸入端用以接收市電13。

變頻模組11用以調整市電13的頻率和幅度。變頻模組11可能為電壓源變頻器、電流源變頻器或者六步方波變頻器，本創作並不限制變頻模組11的種類。另外，市電13可能為單向交流電或三相交流電，本創作並不加以限制。

軟啟動單元121包括功率電阻以及常開之繼電器(圖1未繪示)，且功率電阻串聯於變頻模組11中，以減少變頻模組11啟動瞬間所產生的充電電流。繼電器並聯於功率電阻，以在變頻模組開始工作(係指變頻模組中之儲能元件充電完畢後，開始透過其逆變單元輸出交流電壓)時旁路功率電阻。中央處理單元122包括適當的電路、邏輯和/或編碼，以控制變頻模組11以及軟啟動單 元121的運作。

詳細地說，請參閱圖2，圖2是本創作實施例之變頻模組與軟啟動保護模組的示意圖。變頻模組11與軟啟動保護模組可以組成一個變頻器(圖2未繪示)。變頻模組11包括整流單元111、儲能單元112以及逆變單元(圖2未繪示)。整流單元111，例如為全橋式整流器、半橋式整流器、交流/直流電源整流器或全波整流器，用以將交流電源的市電的波形整流為可供儲能單元112使用的直流電壓。需注意的是，本創作實施例之整流單元111可為上述任一種整流器。此外上述幾種整流器僅為常見整流器之例子，本創作並不限定整流單元111為哪一種整流器。

變頻模組11接收由輸入火線端(Live Bus)L以及輸入水線端(Neutral Bus)N所輸入的市電後，透過整流單元111將市電轉換為直流輸出電壓。接著，儲能單元112接收直流輸出電壓並開始充電，以提供穩定平滑的直流輸出電壓給逆變單元。最後，逆變單元再透過主動功率晶體將直流輸出電壓轉換為近似弦波的交流電壓，並輸出交流電壓制後端電機(圖2未繪示)，例如交流馬達。值得一提的是，本創作實施例的儲能單元112為電容。

軟啟動保護模組包括軟啟動單元121與中央處理單元(圖2未繪示)。軟啟動單元121更包括功率電阻1211以及常開之繼電器1212。功率電阻1211串聯於變頻模組11中，且功率電阻1211串接於儲能單元112的低壓端，以減少變頻模組11啟動瞬間所產生的充電電流，也就是說，儲能單元112在充電時，繼電器1212維持開路狀態(open state)。繼電器1212則並聯於功率電阻1211，以在變頻模組11開始工作時旁路功率電阻1211，亦即繼電器1212在變頻模組11開始工作時，會被控制為閉合狀態。中央處理單元包括適當的電路、邏輯和/或編碼，用以控制變頻模組11以及軟啟動單元121的運作。於本創作實施例中，中央處理單元較佳是電性連接於儲能單元112的低壓端。

當市電輸入變頻模組11，且在變頻模組11開始工作前(逆變單元未開始輸出交流電壓前)，儲能單元112開始充電。此時，由於繼電器1212為開路狀態，使得電流流經功率電阻1211，同時功率電阻1211兩端的電壓差隨著儲能單元112之電壓上升而下降。當儲能單元112充電至預定值時，變頻模組11開始工作，同時中央處理單元輸出第一控制訊號至繼電器1212，使得繼電器1212進入閉合狀態。

當繼電器1212進入閉合狀態後，中央處理單元開始偵測功率電阻1211兩端的電壓差是否穩定。值得一提的是，由於中央處理單元係電性連接於儲能單元112的低壓端，且功率電阻1211同樣係電性連接於儲能單元112的低壓端，故中央處理單元可直接偵測功率電阻1211兩端的電壓差是否穩定，而不需要串接額外的元件於功率電阻1211。

若繼電器1212正常運作(即繼電器1212保持閉合狀態)，電流將不會流經功率電阻1211，使得功率電阻1211兩端之電壓差穩定不上升。換言之，若繼電器1212沒有正常運作(即繼電器1212沒有保持閉合狀態)，電流將會流經功率電阻1211，使得功率電阻1211兩端之電壓差上升。

