变频器中常见的检测与保护电路

交流变频器硬件设计在变频器的硬件电路中，除逆变电路、整流、滤波电路之外，检测与保护电路同样是至关重要的。反馈量检测的精确程度，从某种意义上说，很大程度上决定了系统所能达到的控制品质。涉及内容：变频器中常用的检测器件及电流、电压、转速、过热、电源缺相和接地故障等的检测与保护电路 1、引言控制系统反馈量检测的精确程度，从某种意义上说，很大程度上决定了控制系统所能达到的控制品质。检测电路是变频调速系统的重要组成部分，它相当于系统的“眼睛和触觉”。检测与保护电路设计的合理与否，直接关系到系统运行的可靠性和控制精度。2、变频器常用检测方法和器件2.1 电流检测方法电流信号检测的结果可以用于变频器转矩和电流控制以及过流保护信号。电流信号的检测主要有以下几种方法。（1）直接串联取样电阻法：这种方法简单、可靠、不失真、速度快，但是有损耗，不隔离，只适用于小电流并不需要隔离的情况，多用于只有几个KVA的小容量变频器中。（2）电流互感器法：这种方法损耗小，与主电路隔离，使用方便、灵活、便宜，但线性度较低，工作频带窄(主要用来测工频)，且有一定滞后，多用于高压大电流的场合。如图1所示。图1 电流互感器示意图图1中，R为取样电阻，取样信号为US=I2R=I1R/m 式1上式中，m为互感器绕组匝数。电流互感器测量同相的脉冲电流IP时，副边也要用恢复二极管整流，以消除原边复位电流对取样信号的影响，如图2(a)所示。在这种电路中，互感器磁芯单向磁化，剩磁大，限制了电流测量范围，可以在副边加上一个退磁回路，以扩展其测量范围，如图2(b)所示。图2 电流互感器及范围扩展电流互感器检测后一般要通过整流后再用电阻取样，如图2(a)。由于主回路电流会有尖峰，如图3(a)，这种信号用于峰值电流控制和保护都会有问题。随着脉宽的减小，前沿后斜坡峰值可能比前沿尖峰还低，就会造成保护电路误动作，所以要对电流尖峰进行处理。处理的方法见图3(b)，和RS并联一个不大的电容CS，再加一个合适的RC参数，就能有效地抑制电流尖峰。如图3(c)所示。（3）霍尔传感器法：它具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点。其原理如图4所示。图4 霍尔电流检测方法图4中，IP为被测电流，这是一种磁场平衡测量方式，精度比较高，若LEM的变流比为1:m，则取得电压US也符合式(1)。在通用变频器中霍尔传感器已成为电流检测的主力。2.2 霍尔传感器工作原理 随着现代工业的不断进步，不同场合对通用变频器的性能要求有所不同，但均体现出了高性能化的趋势。如新一代的高性能矢量控制变频器具有极强的功能，能实现快速动态响应，而它的实现依赖于变频器各检测电路中的传感器的性能。传统传感器在某些场合下已无法胜任，LEM传感器的作用与传统的电流互感器相同，它将普通互感器与霍尔器件、电子电路有机结合起来，既有普通互感器测量范围宽的特点，又有电子电路反应速度快的优点，它在通用变频器检测与保护电路中的应用有助于提高调速系统的控制性能及可靠性。（1）LEM电流传感器 LEM电流传感器是利用霍尔效应的闭环电流传感器，是一种模块化的有源电子传感器，它把普通互感器与霍尔器件、电子电路有机地结合起来，既发挥了普通互感器测量范围宽的优势，又利用了电子电路反应速度快的长处，可以对直流、交流、脉动电流进行测量。图5是LEM电流传感器的原理图。 图5 LEM电流传感器原理图LEM模块的工作原理是磁场平衡式的，即通过次级线圈的电流所产生的磁场补偿被测电流所产生的磁场，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。其具体工作过程为：当被测回路有电流（ip）流过时，在导体周围产生一个强磁场，这一磁场被聚磁环聚集，并作用于霍尔器件输出一信号，这一信号经放大器放大并输入到功率放大器中，这时相应的功率管的导通压降改变，从而获得一个补偿电流（is），流经多匝导线产生一磁场（Hs），由于其与被测电流所产生的磁场（Hp）方向相反而使霍尔器件输出的信号逐渐减小，最后当is所产生的磁场与ip所产生的磁场相等时，is不再增加，这时霍尔器件就达到了零磁通检测。