通用變頻器檢測與保護電路的設計策略探討

國華巴彥淖爾（烏拉特中旗）風電有限公司 李 貴

在通用變頻器中，電路檢測是電路保護的前提工作，一般是將變頻器和電動機的工作狀態及時反饋給中央微型處理器，然后由微型處理器按照規定的算法程序處理各部分電路提供的控制信號和保護信號，通過這樣的作用達來操控變頻器和電動機。一般的檢測電路主要有直流電壓檢測、電流檢測、輸出電壓檢測、給變頻器和電動機提供電子熱保護所需要的溫度檢測電路等，由此可見通用變頻器可廣泛應用在電力系統中。

通用變頻器的檢測和電路保護是整個電路控制系統安全運行的關鍵，有人將電路檢測比喻成變頻控制系統的眼睛和觸覺，是因為電路檢測在整個變頻控制系統中的地位是不可替代的。只有科學開展變頻器檢測、加強保護電路設計才可確保變頻器系統的高速、安全運行。本文將展開對變頻器檢測與電路保護定義的闡述，重點分析國內通用變頻器檢測與電路保護的設計策略。

1 變頻器檢測與電路保護的概念闡述

在控制系統中，變頻器檢測就是將變頻器和電動機在工作狀態中的情況及時反饋給中央處理器，隨后根據提供的信息，處理器將對各部分控制額電路提供控制信號或保護信號，通過這一過程保護電路。電路保護主要是利用電路檢測的方式來實現保護控制系統的目的，主要是通過直流電壓檢測、電流檢測，輸出電壓檢測、溫度測試等方式進行檢測電路，在變頻器的整個控制系統中，控制系統是否能夠精確反映和反饋檢測的數據情況，決定了變頻器控制系統的使用壽命和安全性能高低。

2 通用變頻器檢測具體方法

2.1 電壓檢測

一般情況下，可通過電壓檢測的方法促使通用變頻器保護系統有效發揮保護目標，通用變頻器電壓檢測是指利用高性能光耦提高檢測速率來降低檢測成本，該方法可廣泛應用于小功率變頻器。在檢測高流直流電壓時，主要使用分壓和解壓電阻的方法，以此保證直流電壓信號保持低速運行。在檢測直流過壓保護時，可通過比較電壓通過的狀態和比較器對照電壓獲取過壓信號，通過故障處理單元獲取其狀態。另外，光耦本身具有高靈敏度和線性度、隔離功能等特點，其中隔離功能可有效分解高壓電流和線性度的融合，通過串聯分流器測量電壓值，由此可見該方法是一種常用的通用變頻器電壓檢測方法。

2.2 電流檢測

通用變頻器的負載可將電能轉化為機械能，其通過電氣運動和機械旋轉的有效結合實現轉化，對于復雜的變頻器驅動裝置而言，其系統運行中電氣絕緣體會被破壞，最終導致輸出電流出現故障情況、電氣機械負荷較大、電機運行過快、電氣元件過度干擾等問題。以上這些問題也會導致通用變頻器電流輸出受阻，因此可通過熔斷器保護功能加強電流保護，但是熔斷器無法應用在意外情況下需要即刻保護、融通達時間短的元件。

2.3 轉速檢測

轉速檢測主要進行矢量控制，其可有效控制一些高能耗的電力傳送系統，以此有效檢測電力系統中的電機轉速，電機轉速常用的檢測裝置是測速儀器和光電編碼儀器，這兩種儀器測量準確度高，抗干擾因素強，可保證測量結果的可靠性和精確性。對于通用變頻器而言，其輸出的交流電壓控制性檢測是檢測的主要環節，其可有效發揮電路保護的功能。一般通用變頻器無速度傳感器矢量控制需要進行數據計算，比如變頻器輸出電流的脈沖頻率和寬度，其計算數據的精確性直接影響輸出電壓的有效性[1]。

2.4 電源相缺和故障電路檢測

電源相缺和故障電路檢測常應用于通用變頻器輸入和輸出端口中電流感應程度的檢測中，主要檢測三相電流的平衡力度。如果電源發生缺電漏電的問題時，可通過檢測三相電流感應的不平衡數值，以此檢測出感應出線圈的感應電勢，最終終端系統輸出故障信號，工作人員通過信號來解決故障問題。