當中央處理單元偵測到功率電阻1211兩端的電壓差上升時，中央處理單元判斷繼電器1212沒有正常運作(例如繼電器1212故障)，此時中央處理單元輸出第二控制訊號至變頻模組11，使得變頻模組11關閉，以避免變頻模組11損壞。更精確地說，第二控制訊號是使逆變單元的主動功率電晶體全部關閉，以停止輸出交流電壓，而關閉變頻模組11。

根據以上所述，本創作實施例所提供的軟啟動保護模組及使用其的變頻器可以透過直接偵測功率電阻兩端的電壓差來判斷繼電器是否正常運作。相較於現有之技術，所述軟啟動保護模組以較為簡易的方式來判斷繼電器是否損壞，並降低軟啟動保護模組 中電路的面積以及成本。

以上所述，僅為本創作之具體實施例，惟本創作之特徵並不侷限於此，任何熟悉該項技藝者在本創作之領域內，可輕易思及之變化或修飾，皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

1‧‧‧變頻器

11‧‧‧變頻模組

12‧‧‧軟啟動保護模組

13‧‧‧市電

121‧‧‧軟啟動單元

122‧‧‧中央處理單元

Claims (10)

1. 一種軟啟動保護模組，適用於一變頻模組，該變頻模組包括一儲能單元，該軟啟動保護模組包括：一軟啟動單元，該軟啟動單元更包括一功率電阻與一常開之繼電器，該功率電阻電性連接於該儲能單元的一低壓端，且該功率電阻與該繼電器並聯；以及一中央處理單元，該中央處理單元電性連接該變頻模組與該軟啟動單元，用以偵測該功率電阻的電壓差；其中，當該變頻模組開始工作時，該中央處理單元輸出一第一控制訊號至該繼電器，並控制該繼電器進入一閉合狀態，使得該功率電阻的電壓差穩定不上升；當該變頻模組開始工作，且該中央處理單元偵測到該功率電阻的電壓差上升時，該中央處理單元判斷該繼電器沒有正常運作，此時該中央處理單元輸出一第二控制訊號至該變頻模組，使得該變頻模組關閉。
2. 如請求項第1項所述之軟啟動保護模組，其中當該變頻模組開始工作前，該變頻模組接收一市電使該變頻模組之該儲能單元開始充電，此時該繼電器處於一開路狀態。
3. 如請求項第1項所述之軟啟動保護模組，其中該儲能單元係一電容。
4. 如請求項第2項所述之軟啟動保護模組，其中該市電為一單相交流電。
5. 如請求項第2項所述之軟啟動保護模組，其中該市電為一三相交流電。
6. 一種變頻器，包括：一變頻模組，用以調整一市電的一頻率和一幅度，該變頻模組包括一儲能單元；一軟啟動保護模組，該軟啟動保護模組包括： 一軟啟動單元，電性連接該變頻模組，該軟啟動單元更包括一功率電阻與一常開之繼電器，該功率電阻電性連接於該儲能單元的一低壓端，且該功率電阻與該繼電器並聯；以及一中央處理單元，該中央處理單元電性連接該變頻模組與該軟啟動單元，用以偵測該功率電阻的電壓差；其中，當該變頻模組開始工作時，該中央處理單元輸出一第一控制訊號至該繼電器，並控制該繼電器進入一閉合狀態，使得該功率電阻的電壓差穩定不上升；當該變頻模組開始工作，且該中央處理單元偵測到該功率電阻的電壓差上升時，該中央處理單元判斷該繼電器沒有正常運作，此時該中央處理單元輸出一第二控制訊號至該變頻模組，使得該變頻模組關閉。
7. 如請求項第6項所述之變頻器，其中當該變頻模組開始工作前，該變頻模組接收該市電使該變頻模組之該儲能單元開始充電，此時該繼電器處於一開路狀態。
8. 如請求項第6項所述之變頻器，其中該儲能單元係一電容。
9. 如請求項第6項所述之變頻器，其中該市電為一單相交流電。
10. 如請求項第6項所述之變頻器，其中該市電為一三相交流電。