變頻調(diào)速系統(tǒng)中過流保護電路設(shè)計與應(yīng)用

作者/ 趙文武 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院(陜西 渭南 714000)

摘要：針對三相變壓變頻調(diào)速VVVF系統(tǒng)的過流問題，闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電路原理，設(shè)計了一種過流保護電路，通過實驗驗證該過流電路保護閾值為1V，保護延時時間為8μs。這兩項測試結(jié)果都符合MOSFET要求，可有效避免器件損壞，該研究結(jié)果具有一定的參考價值。

引言

　　相比于傳統(tǒng)的用可控硅實現(xiàn)調(diào)壓的電源，采用MOSFET或IGBT的開關(guān)電源的優(yōu)點在于輸出電壓紋波小，輸出平均電壓大、轉(zhuǎn)換效率高，且該器件的控制方式靈活，所以，電源系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度更快，電源的工作頻率提高，因此，濾波器和變壓器的體積需要減小。

　　在逆變電路中，有時候會出現(xiàn)過流現(xiàn)象，從而造成器件的損壞。為更好地保護電路，也為讓逆變電路更安全地工作，必須加入過流保護電路。本文在三相交流逆變電路中的數(shù)字信號處理(DSP)運算和控制的基礎(chǔ)上，過流保護電路檢測了電流信號，當(dāng)有過流信號產(chǎn)生時，關(guān)斷PWM驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)電路的過流保護。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電路原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)實現(xiàn)基于型號為TMS320F2812的DSP處理器，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)是交流-直流-交流VVVF電路，主要由以下幾大部分組成：主電路、驅(qū)動電路、控制電路和輔助電路。電路整流部分使用二極管整流，逆變部分由MOSFET接成三相H輸出，整流與逆變的中間直流環(huán)節(jié)使用大電容濾波。本設(shè)計為實驗裝置，電路軟啟動通過可調(diào)變壓器實現(xiàn)，以避免上電瞬間出現(xiàn)較大沖擊電流。

　　DSP的主要功能是完成控制方法的運算，并完成電路中電壓和電流的檢測與計算。系統(tǒng)輔助電路主要由開關(guān)電源、電壓轉(zhuǎn)換模塊、過流保護電流、放電電路、電壓檢測和電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測及調(diào)理電路組成。

　　圖1中定子線電壓、線電流以及轉(zhuǎn)速經(jīng)檢測環(huán)節(jié)的調(diào)理電路后輸入DSP，經(jīng)過矢量控制算法，由DSP輸出6路SVPWM，經(jīng)驅(qū)動電路放大后，驅(qū)動逆變器工作。220V的交流電經(jīng)過不可控整流和三相逆變器，通過SVPWM控制驅(qū)動三相異步電動機運行。當(dāng)主電路出現(xiàn)過流時，過流保護電路會封鎖驅(qū)動電路的PWM輸出信號，保護主電路并顯示過流信號。

1.2 驅(qū)動電路原理

　　如圖2所示為本實驗所使用的驅(qū)動電路的原理圖，其作用是將DSP產(chǎn)生的，驅(qū)動能力較弱的PWM信號放大為能夠驅(qū)動MOSFET開通和關(guān)斷的信號，使得主電路能夠正常工作。該電路采用自舉的方案，既能適用三相逆變橋的上管，也可以應(yīng)用于下管。

