4  電壓檢測與保護電路
4.1 變頻器直流側(cè)電壓檢測與保護電路
    盡管我們在分析SPWM變頻器原理的時候經(jīng)常假設變頻器直流側(cè)電壓是不變的，但事實上它一直是波動的。交流電網(wǎng)電壓的波動、負載瞬變、整流器功率器件的斷續(xù)導電、或者輸入電源缺相等等都會引起直流電壓變化。實際上，無論是對主電路器件及電動機的保護，還是對直流側(cè)和交流輸出電壓的計量和顯示，乃至高性能控制策略的實施都經(jīng)常需要直流電壓的瞬時值或有效值。例如近年來人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)性能優(yōu)越的矢量控制對直流中間環(huán)節(jié)電壓和負載的擾動十分靈敏，當裝置運行在弱磁條件下時，中間直流電壓的降低可能導致電流失控和失去磁場的方位，幾乎所有的解決方案都需要精密檢測直流環(huán)節(jié)的電壓，因此合理設計直流測電壓檢測電路顯得非常重要。變頻器主電路中間環(huán)節(jié)的電壓信號的檢測可采用電阻分壓、線性光耦、電壓互感器或霍爾傳感器等。

圖12      直流電壓檢測與控制及保護電路

    (1) 基于線性光耦的電壓檢測與保護電路
    圖12所示為常用的基于線性光耦的電壓檢測與保護電路，它具有直流電壓實時檢測、直流過壓保護、欠壓保護及制動單元啟停等功能，并為控制電路和顯示電路提供信號。直流側(cè)電壓采用電阻進行分壓降壓，經(jīng)過線性光耦TLP559后分壓變?yōu)槿蹼婋妷盒盘?。然后?jīng)邏輯比較和線性運算電路處理輸出與上述四種功能對應的信號。
    (a) 直流電壓檢測電路
    直流電壓經(jīng)R501和R502分壓轉(zhuǎn)變?nèi)蹼娦盘?，?jīng)線性光耦TLP559變換和隔離后再通過R186調(diào)節(jié)，送入電壓跟隨器，以增強帶載能力。電路由IC120，IC121A，IC121B，IC121C及電阻組成。
由于直流側(cè)電壓很高，測量范圍上限一般定為850V，若測量范圍定為0~850V，因受A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的限制，則測量和顯示分辨率低，影響控制和顯示精度。考慮到變頻器在正常工作時，其直流側(cè)電壓總是大于500V，因此可在電路中增設減法電路，將測量下限值提高到500V，這樣就將測量范圍縮為0~350V。該減法電路由IC121C及電阻組成，使得UD=500V時，UN=0V。N點電壓用于控制及顯示。
    (b) 制動單元驅(qū)動電路
    對于電壓型變頻器，為了限制電機在減速制動時在直流側(cè)產(chǎn)生的泵升電壓，保證變頻器正常運行實現(xiàn)快速制動，需設計制動單元驅(qū)動電路，控制連接制動電阻的IGBT。
電機制動單元驅(qū)動電路由IC122C及電阻組成。電動機工作于發(fā)電狀態(tài)且使直流母線電壓UD超過上限閾值UDLH 時，Z點即輸出高電平，使連接制動電阻的IGBT導通，將直流母線上的能量消耗在制動電阻上，迫使UD回落;當UD小于下限閾值UDLL后再關斷IGBT。為避免在某一點附近頻繁切換，電壓控制采用滯環(huán)控制方式，即UDLH>UDLL。電動機發(fā)電狀態(tài)結(jié)束后，必須斷開制動電阻，因此 要大于電動狀態(tài)時可能出現(xiàn)的最高直流母線電壓UDM。設三相電網(wǎng)電壓波動為+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接入制動電阻，Un=2.8235V斷開制動電阻。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) 直流過壓保護
圖12電路中，M點的電壓通過與比較器IC122B參考電壓比較，得到過壓信號，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UD升至800V時過壓保護動作，降至750V時恢復，即由公式可得:UM=9.41V過壓保護動作，UM=8.82V時恢復:

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
同樣地，圖12電路中，M點的電壓通過與比較器IC122A參考電壓比較，得到欠壓信號，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UD降至400V時欠壓保護動作，再升至460V恢復，由圖12可以分析出:UM=4.7059V時欠壓保護動作， UM=5.4118V時恢復。設比較器下限為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與保護電路
    圖13是日本Fuji公司設計的變頻器常用的基于電阻分壓法的欠壓和過壓保護電路。

圖13    基于電阻分壓法的電壓檢測與保護電路

直流電壓檢測從中間直流回路并聯(lián)的分壓電阻兩端采集信號。直流高電壓(約540~600V)經(jīng)R61、R62分壓后，分別送至4個比較器A1~A4的正相輸入端與4個參考電壓A、B、C、D比較，以完成過壓和欠壓保護并通知CPU發(fā)出相應的報警信號。
    比較器參考電壓取自電阻R51~R57組成的分壓器，10V標準電壓經(jīng)電阻分壓后取出4個不同的參考電壓分別送至4個比較器的反相輸入端，比較器的輸出信號經(jīng)光耦隔離、阻容濾波之后再經(jīng)施密特反向器關閉IGBT，同時送CPU進行處理。
    正常狀態(tài)下，電壓取樣值(3V左右)處于B點和C點的電位之間，比較器A1、A2輸出“0”，A3、A4輸出“1”。經(jīng)過隔離、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。B、C間的電壓范圍較大，當交流電源電壓在300~460V間變化時，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，電路輸出過壓信號0111;而當電源電壓降至300V以下，電壓取樣立即低于C點電壓，處于C、D電位之間，A1、A2、A3輸出0，A4輸出1，此時電路輸出欠壓信號0001。這樣，變頻器便發(fā)出過壓或欠壓預報警信號，并按預定的控制順序關機。
4.2 變頻器輸出電壓檢測電路
    前面已經(jīng)提到，變頻器在調(diào)頻的同時必須調(diào)壓，因此逆變器輸出交流電壓的控制與檢測是至關重要的。
采用高速數(shù)字光耦是一種測量變頻器交流輸出電壓的簡單而有效的方法。高速數(shù)字光耦6N136，6N137，HCPL3120，PC900V等具有體積小、壽命長、抗干擾性強、隔離電壓高、高速度、與TTL電平兼容等優(yōu)點，在數(shù)據(jù)信號處理和信號傳輸中應用的十分廣泛，可用來檢測變頻器交流輸出電壓。這里介紹一種簡單實用的用線性光耦實現(xiàn)的變頻器輸出電壓檢測的電路，如圖14所示。

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圖14      變頻輸出交流電壓檢測電路及光耦結(jié)構(gòu)圖

    利用光耦6N137和電阻降壓電路采集逆變器U、V、W三相輸出對直流環(huán)節(jié)負極N的電壓信號，這樣三相信號都變?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，它反映了逆變器交流電壓(半波)的瞬時值，然后送相應的CPU或 ASIC處理，根據(jù)需要既可以得到電壓的瞬時值，也可以計算出電壓的有效值。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交流輸出電壓的測量，控制效果良好。

5  變頻器中的其它檢測與保護電路

圖15    變頻輸出對負極N的電壓波形

 圖 16   過熱檢測電路

圖17     缺相、接地故障熔和斷器熔斷檢測電路