IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统中的缺相和过流保护系统的设计*

李本红（佛山职业技术学院，广东佛山　528137）

IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统中的缺相和
过流保护系统的设计*

李本红
（佛山职业技术学院，广东佛山528137）

摘要：IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统中的缺相和过流保护系统设计方法很多，本设计基于电流互感器对线路电流进行检测，利用三相电流的对称性检测断路保护，设定电流区间利用电子线路对过流进行保护，功能可靠，结构简单，经过调试可行。

关键词：交流调速系统；缺相和过流；系统设计

*佛山市工业产品精密检测基础科研平台项目（编号：2013AG10010）

0　前言

近年来，交流变频调速广泛应用在门式起重机、电梯、城市恒压供水和数控机床主轴等工业控制领域，不仅充分利用了三相交流电机坚固、耐用和价格低廉的优势，同时结合恒转矩变频调速的特点，使得交流调速的性能得到极大的提高，使用控制领域逐渐取代直流调速系统。

下面介绍一种基于IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统的保护措施，恒转矩调速系统的特点是同步调节U/F=常数，电流基本稳定为恒定，电磁力矩稳定为常数：

其中：Eg为定子感应电势，ω1为定子角频率，R'r为转子电阻折算到定子的电阻值，S为转差率，L'1r为定子折算后的电感。

该系统只有满足Eg/ω1=常数，就能满足气隙磁场的稳定，转子电流和转子力矩的稳定为常数。该系统调速模式简单，经过应用验证其控制可靠性高，获得良好的社会效应和经济效应[6]。

1　基于IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统工作原理介绍

该系统主要由系统给定、积分电路、U/F函数发生器、正弦波发生器和三角波发生器、延时电路以及驱动放大电路组成（如图1所示）。其中开通延时器主要是避免桥臂上两个IGBT在换相时上下直通，造成短路故障。给定及积分电路主要是进行正方向限幅和加减速时间调整，实现软启动减少启动和制动时的冲击电路，避免主回路由于机械能转变成电能在主回路电容上造成泵升电压而危害IGBT的安全。驱动电路主要实现脉冲分配。U/F函数发生器主要产生一种（U/F=恒量）的正弦波，并且是一种带限幅的斜坡信号，基频以下采用恒转矩调速，基频以上采用弱磁调速控制方式。

比较器是形成SPWM的关键器件，比较器将三角波和正弦波进行比较，形成不同脉冲宽度的脉冲信号，此信号进过整形后提供给驱动回路，比较器工作原理如图2所示。

图1　VVVF系统原理图

图2　比较器工作原理

综上所述，此系统的工作过程大致如下：由给定信号(给出转向及转速大小)→起动(或停止)信号→给定积分器(实现平稳起动、减小起动电流)→U/f函数发生器→SPWM控制电路(由体现给定频率和给定幅值的正弦信号波与三角波载波比较后产生SPWM 波)→驱动电路模块→主电路(IGBT管三相逆变电路)→三相异步电动机(实现了VVVF调速)[2]。

2　IGBT-SPWM-VVVF交流调速系统的缺相和过流保护环节的设计

以上IGBT-SP⁃WM-VVVF交流调速系统的缺相和过流保护环节的设计方法很多，往往采用温度检测进行过流保护，电流检测进行故障显示，并采用单片机、计算机、伺服驱动器或PLC进行集成控制保护并显示。下面介绍一种简单、可靠的设计对电机进行短路和断相保护，并提供短路、断相故障指示，电路图如图3所示。

缺相保护电路的工作原理是利用三相交流互感器是否平衡进行保护，当电机主电源接通后，三相交流互感器感应电流经过滤波经过VT1、VT2、VT3、VD4、VD5、VD6放大后，如果三相电源是对称的，VT1、VT2、VT3输出的电压相等，VT4基极电压为0，VT4关闭，VT5导通，继电器K1得电，指示灯HL1亮，工作正常，表明电源没有缺相[3]。

过流检测电路的原理是在没有缺相的前提下，如果电路缺相，缺相保护电路断开交流接触器KM1。控制电路中的电流互感器采用标准电流互感器0.5P，二次电流为1安培进行测试，电阻采用5Ω25W的陶瓷电阻，电流互感器输出电压为5 V，经测试VT6基极和射集电压，VT8基极和集电极电压数据如表1所示。

经过对以上数据分析和调试，该电路检测的误差为10%以内可以可靠的关断过流电路。而电机在正常工作过程中允许±10%电网电压的波动造成的过流现象，证明改电路可靠和可执行。

图3　电机缺相和断相保护电路

VT9设计的目的在于通电瞬间，电机感应电势还没有建立，电机定子电流具有比较大的冲击，为避免启动瞬间造成过流检测电路断开电机回路而出现误动作。工作原理是三相电机启动瞬间电流冲击很大时，VT9保持VT8导通，继电器K2得电，随着电容C5通过R14进行充电，其基极电压逐渐降低，VT9逐渐由饱和导通进入截至状态，由电阻R14和C5参数可知，设定启动时间为1.5 s[4]。

3　结束语

该交流调速系统中的缺相和过流保护系统已经过在机床主轴变频改造项目中的应用，电流互感器采用标准电流互感器，性能可靠，成本低廉，对电机过载和缺相保护线路设计有一定参考价值，值得借鉴。

参考文献：

［1］许廖.电机与电控技术［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［2］孔凡才.自动控制原理与系统［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］马孝琴.新编电工实用电路集萃［M］.北京：机械工业出版社，2014.

［4］程周.实例讲解Multisim 10电路仿真［M］.北京：人民邮电出版社，2013.

［5］陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2012.

(编辑：向飞)

IGBT-SPWM-VVVF AC Speed Regulating System of Phase Loss and Over-Current Protection System Design

LI Ben-hong
（Foshan Polytechnic College，Foshan528137，China）

Abstract:There are many designs on Phase Loss and Over-current Protection System in IGBT-SPWM-VVVF AC speed regulating system.In this article the author designed a related electronic curcuit to protect over-current and short curcuit based on the current transformer(CT) to test the line current.And it is with reliable function, simple structure and hign feasilibility after debugging.

Key words:AC Speed Regulating Systerm；Phase Loss and Over-current；system design

作者简介：李本红，男，1974年生，湖南祁阳县人，硕士，讲师。研究领域：控制系统分析与设计，已发表论文8篇。

收稿日期：2015－01－23

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.07.026

文章编号：1009－9492 (2015 ) 07－0086－03

文献标识码：A

中图分类号：TM344.4