2.5 制動單元驅動電路檢測

制動單元驅動電路檢測主要應用在電壓型變頻器中，其可控制電機在減速制動過程中在直流側產生的泵升電壓，以此確保變頻器可進行制動。一般需要設計制動單元驅動電路，和控制聯合制動電阻連接，當電動機在發電狀態時直流母線電壓值超過上限閾值，電動機會輸出高電平，和制動電阻的導通連接，通過制動電阻消耗直流母線電能，以此降低上限閾值。為了控制切換次數，需要采用滯環控制方法，當電動機輸電狀態停止時，需要切斷制動電阻，一般情況下，制動電阻高于電動狀態會導致直流母線電壓值增高，此時將三項電壓網電壓波動調整，當其經過整流時，直流母線最高電壓會自動發生變化。

3 通用保護電路的設計策略

3.1 加強電流傳感器檢測的過流保護

變頻器驅動負載電動機和其他負載裝置有著較大的區別，其機械電機啟動過程中產生的電氣和機械沖擊問題是需要重點解決的問題，該問題可促使電氣絕緣破壞和變頻器過電流損壞，以此導致變頻器出現故障。研發發現，變頻驅動負載電動機啟動會導致輸出電流短路、電機燒毀、機械負載受阻、電機速度過快、逆變器開關不通電等情況會導致變頻器產生過電流。因此可采用熔斷器保護電流，熔斷器可檢測出過信號，經過端口處理傳輸到控制芯片保護端。一般情況下，過流也可自我保護，但是過流消失后就無法發揮保護作用，在通用變頻器中過流是一種異常問題，因此過流的自我保護是不存在的，需要人工斷電進行解決[2]。

3.2 開關管過流狀態自我分析保護

一般通用變頻器的開關導通壓降效果和導通電流有著直接的關系，當開關管過流時，導通壓降會逐漸升高，對此可通過檢測開關管的導通壓降變化情況，區分其截止狀態，以此判斷開關管的過流情況。一些開關管驅動芯片都具有以上保護功能，比如在一些特定型號的厚膜驅動電路中，各電路端口通過指定管識別開關管過流狀態，以此保護電路。

3.3 過熱檢測和保護

通用變頻器安裝有散熱器，散熱器上有多個熱敏元件，一些變頻器主控板上也安裝有熱敏元件，將熱敏元件和接光耦元件連接后，在一般情況下熱敏元件是常閉觸點，光耦導通輸出信號此時為零。當散熱片過熱時熱敏元件自動斷開，光耦停止，輸出信號逐漸增加，該信號在濾波后可自動啟停驅動信號，通過控制元件轉化為過熱報警信號。

3.4 科學把握變頻器特點和故障解決方法

在開展通用變頻器檢測和電路保護工作時，檢測人員需要全面了解通用變頻器的的基本原理、構造、特點、功能，并掌握一些關鍵技術，可在實際工作中更好的解決電氣系統運行中的故障問題。比如，變頻器可降壓不可升壓，且變頻器不是一種調節器件，采用其進行調速會造成電能的損耗，變頻器性能和質量直接關系著電氣系統的運行效果，因此需要采用使用壽命長的變頻器。

另外，變頻器本身是一種電磁干擾器，因此工作人員需要全面掌握相關故障處理方法。變頻器對供電源質量有著嚴格的要求，因此在故障解決過程中需要科學控制直流電壓，以此恢復電力系統穩定運行需要的環境[3]。

4 通用變頻器檢測與保護電路的主要內容

4.1 直流測量過電流技術

日本企業已開發投運了變頻器直流測量技術，其基本原理如下：通過傳感器輸出端輸出兩相電流測量信號，通過二級運算程序對一級運算的電流信號進行過濾，最終輸出最后的電流信號。通過兩個接收端口接收的電流可進行正反相對比，并準確判斷電壓正負值，如果電壓正負值在標準范圍內則表明三相電流值穩定，電流通過接收器的對比、運算最終輸出的值為1。多諧波器下的輸出端口接收的三級反相比較器輸出值為0時，保護電路不會做出保護動作，但此時如電流持續輸入，比較器運算輸出后的信號也為0時，多諧波輸出端口接收的信號會變為1。