上述平衡过程是在极短的时间内完成的，是一个动态平衡过程，即被测电流任何变化都会破坏这一平衡磁场，而一旦磁场失去平衡，霍尔器件就会有信号输出，经放大器放大后，立即有相应的电流流过次级线圈进行补偿，因此，从宏观上看，次级补偿电流的安匝数在任何时间都与主电流的安匝数一样。在实际应用中，可通过测量电阻Rm（通常为外接）上的电压间接求出被测电流的大小。由以上工作原理可知LEM电流传感器实质是一个“电流磁电压”变换器，其作用与传统的电流互感器基本相同，与普通传感器相比较，它又具有许多自身的特性和优势。它有良好的输入输出间电隔离，原级电路与次级电路之间的绝缘电压一般为212kV（特殊要求下可达2050kV），可以有效地保护副边的测量设备和人身安全。传感器内部采用闭环结构，可以不失真地传递从0Hz（直流）至100kHz频带内的任何波形电流，响应速度快（小于1ms）。跟踪速度di/dt高于50A/ms，而普通互感器响应时间为1020ms，不能满足系统对谐波进行实时检测并补偿的要求。因为是补偿式测量，所以具有很高的准确度和线性度。测量精度优于1%原级额定电流，其线性度优于0.1 %。另外，由于传感器磁路几乎是零磁通工作，动态变化时又是快速补偿，所以传感器是无电感性器件。过载能力强，当原边电流超负荷时，模块达到饱和，可自动保护。LEM电流传感器着这些特性已经使其已成为电流检测的主力。（2）LEM电压互感器LEM电压传感器工作原理与其电流传感器相似，也是一种应用霍尔原理的闭环电流传感器。与应用LEM电流传感器有所不同的是，用电压传感器测量电压时，应在传感器原边回路上串联一外部电阻（R0）。所串联的外部电阻的大小是由用户根据原边电流与被测电压成一定的比值来确定的，LEM电压传感器的原理如图6所示。 图6 LEM电压传感器原理图LEM电压传感器具有精度高、线性度好、低温漂、抗外界干扰能力强、共模抑制比高、反应速度快、频带宽等特点。2.3 电压检测方法电压信号检测的结果可以用于变频器输出转矩和电压控制以及过压、欠压保护信号。电压信号的检测可用电阻分压、线性光耦、电压互感器或霍尔传感器等方法。 （1）电阻分压法:用电阻网络将高压进行分压，得到按比例缩小的低电压。该方法使用简单，但其精度受外界环境(主要是温度)影响较大，且不能实现隔离，如果作为模拟反馈量进行a/d转换，需要加入隔离放大器。该方法适用于低压系统。(2) 电压互感器法:与电流互感器类似，只能用于检测交流电压，适用于高压系统中。(3) 霍尔电压传感器法:原理与霍尔电流传感器类似，如图7所示。图7 霍尔电压检测方法(4) 线性光耦法霍尔电压传感器具有反应速度快和精度高的特点，但是在小功率的变频器中，采用霍尔传感器的成本昂贵，而采用高性能的光耦则可降低成本。像HP公司生产的线性光耦HCNR200/201等具有很高的线性度和灵敏度，可精确地传送电压信号。图8是一个用HCNR200/201测量电压的实际电路，光耦实际上起直流变压器的作用。图8中，原边运放采用的是单电源供电的LM2904，副边运放采用精密运放OP07。在测量直流高压时，应先采用电阻分压降压，以得到一个未经隔离的低压直流信号，然后经过线性光耦隔离将其变换成与之成正比的直流电压送入A/D转换测量。图8 高压直流电压线性光耦测量电路另外，完全可以利用光耦的线性和隔离功能结合直接串联分流器测量电流。2.4 转速检测方法变频调速系统的主要应用领域是电气传动系统，为实现诸如矢量控制等一类的高性能控制。系统中常常需要检测电机的转速，主要有2种方法:(1) 测速发电机:测速发电机工作可靠，价格低廉，但存在非线性和死区的问题，且精度较差。(2) 光电编码器:光电编码器与传动轴连接，它每转一周便发出一定数量的脉冲，用微处理器对脉冲的频率或周期进行测量，即可求得电机转速。光电编码器可以达到很高的精度，且不受外部的影响，可以用于高精度的控制中。采用光电脉冲编码器检测转速，通常有3种方法:a) m法:即测频法。在一定时间t内，对编码器输出的脉冲计数，从而得到与转速成正比的脉冲数m，若光电脉冲编码器一周输出p个脉冲，则转速为n60m/(pt)，n的单位为r/min。该法适用于中高速检测，因为转速越高，一定时间内的脉冲数就越多，分辨率和精度就越高。