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4  電壓檢測(cè)與保護(hù)電路
4.1 變頻器直流側(cè)電壓檢測(cè)與保護(hù)電路
    盡管我們?cè)诜治鯯PWM變頻器原理的時(shí)候經(jīng)常假設(shè)變頻器直流側(cè)電壓是不變的，但事實(shí)上它一直是波動(dòng)的。交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、負(fù)載瞬變、整流器功率器件的斷續(xù)導(dǎo)電、或者輸入電源缺相等等都會(huì)引起直流電壓變化。實(shí)際上，無(wú)論是對(duì)主電路器件及電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，還是對(duì)直流側(cè)和交流輸出電壓的計(jì)量和顯示，乃至高性能控制策略的實(shí)施都經(jīng)常需要直流電壓的瞬時(shí)值或有效值。例如近年來(lái)人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)性能優(yōu)越的矢量控制對(duì)直流中間環(huán)節(jié)電壓和負(fù)載的擾動(dòng)十分靈敏，當(dāng)裝置運(yùn)行在弱磁條件下時(shí)，中間直流電壓的降低可能導(dǎo)致電流失控和失去磁場(chǎng)的方位，幾乎所有的解決方案都需要精密檢測(cè)直流環(huán)節(jié)的電壓，因此合理設(shè)計(jì)直流測(cè)電壓檢測(cè)電路顯得非常重要。變頻器主電路中間環(huán)節(jié)的電壓信號(hào)的檢測(cè)可采用電阻分壓、線性光耦、電壓互感器或霍爾傳感器等。

圖12      直流電壓檢測(cè)與控制及保護(hù)電路

    (1) 基于線性光耦的電壓檢測(cè)與保護(hù)電路
    圖12所示為常用的基于線性光耦的電壓檢測(cè)與保護(hù)電路，它具有直流電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)、直流過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)及制動(dòng)單元啟停等功能，并為控制電路和顯示電路提供信號(hào)。直流側(cè)電壓采用電阻進(jìn)行分壓降壓，經(jīng)過(guò)線性光耦TLP559后分壓變?yōu)槿蹼婋妷盒盘?hào)。然后經(jīng)邏輯比較和線性運(yùn)算電路處理輸出與上述四種功能對(duì)應(yīng)的信號(hào)。
    (a) 直流電壓檢測(cè)電路
    直流電壓經(jīng)R501和R502分壓轉(zhuǎn)變?nèi)蹼娦盘?hào)，經(jīng)線性光耦TLP559變換和隔離后再通過(guò)R186調(diào)節(jié)，送入電壓跟隨器，以增強(qiáng)帶載能力。電路由IC120，IC121A，IC121B，IC121C及電阻組成。
由于直流側(cè)電壓很高，測(cè)量范圍上限一般定為850V，若測(cè)量范圍定為0~850V，因受A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的限制，則測(cè)量和顯示分辨率低，影響控制和顯示精度。考慮到變頻器在正常工作時(shí)，其直流側(cè)電壓總是大于500V，因此可在電路中增設(shè)減法電路，將測(cè)量下限值提高到500V，這樣就將測(cè)量范圍縮為0~350V。該減法電路由IC121C及電阻組成，使得UD=500V時(shí)，UN=0V。N點(diǎn)電壓用于控制及顯示。
    (b) 制動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電路
    對(duì)于電壓型變頻器，為了限制電機(jī)在減速制動(dòng)時(shí)在直流側(cè)產(chǎn)生的泵升電壓，保證變頻器正常運(yùn)行實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，需設(shè)計(jì)制動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電路，控制連接制動(dòng)電阻的IGBT。
電機(jī)制動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電路由IC122C及電阻組成。電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)且使直流母線電壓UD超過(guò)上限閾值UDLH 時(shí)，Z點(diǎn)即輸出高電平，使連接制動(dòng)電阻的IGBT導(dǎo)通，將直流母線上的能量消耗在制動(dòng)電阻上，迫使UD回落;當(dāng)UD小于下限閾值UDLL后再關(guān)斷IGBT。為避免在某一點(diǎn)附近頻繁切換，電壓控制采用滯環(huán)控制方式，即UDLH>UDLL。電動(dòng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)結(jié)束后，必須斷開(kāi)制動(dòng)電阻，因此 要大于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)可能出現(xiàn)的最高直流母線電壓UDM。設(shè)三相電網(wǎng)電壓波動(dòng)為+15%~-15%，則經(jīng)整流后，直流母線上可能出現(xiàn)的最高電壓為:
 
故取Udlh=660V， 。
由公式可得:Un=3.7647V接入制動(dòng)電阻，Un=2.8235V斷開(kāi)制動(dòng)電阻。由圖12電路參數(shù)可得:

選擇R193=10k，R194=137.5k，R196=30k，R233=6.2k，R234=15k，可滿足上述要求。
(c) 直流過(guò)壓保護(hù)
圖12電路中，M點(diǎn)的電壓通過(guò)與比較器IC122B參考電壓比較，得到過(guò)壓信號(hào)，送故障處理單元和數(shù)字顯示電路，并由LED104顯示其狀態(tài)。
設(shè)UD升至800V時(shí)過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作，降至750V時(shí)恢復(fù)，即由公式可得:UM=9.41V過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作，UM=8.82V時(shí)恢復(fù):

比較器下限:

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     (7)
選擇R164=15k，R165=300k，R173=310k，R235=6.8k，R236=2.31k，可滿足上述要求。
(d) 直流欠壓保護(hù)
同樣地，圖12電路中，M點(diǎn)的電壓通過(guò)與比較器IC122A參考電壓比較，得到欠壓信號(hào)，送故障處理單元和數(shù)字顯示電路，并由LED107顯示其狀態(tài)。
設(shè)UD降至400V時(shí)欠壓保護(hù)動(dòng)作，再升至460V恢復(fù)，由圖12可以分析出:UM=4.7059V時(shí)欠壓保護(hù)動(dòng)作， UM=5.4118V時(shí)恢復(fù)。設(shè)比較器下限為UMLL，比較器上限為UMLH:

選擇R185=10k，R172=7.5k，R177=10k，R179=153.85k，R180=355.45k，可滿足上述要求。
    (2) 基于電阻分壓法的電壓檢測(cè)與保護(hù)電路
    圖13是日本Fuji公司設(shè)計(jì)的變頻器常用的基于電阻分壓法的欠壓和過(guò)壓保護(hù)電路。

圖13    基于電阻分壓法的電壓檢測(cè)與保護(hù)電路

直流電壓檢測(cè)從中間直流回路并聯(lián)的分壓電阻兩端采集信號(hào)。直流高電壓(約540~600V)經(jīng)R61、R62分壓后，分別送至4個(gè)比較器A1~A4的正相輸入端與4個(gè)參考電壓A、B、C、D比較，以完成過(guò)壓和欠壓保護(hù)并通知CPU發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。
    比較器參考電壓取自電阻R51~R57組成的分壓器，10V標(biāo)準(zhǔn)電壓經(jīng)電阻分壓后取出4個(gè)不同的參考電壓分別送至4個(gè)比較器的反相輸入端，比較器的輸出信號(hào)經(jīng)光耦隔離、阻容濾波之后再經(jīng)施密特反向器關(guān)閉IGBT，同時(shí)送CPU進(jìn)行處理。
    正常狀態(tài)下，電壓取樣值(3V左右)處于B點(diǎn)和C點(diǎn)的電位之間，比較器A1、A2輸出“0”，A3、A4輸出“1”。經(jīng)過(guò)隔離、濾波、反向處理，最終的輸出在圖中由上到下為0011，這是正常工作信號(hào)。B、C間的電壓范圍較大，當(dāng)交流電源電壓在300~460V間變化時(shí)，變頻器正常工作。一旦交流電源電壓高于460V，電壓取樣隨即高于B點(diǎn)電壓，位于A、B電位之間，A1輸出0，A2、A3、A4輸出1，電路輸出過(guò)壓信號(hào)0111;而當(dāng)電源電壓降至300V以下，電壓取樣立即低于C點(diǎn)電壓，處于C、D電位之間，A1、A2、A3輸出0，A4輸出1，此時(shí)電路輸出欠壓信號(hào)0001。這樣，變頻器便發(fā)出過(guò)壓或欠壓預(yù)報(bào)警信號(hào)，并按預(yù)定的控制順序關(guān)機(jī)。
4.2 變頻器輸出電壓檢測(cè)電路
    前面已經(jīng)提到，變頻器在調(diào)頻的同時(shí)必須調(diào)壓，因此逆變器輸出交流電壓的控制與檢測(cè)是至關(guān)重要的。
采用高速數(shù)字光耦是一種測(cè)量變頻器交流輸出電壓的簡(jiǎn)單而有效的方法。高速數(shù)字光耦6N136，6N137，HCPL3120，PC900V等具有體積小、壽命長(zhǎng)、抗干擾性強(qiáng)、隔離電壓高、高速度、與TTL電平兼容等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)信號(hào)處理和信號(hào)傳輸中應(yīng)用的十分廣泛，可用來(lái)檢測(cè)變頻器交流輸出電壓。這里介紹一種簡(jiǎn)單實(shí)用的用線性光耦實(shí)現(xiàn)的變頻器輸出電壓檢測(cè)的電路，如圖14所示。

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圖14      變頻輸出交流電壓檢測(cè)電路及光耦結(jié)構(gòu)圖

    利用光耦6N137和電阻降壓電路采集逆變器U、V、W三相輸出對(duì)直流環(huán)節(jié)負(fù)極N的電壓信號(hào)，這樣三相信號(hào)都變?yōu)閱螛O性SPWM電壓脈沖，便于與單向光耦匹配。單極性SPWM脈沖電壓經(jīng)小電容濾波后便成為如圖15所示的比較平滑的正弦半波信號(hào)，它反映了逆變器交流電壓(半波)的瞬時(shí)值，然后送相應(yīng)的CPU或 ASIC處理，根據(jù)需要既可以得到電壓的瞬時(shí)值，也可以計(jì)算出電壓的有效值。既能滿足控制的需要，又可以滿足顯示計(jì)量的需求。例如，日本Sanken公司研究的電壓矢量控制變頻器就是利用這種電路完成對(duì)交流輸出電壓的測(cè)量，控制效果良好。

5  變頻器中的其它檢測(cè)與保護(hù)電路

圖15    變頻輸出對(duì)負(fù)極N的電壓波形

 圖 16   過(guò)熱檢測(cè)電路

圖17     缺相、接地故障熔和斷器熔斷檢測(cè)電路