通用變頻器檢測與保護電路的設計探討

李慶元，朱聯聯，劉媛，劉瑞

（天津電氣科學研究院，天津，300301）

1 變頻器采用的測量技術和元件

1.1 電流的測量技術

變頻調速控制系統中的電機力矩控制、運行電流控制、過電流保護可由變頻器內部的電流測量信號提供控制與保護依據，主要采用的測量方法有直接串聯取樣電阻法 ,電流互感器法和霍爾傳感器法，霍爾傳感器的磁場平衡測量由被測電流值決定輸出電流值，該傳感器的測量精度高、線性好、頻帶較寬，響應時間快，較強的過載能力與檢測電路沒有損耗的特點，為電流測量的主要技術。

1.2 電壓測量技術

變頻調速控制系統中電機輸出力矩、運行電壓控制和過壓、欠壓保護可由變頻器內部的電壓測量信號提供控制與保護依據，電壓信號的測量技術主要有有電阻分壓、電壓互感器、線性光耦或霍爾傳感器等，前兩種測量方法比較常用，霍爾電壓傳感器的測量原理與電流型的大致相同，把高性能光耦應用在小功率變頻器中進行電壓測量，這種技術與霍爾傳感器技術相比，造價比較低。比如惠普公司的HCNR200、HCNR201等線性光耦的線性度與靈敏度都很高，可用于精準電壓信號傳送。原邊和副邊采的運算放大器為LM2904與 OP07。在進行直流母線的高電壓測量時，首先用電阻分壓的方法進行降壓來獲取沒有進行隔離的低電壓直流信號，該信號再通過線性光耦進行隔離處理，把它變換成與直流母線電壓成正比的直流電壓值輸送給模數轉換進行測量。

1.3 速度測量技術

電力傳動系統主要應用變頻器對電動機進行調速，而對轉速控制要求較高的場合應使用矢量變頻器，該變頻器需要實時對電動機的轉子轉速進行測量，對速度信號的采集常用轉速測量儀和光電編碼器來實施測量。光電編碼器具有較高測量精度，具有很廣泛的應用。

2 變頻器內部常采用測量與保護電路

2.1 電流測量過電流技術

日本富士公司開發的變頻器電流測量過電流保護電路的原理是這樣的，霍爾傳感器的輸出端子發送出U、V兩相的電流測量信號，第二級的運算放大器A7和A8接收來自第一級的經過運算放大器A5和A6放大將近22倍的兩相電流測量信號。W相的電流信號是由這兩相的電流信號經過A9相加而得的。兩個比較器接收每一相電流的輸入，其正反相的輸入端參考 電壓值為正10伏和負10伏。如果對應的電壓值在正負10伏之間說明三相電流值是正常的，6只數字比較器經過與運算后的輸出值為1，多諧振蕩器（D4528）構成的單穩態觸發器接收來自三極管反相后的比較器輸出值，Q輸出端的值為0時，比較器A17和比較器A18的輸出信號值同時為0時，保護電路不會進行保護操作。如果出現過流了，比較器經過與運算后的輸出信號為0，同時，多諧振蕩器（D4528）的端入端信號值為1，它的輸出信號經過單穩態觸發器進行時間延遲后才會變成1，信號經過三級管（VT2）放大之后進行對絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）驅動信號的關閉，同時告訴中央處理器（CPU）應進行電流報警信號的發送。干擾信號或瞬間尖峰電流由單穩態觸發器對其進行處理，來避免發生過電流保護電流的誤動作，使變頻器處于正常工作的狀態。

2.2 電壓測量及保護電路

2.2.1 變頻器內部母線直流電壓測量和保護電路

以線性光耦為基礎的電壓測量及保護電路可對直流母線電壓進行實時地測量，進行過電壓、欠電壓保護，還具有對制動電阻單元實行起停，對控制電路以及數值顯示電路提供信號的功能。利用電阻對直流側母線電壓進行分壓和降壓，再采用線性光耦（TLP559）經過隔離變換之后再進行邏輯比較運算，以及控制輸出經線性運算電路進行處理之后形成與上述四種功能相對應的信號。一般情況下，直流母線電壓UD的電壓值達到800V就會引導起過電壓保護動作，回落至750V停止保護，M點處電壓值跟比較器（IC122B）的參考電壓進行比較就可獲得過電壓信號。而直流母線電壓下降到400V時會引起欠電壓從而執行保護動作，當電壓值回升高460V時停止保護。M點處電壓值跟比較器（IC122B）的參考電壓進行比較就可獲得欠電壓信號。過電壓和欠電壓信號會送到故障處理單元并通過數字顯示電路進行顯示。直流母線側電壓數值很大其范圍區的上限值為850V，如果把檢測的區間設定為0-850V，數模轉換器的位數有限則會導致檢測和顯示的分辨率降低，但在電路設計中加設減法電（IC121C）可縮短檢測的區間來提高分辨率。

日本富士公司設計的以電阻分壓法為基礎的電壓測量及保護電路，其直流母線的電壓測量是由分壓電阻兩側來進行的，直流電壓通過電阻R61和電阻R62進行分壓操作后，分別進入A1-A4這4個比較器的正相輸入端子和4個對應參考電壓A-D來進行對比，達到實現過電壓和欠電壓保護，同時中央處理器發送出相對應的警告信號。編號R51-R57電阻組成分壓器，分壓器的分壓值作為比較器參考電壓，DC10伏電壓通過電阻器分壓后獲得4個數值不一樣的參考電壓，之后發送到4個比較器所帶的反相輸入端子，采用光耦隔離、阻容濾波手段對比較器的輸出側信號進行處理，再通過施密特反向器對絕緣柵雙極型晶體管進行關閉操作，中央處理器同時也對其做出相應的處理。

2.2.2 變頻器輸出端電壓值測量電路

變頻器輸出端電壓值測量也是非常重要的，特別引起注意的是無速度傳感器矢量控制就要求輸出端電壓值的精準檢測，一般只對輸出電壓肯時值及有效值要求較高，利用高速數字光耦的檢測技術最為簡單高效。變頻器的三相輸出端（U,V,W）與直流負極的電壓是通過光耦（6N137）和電阻器降壓電路來進行測量的，三相輸出端電壓值 都變為單極性電壓脈沖，達到單向光耦的兼容匹配。小電容對單極性電壓脈沖進行濾波從而轉變為光滑的正弦半波，該正弦半波體現了逆變器交流壓瞬時數值 ，再通過中央處理器處理可獲得電壓瞬時數值并從中計算得出其有效值，以此來進行控制操作和數值顯示。

3 結束語

變頻器檢測與保護電路是變頻器的重要組成部分，對系統的安全可靠運行起著至關重要的作用，上文對變頻器常用的測量器件及各種故障信號的測量與保護電路進行了介紹、設計和應用，從中可以看出霍爾傳感器技術具有相當的優勢，該技術已經為檢測電壓和電流的有效手段。

參考文獻

[1]王永,沈頌華.一種簡單的IGBT驅動和過流保護電路[J].電測與儀表,2004.04.

[2]許波,王建洲,鐘彥儒.并聯變頻器的檢測與保護電路的設計[J].電源技術用,2005.10.