b) t法:即测周期法，通过测量编码器发出脉冲的周期来计算电机转速。脉冲周期的测量是借助某一时钟频率确定的时钟脉冲来间接获得。若时钟频率为fc，测得的时钟脉冲数为m，则转速为n=60fc/(mp)，n的单位为r/min。该法与测频法相反，适用于较低转速。c) m/t法:结合了m法和t法各自的特点，由定时器确定采样周期t，定时器的定时开始时刻总与编码器的第一个计数脉冲前沿保持一致，在t时间内得到脉冲数m1，同时，另一个计数器对标准的时钟脉冲进行计数，当t定时结束时，只停止对编码器的计数，而t结束后光电脉冲编码器输出第一个脉冲前沿时，才停止对标准时钟脉冲的计数，并得到计数值m2，其持续时间为td=t+t。其时序如图9所示。可以推导出此时转速可表示为n=60fsm1/(pm2)。图7 m/t法的时序m/t法是转速检测的较为理想的手段，可在宽的转速范围内实现高精度的测量，但其硬件和数据处理的软件相对复杂。3 电流检测与保护电路3.1 电流传感器检测的过流保护电路变频器驱动的负载电动机不同于其它负载(如电热炉、电解、电镀等)，它是将电能转换为机械能的装置，既有电气行为又有机械旋转运动，电机启动带来的电气和机械冲击问题历来是工程师们关注的焦点，无论是电气绝缘破损还是机械故障都可能使变频器因过电流而损坏，过电流故障从来就是变频器最常见的故障，也是损坏变频器最主要的原因。那么变频器过电流的原因是什么呢？其实，输出短路、电机绕组破损、机械负载堵转、电机加速过快、逆变主开关器件失效、干扰造成的误导通(即直通)等都能导致变频器过电流。过流保护最简单的方法是熔断器保护法，但这种保护动作慢，不足以实现快速保护，尤其是不能直接保护IGBT、MOSFET等导通时间小的高性能器件。图10所示的检测电路中，有一些能检测各种过流信号，经处理后可送到ic控制芯片的保护端(shot down or close)，或直接封锁开关管的驱动脉冲，如图10(b)所示。图10 过流保护电路图10中的过流保护都是可以自恢复的，也就是说，当过流现象消失后，也就不再保护。在实际电路中，过流一般都是不正常现象，或者说是故障。所以，过流保护应该是不可以自恢复的，需要停电排除故障后人工恢复逆变电路的工作。这种不可以自恢复的电路可以用反馈自锁或者用可控硅电路实现，如图11所示。图11 不可恢复的过流保护电路3.2 开关管过流状态自识别保护我们知道，开关管的导通压降是和导通电流有关的，当开关管过流时，其导通压降会明显上升。因此，我们可以通过检测开关管的导通压降，与正常值比较，并与截止状态相区别，从而识别出开关管的过流状态，以GTO为例，实际电路如图12所示。图12 GTO门极驱动和过流状态自识别保护电路图12中，要开通GTO时，a 点电位由低变高，O点出现一个正脉冲，T4导通， d 点变低，e 点变高， f 点变低，T5截止，T6导通，GTO导通。GTO导通后，d 点保持低电平。当发生过流时，d 点变高，当高于e 点时(设置的过流点)，f 变高，T5导通，T6截止，T7导通，GTO关断，实现过流保护。在许多开关管驱动芯片或厚膜电路中都设置了这一项功能。例如，EXB841型IGBT厚膜驱动电路中，6号端就是通过二极管D来识别IGBT开关管过流状态并通过保护电路来保护的。而且，这种保护电路还可以实现软关断功能。3.3 变频器实用电流检测及过流保护电路举例如图13所示为日本fuji公司设计的变频器常用的电流检测及过流保护电路。图13 变频器常用的电流检测及过流保护电路其设计思路和原理如下。电流检测信号来自逆变器U、V两相输出端的霍尔电流传感器，霍尔元件通过插座CN2获得15v电源。U、V两相电流检测信号经首级运放A6和A5放大20倍后送入二级运放A8和A7。调整二级运放的放大倍数即可整定过流保护动作值。U、U两相电流通过反相加法器A9叠加获得W相电流信号。U、V、W各相电流分别同时送入两个比较器的正、反相输入端。比较器正、反相输入端的参考电压分别为+10v和-10v。当三相电流正常时其对应的电压在10v之间，六个比较器相与后输出为1，此信号经三极管反相后送入由多谐振荡器D4528组成的单稳态触发器，-Q输出为0，比较器A17、A18输出信号也应为0，保护电路不动作。