由此可見，輸出信號只有通過觸發器在一定時間后才會發生變化，此時信號通過三極管處理，當雙級晶體管驅動信號關閉后，可通過中央處理器來發送電流警報信號。此時就可直接通過觸發器來處理各種干擾信號和尖峰電流，避免直流保護器出現錯誤動作，保證變頻器可保持穩定運行。

4.2 變頻器內部母線直流電壓測量和電路保護

本文主要選擇了線性光耦的電壓測量和電路保護，以此直流母線電壓進行測量，并通過電壓和千電壓保護，有效對電阻元件進行啟停，對電路進行控制，并對電路信號數值進行調節，由此可見該測量作用顯著。并通過電阻對直流側母線電壓進行分散和降壓處理，后通過線性光耦器阻隔轉化功能對直流側母線電壓進行計算和輸出線性計算，最終得出具備一定功能的信號。

如果直流母線電壓值高于額定值則會自動發出保護動作，自動降壓，且對降壓后的電壓值和比較器的電壓值進行對比就可直接得出電壓信號，但當直流電壓繼續下降，則會影響欠電壓也出現保護動作，最終回升到一定數值后會自動停止。此時也可通過以上方法獲得欠電壓信號，最終將這兩種信號輸送到故障處理器中通過數字顯示器來顯示出來，總之，直流母線側電壓數值高于標準值，此時如果將區間也設置到標準值之間，則會導致數據轉換器中的檢測頻率發生變化，最終無法精準顯示出來。

對此，需要在設計電路電壓區間時要縮小區間范圍數值，以此提高檢測頻率。如日本企業提出的電阻分壓法，通過該方法測量電壓保護電路是非常有效的，一般對于直流母線的電壓測量需通過兩側分壓電阻來完成測量任務。將直流電壓通過兩側電阻進行分壓操作，可通過比較器輸入到端子中后進行對比，以此實現電壓和欠電壓保護，此時中央處理器也會發出報警信號。

此外，電阻也可通過分壓器輸出的分壓值來，并通過電阻器分壓獲得不同的電壓數值，最終將其發送到不同的比較器中。通過光耦阻隔、阻容濾波等方法對比較器中輸出的電壓數值再次進行處理，后經過反向器晶體管進行閉鎖控制，以此得出最終的電壓值。

4.3 變頻器輸出端電壓值測量和電路保護

工作人員也需對變頻器輸出端電壓值進行測量，以此有效保護電路，對于該測量一般可通過無速度傳感器矢量控制方法對電壓值進行測量，考慮到該電壓值測量的精度要求，對此還需輔助數字光耦檢測技術來測量，以此提高檢測效率，確保檢測結果精準。但變頻器輸出端三相電流和直流負極輸出電壓也是通過光耦和電阻器進行測量的，可有效檢測出輸出端三相電壓值為電壓脈沖值，其可有效滿足光耦的兼容功能。此外，這種電壓脈沖值是小電容單級性電壓，也可在濾波作用下形成半波，這種變化后的半波可有效檢測出逆變器交流電壓峰值，后經由中央處理器的計算得出最終數值，最終有效控制變頻器數值變化。

5 相關建議

了解不同類型的變頻器，以此在變頻器具體運行的過程匯總可有效對其故障、異常狀態進行檢測并及時排除故障，以此保護電路，如不了解變頻器責任會導致能源浪費，無法發揮變頻器的作用；科學運用變頻器檢測和電路保護方法，考慮到變頻器系統運行要求高，供電質量要求高，對此需在檢測過程中控制直流電壓變化范圍，以此確保電路穩定運行，為電路系統工作提供良好的環境。此外還需對電氣系統進行保養、維護，及時發現故障。

綜上，變頻器作為一種重要的電力裝置，其在電路系統穩定、安全運行中發揮著重要的作用，因此需要加強通用變頻器的檢測和電路保護，以此保證電流運行的控制精度。不同的檢測方法可實現不同的保護功能，因此需要相關人員切實把握變頻器內部元件和機械特點，以此有效解決變頻器運行故障問題，有效發揮變頻器的作用和價值。