通用变频器检测与保护电路的设计探讨

李庆元，朱联联，刘媛，刘瑞

（天津电气科学研究院，天津，300301）

1 变频器采用的测量技术和元件

1.1 电流的测量技术

变频调速控制系统中的电机力矩控制、运行电流控制、过电流保护可由变频器内部的电流测量信号提供控制与保护依据，主要采用的测量方法有直接串联取样电阻法 ,电流互感器法和霍尔传感器法，霍尔传感器的磁场平衡测量由被测电流值决定输出电流值，该传感器的测量精度高、线性好、频带较宽，响应时间快，较强的过载能力与检测电路没有损耗的特点，为电流测量的主要技术。

1.2 电压测量技术

变频调速控制系统中电机输出力矩、运行电压控制和过压、欠压保护可由变频器内部的电压测量信号提供控制与保护依据，电压信号的测量技术主要有有电阻分压、电压互感器、线性光耦或霍尔传感器等，前两种测量方法比较常用，霍尔电压传感器的测量原理与电流型的大致相同，把高性能光耦应用在小功率变频器中进行电压测量，这种技术与霍尔传感器技术相比，造价比较低。比如惠普公司的HCNR200、HCNR201等线性光耦的线性度与灵敏度都很高，可用于精准电压信号传送。原边和副边采的运算放大器为LM2904与 OP07。在进行直流母线的高电压测量时，首先用电阻分压的方法进行降压来获取没有进行隔离的低电压直流信号，该信号再通过线性光耦进行隔离处理，把它变换成与直流母线电压成正比的直流电压值输送给模数转换进行测量。

1.3 速度测量技术

电力传动系统主要应用变频器对电动机进行调速，而对转速控制要求较高的场合应使用矢量变频器，该变频器需要实时对电动机的转子转速进行测量，对速度信号的采集常用转速测量仪和光电编码器来实施测量。光电编码器具有较高测量精度，具有很广泛的应用。

2 变频器内部常采用测量与保护电路

2.1 电流测量过电流技术

日本富士公司开发的变频器电流测量过电流保护电路的原理是这样的，霍尔传感器的输出端子发送出U、V两相的电流测量信号，第二级的运算放大器A7和A8接收来自第一级的经过运算放大器A5和A6放大将近22倍的两相电流测量信号。W相的电流信号是由这两相的电流信号经过A9相加而得的。两个比较器接收每一相电流的输入，其正反相的输入端参考 电压值为正10伏和负10伏。如果对应的电压值在正负10伏之间说明三相电流值是正常的，6只数字比较器经过与运算后的输出值为1，多谐振荡器（D4528）构成的单稳态触发器接收来自三极管反相后的比较器输出值，Q输出端的值为0时，比较器A17和比较器A18的输出信号值同时为0时，保护电路不会进行保护操作。如果出现过流了，比较器经过与运算后的输出信号为0，同时，多谐振荡器（D4528）的端入端信号值为1，它的输出信号经过单稳态触发器进行时间延迟后才会变成1，信号经过三级管（VT2）放大之后进行对绝缘栅双极型晶体管（IGBT）驱动信号的关闭，同时告诉中央处理器（CPU）应进行电流报警信号的发送。干扰信号或瞬间尖峰电流由单稳态触发器对其进行处理，来避免发生过电流保护电流的误动作，使变频器处于正常工作的状态。

2.2 电压测量及保护电路

2.2.1 变频器内部母线直流电压测量和保护电路

以线性光耦为基础的电压测量及保护电路可对直流母线电压进行实时地测量，进行过电压、欠电压保护，还具有对制动电阻单元实行起停，对控制电路以及数值显示电路提供信号的功能。利用电阻对直流侧母线电压进行分压和降压，再采用线性光耦（TLP559）经过隔离变换之后再进行逻辑比较运算，以及控制输出经线性运算电路进行处理之后形成与上述四种功能相对应的信号。一般情况下，直流母线电压UD的电压值达到800V就会引导起过电压保护动作，回落至750V停止保护，M点处电压值跟比较器（IC122B）的参考电压进行比较就可获得过电压信号。而直流母线电压下降到400V时会引起欠电压从而执行保护动作，当电压值回升高460V时停止保护。M点处电压值跟比较器（IC122B）的参考电压进行比较就可获得欠电压信号。过电压和欠电压信号会送到故障处理单元并通过数字显示电路进行显示。直流母线侧电压数值很大其范围区的上限值为850V，如果把检测的区间设定为0-850V，数模转换器的位数有限则会导致检测和显示的分辨率降低，但在电路设计中加设减法电（IC121C）可缩短检测的区间来提高分辨率。

日本富士公司设计的以电阻分压法为基础的电压测量及保护电路，其直流母线的电压测量是由分压电阻两侧来进行的，直流电压通过电阻R61和电阻R62进行分压操作后，分别进入A1-A4这4个比较器的正相输入端子和4个对应参考电压A-D来进行对比，达到实现过电压和欠电压保护，同时中央处理器发送出相对应的警告信号。编号R51-R57电阻组成分压器，分压器的分压值作为比较器参考电压，DC10伏电压通过电阻器分压后获得4个数值不一样的参考电压，之后发送到4个比较器所带的反相输入端子，采用光耦隔离、阻容滤波手段对比较器的输出侧信号进行处理，再通过施密特反向器对绝缘栅双极型晶体管进行关闭操作，中央处理器同时也对其做出相应的处理。

2.2.2 变频器输出端电压值测量电路

变频器输出端电压值测量也是非常重要的，特别引起注意的是无速度传感器矢量控制就要求输出端电压值的精准检测，一般只对输出电压肯时值及有效值要求较高，利用高速数字光耦的检测技术最为简单高效。变频器的三相输出端（U,V,W）与直流负极的电压是通过光耦（6N137）和电阻器降压电路来进行测量的，三相输出端电压值 都变为单极性电压脉冲，达到单向光耦的兼容匹配。小电容对单极性电压脉冲进行滤波从而转变为光滑的正弦半波，该正弦半波体现了逆变器交流压瞬时数值 ，再通过中央处理器处理可获得电压瞬时数值并从中计算得出其有效值，以此来进行控制操作和数值显示。

3 结束语

变频器检测与保护电路是变频器的重要组成部分，对系统的安全可靠运行起着至关重要的作用，上文对变频器常用的测量器件及各种故障信号的测量与保护电路进行了介绍、设计和应用，从中可以看出霍尔传感器技术具有相当的优势，该技术已经为检测电压和电流的有效手段。

参考文献

[1]王永,沈颂华.一种简单的IGBT驱动和过流保护电路[J].电测与仪表,2004.04.

[2]许波,王建洲,钟彦儒.并联变频器的检测与保护电路的设计[J].电源技术用,2005.10.