一旦过流，比较器相与后输出信号为0，D4528的输入信号(5脚)为1，其输出经单稳延时后才变为1，通过三极管VT2放大后去关闭IGBT的驱动信号并通知CPU发出过电流报警信号。单稳态触发器的作用是这样的:在延时期间若电流恢复正常，则D4528的输出信号不改变，这就避免了一些干扰信号或瞬间尖峰电流造成的保护电路误动作，保证了变频器正常工作。4 电压检测与保护电路4.1 变频器直流侧电压检测与保护电路尽管我们在分析SPWM变频器原理的时候经常假设变频器直流侧电压是不变的，但事实上它一直是波动的。交流电网电压的波动、负载瞬变、整流器功率器件的断续导电、或者输入电源缺相等等都会引起直流电压变化。实际上，无论是对主电路器件及电动机的保护，还是对直流侧和交流输出电压的计量和显示，乃至高性能控制策略的实施都经常需要直流电压的瞬时值或有效值。例如近年来人们已经发现性能优越的矢量控制对直流中间环节电压和负载的扰动十分灵敏，当装置运行在弱磁条件下时，中间直流电压的降低可能导致电流失控和失去磁场的方位，几乎所有的解决方案都需要精密检测直流环节的电压，因此合理设计直流测电压检测电路显得非常重要。变频器主电路中间环节的电压信号的检测可采用电阻分压、线性光耦、电压互感器或霍尔传感器等。图14 直流电压检测与控制及保护电路(1) 基于线性光耦的电压检测与保护电路图14所示为常用的基于线性光耦的电压检测与保护电路，它具有直流电压实时检测、直流过压保护、欠压保护及制动单元启停等功能，并为控制电路和显示电路提供信号。直流侧电压采用电阻进行分压降压，经过线性光耦TLP559后分压变为弱电电压信号。然后经逻辑比较和线性运算电路处理输出与上述四种功能对应的信号。(a) 直流电压检测电路 直流电压经R501和R502分压转变弱电信号，经线性光耦TLP559变换和隔离后再通过R186调节，送入电压跟随器，以增强带载能力。电路由IC120，IC121A，IC121B，IC121C及电阻组成。由于直流侧电压很高，测量范围上限一般定为850V，若测量范围定为0850V，因受A/D转换器位数的限制，则测量和显示分辨率低，影响控制和显示精度。考虑到变频器在正常工作时，其直流侧电压总是大于500V，因此可在电路中增设减法电路，将测量下限值提高到500V，这样就将测量范围缩为0350V。该减法电路由IC121C及电阻组成，使得Ud=500V时，Un=0V。N点电压用于控制及显示。(b) 制动单元驱动电路 对于电压型变频器，为了限制电机在减速制动时在直流侧产生的泵升电压，保证变频器正常运行实现快速制动，需设计制动单元驱动电路，控制连接制动电阻的IGBT。电机制动单元驱动电路由IC122C及电阻组成。电动机工作于发电状态且使直流母线电压Ud超过上限阈值Udlh 时，Z点即输出高电平，使连接制动电阻的IGBT导通，将直流母线上的能量消耗在制动电阻上，迫使Ud回落;当Ud小于下限阈值Udll后再关断IGBT。为避免在某一点附近频繁切换，电压控制采用滞环控制方式，即UdlhUdll。电动机发电状态结束后，必须断开制动电阻，因此要大于电动状态时可能出现的最高直流母线电压Udm。设三相电网电压波动为+15%-15%，则经整流后，直流母线上可能出现的最高电压为故取Udlh=660V，由公式可得Un=3.7647V接入制动电阻，Un=2.8235V断开制动电阻。由图14电路参数可得：选择R193=10k，R194=137.5k，R196=30k，R233=6.2k，R234=15k，可满足上述要求。 (c) 直流过压保护图14电路中，m点的电压通过与比较器IC122B参考电压比较，得到过压信号，送故障处理单元和数字显示电路，并由LED104显示其状态。设Ud升至800V时过压保护动作，降至750V时恢复，即由公式可得Um=9.41V过压保护动作，Um=8.82V时恢复比较器下限: 选择R164=15k，R165=300k，R173=310k，R235=6.8k，R236=2.31k，可满足上述要求。(d) 直流欠压保护 同样地，图14电路中，m点的电压通过与比较器IC122A参考电压比较，得到欠压信号，送故障处理单元和数字显示电路，并由LED107显示其状态。