　　圖中電容CqF6延時了PWM輸入，相當(dāng)于開關(guān)切換時加入了硬件死區(qū)。12V電源電壓經(jīng)DqF1-RqF2-DWF1給光耦UqF1供電，穩(wěn)壓管的作用使得光耦的電源電壓為5V，通過二極管DqF3將光耦的輸出高電平電壓鉗位在5.8V左右。在驅(qū)動下管時：當(dāng)PWM輸出低電平時，光耦UqF1隔離輸出為高電平，MOS管QqF1開通，電容CqF4通過回路DqF1-DqF2-CqF4-DqF4-QqF1充電，直至電容兩端的電壓接近12V，此時G6端電壓為零，即為MOSFET關(guān)斷。當(dāng)PWM輸出為高電平時，光耦UqF1隔離輸出為低電平，所以MOS管QqF1關(guān)斷，此時由于電容CqF4電壓12V加在MOSFET QqF2柵源間所以QqF2導(dǎo)通，而12V電壓通過DqF1-RqF5-QqF2使得MOSFET柵極電壓為高電平，使其導(dǎo)通。驅(qū)動上管的工作原理與驅(qū)動下管時相似，主要區(qū)別在于，當(dāng)下管開通時，12V電源電壓經(jīng)DqF1-CqF5給電容CqF5充電直至接近電源電壓。而當(dāng)下管關(guān)斷時，上管驅(qū)動的電源將有此電容供電，起到了自舉作用。

2 過流保護電路的設(shè)計

　　當(dāng)主電路工作異常導(dǎo)致工作電流超過設(shè)定的最大電流時，就會使得過流檢測電路動作，封鎖DSP產(chǎn)生的PWM的輸出，保護實驗設(shè)備的安全。過流檢測和過流保護電路分別如圖3和圖4所示，其中S2和GNDA之間的電壓是通過串入主電路中的康銅絲作為檢流電阻檢測得到。當(dāng)檢流電阻兩端的電壓高于0.7V時，即S2端電壓高于GNDA的電壓，比較器反相端的電壓高于同相端，輸出為低電平。經(jīng)過隔離光耦0601隔離后輸出為5V高電平，經(jīng)過74HC00后3端輸出為低電平，之后經(jīng)過由兩與非門構(gòu)成的SR鎖存器。6端輸出為高電平，11端的輸出是低電平，則發(fā)光二極管LED亮，顯示過流，此時MOS管Qq1導(dǎo)通，驅(qū)動信號被強制下拉為低電平，從而封鎖了PWM驅(qū)動信號;當(dāng)檢流電阻兩端的電壓小于0.7V時，比較器輸出為高電平，經(jīng)光耦0601已經(jīng)74HC00后3輸出為高電平，不影響SR鎖存器的狀態(tài)，電路工作正常。

3 實驗研究

　　實驗平臺主電路結(jié)構(gòu)為電壓型三相交流逆變器，如圖5所示，其中，過流保護電路實物如圖6所示，為方便看清電路板實物大小，圖中以一枚一角硬幣做參照。實驗結(jié)果如圖7所示。

　　從上述調(diào)試結(jié)果(a)圖看出，過流保護電路的保護閾值為1V，即過流1V及以上時，過流保護電路就會動作，不輸出PWM驅(qū)動波形，從而保護主電路。從(b)圖看出，橫軸每格5μs，該保護電路的保護延時時間為8μs。查看MOSFET手冊，可知這兩項測試結(jié)果均符合要求。

4 結(jié)論

　　設(shè)計三相交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的過流保護電路時，兼顧考慮了電源系統(tǒng)，用兩個DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊分別產(chǎn)生所需要的電平，隨后通過實驗測試，確定過流保護電路的保護閾值為1V，保護延時為8μs，所設(shè)計的過流保護電路符合主電路MOSFET要求。

參考文獻：

　　[1]尹聰.一種新穎的變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方法的理論與實驗研究[D].西安:西安工程大學(xué),2012.

　　[2]賀倩.基于DSP的新型交流調(diào)速數(shù)字控制系統(tǒng)的實現(xiàn)及實驗研究[D].西安:西安工程大學(xué),2012.

　　[3]張海亮,陳國定,夏德印.IGBT過流保護電路設(shè)計[J].機電工程, 2012, 29(8):966-970.

　　[4]趙衛(wèi).開關(guān)電源的過流保護電路[J].電子科技，2011, 24(6):116-117.

　　[5]何秀華,楊景紅.大功率IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計[J].信息化研究, 2008, 34(9):20-22.

　　[6]王兆安,劉進軍.電力電子技術(shù)[M].第5版.機械工業(yè)出版社,2009.

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第62頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。