设Ud降至400V时欠压保护动作，再升至460V恢复，由图14可以分析出Um=4.7059V时欠压保护动作，Um=5.4118V时恢复。设比较器下限为Umll，比较器上限为Umlh：选择R185=10k，R172=7.5k，R177=10k，R179=153.85k，R180=355.45k，可满足上述要求。(2) 基于电阻分压法的电压检测与保护电路图15是日本fuji公司设计的变频器常用的基于电阻分压法的欠压和过压保护电路。图15 基于电阻分压法的电压检测与保护电路直流电压检测从中间直流回路并联的分压电阻两端采集信号。直流高电压(约540600V)经R61、R62分压后，分别送至4个比较器AA4的正相输入端与4个参考电压A、B、C、D比较，以完成过压和欠压保护并通知CPU发出相应的报警信号。比较器参考电压取自电阻R51R57组成的分压器，10v标准电压经电阻分压后取出4个不同的参考电压分别送至4个比较器的反相输入端，比较器的输出信号经光耦隔离、阻容滤波之后再经施密特反向器关闭IGBT，同时送CPU进行处理。正常状态下，电压取样值(3v左右)处于B点和C点的电位之间，比较器A1、A2输出“0”，A3、A4输出“1”。经过隔离、滤波、反向处理，最终的输出在图中由上到下为0011，这是正常工作信号。B、C间的电压范围较大，当交流电源电压在300460V间变化时，变频器正常工作。一旦交流电源电压高于460V，电压取样随即高于B点电压，位于A、B电位之间，A1输出0，A2、A3、A输出1，电路输出过压信号0111，而当电源电压降至300V以下，电压取样立即低于C点电压，处于C、D电位之间，A1、A2、A3输出0，A4输出1，此时电路输出欠压信号0001。这样，变频器便发出过压或欠压预报警信号，并按预定的控制顺序关机。4.2 变频器输出电压检测电路前面已经提到，变频器在调频的同时必须调压，因此逆变器输出交流电压的控制与检测是至关重要的。采用高速数字光耦是一种测量变频器交流输出电压的简单而有效的方法。高速数字光耦6N136，6N137，HCPl3120，PC900V等具有体积小、寿命长、抗干扰性强、隔离电压高、高速度、与TTL电平兼容等优点，在数据信号处理和信号传输中应用的十分广泛，可用来检测变频器交流输出电压。这里介绍一种简单实用的用线性光耦实现的变频器输出电压检测的电路，如图16所示。图16 变频输出交流电压检测电路及光耦结构图利用光耦6N137和电阻降压电路采集逆变器U、V、W三相输出对直流环节负极N的电压信号，这样三相信号都变为单极性SPWM电压脉冲，便于与单向光耦匹配。单极性SPWM脉冲电压经小电容滤波后便成为如图15所示的比较平滑的正弦半波信号，它反映了逆变器交流电压(半波)的瞬时值，然后送相应的CPU或ASIC处理，根据需要既可以得到电压的瞬时值，也可以计算出电压的有效值。既能满足控制的需要，又可以满足显示计量的需求。例如，日本SANKEN公司研究的电压矢量控制变频器就是利用这种电路完成对交流输出电压的测量，控制效果良好。5 变频器中的其它检测与保护电路图 17 过热检测电路5.1 过热检测与保护电路功率稍大的风冷式变频器中的散热系统一般都是由多个散热器组成，并配备轴流风机。每一块散热器上各安装一只热敏元件，如图17中所示的PTH1PTH3，有些变频器在主控板上也安装一只热敏元件，如图16中所示的PTH4。四只热敏元件串联后接光耦元件P4。正常状态下，热敏元件为常闭触点，光耦导通输出信号为0;当散热片过热时热敏元件断开，光耦截止，输出信号为1，该信号经RC波后去关闭IGBT的驱动信号并通知CPU发出过热报警信号。5.2 电源缺相和接地故障检测电路电源缺相和接地故障检测常用的方法是通过套在主回路(输入或输出)上的电流互感线圈检测三相电流平衡程度来实现的，其原理图见图18。正常时光耦截止输出为 1。当某相电源对地漏电或缺相时，由于三相电流不平衡检测线圈会感应出电势，光耦P521导通，发出故障信号。5.3 熔断器熔断检测电路熔断器检测是从FUSE两端取电压信号，其原理图见图18。快熔正常时，两端电压极小，保护电路不动作。当快熔因过流烧断时，两端电压变高，光耦导通发出故障信号，经两个施密特反相器驱动后送至CPU。图18 缺相、接地故障熔断器熔断检测电路