變頻調速系統中過(guò)流保護電路設計與應用

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速VVVF系統的過(guò)流問(wèn)題，闡述了系統結構和驅動(dòng)電路原理，設計了一種過(guò)流保護電路，通過(guò)實(shí)驗驗證該過(guò)流電路保護閾值為1V，保護延時(shí)時(shí)間為8μs。這兩項測試結果都符合MOSFET要求，可有效避免器件損壞，該研究結果具有一定的參考價(jià)值。

引言

　　相比于傳統的用可控硅實(shí)現調壓的電源，采用MOSFET或IGBT的開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)在于輸出電壓紋波小，輸出平均電壓大、轉換效率高，且該器件的控制方式靈活，所以，電源系統的動(dòng)態(tài)響應速度更快，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(shí)候會(huì )出現過(guò)流現象，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(guò)流保護電路。本文在三相交流逆變電路中的數字信號處理(DSP)運算和控制的基礎上，過(guò)流保護電路檢測了電流信號，當有過(guò)流信號產(chǎn)生時(shí)，關(guān)斷PWM驅動(dòng)信號，從而實(shí)現電路的過(guò)流保護。

1 系統結構和驅動(dòng)電路原理

1.1 系統結構

　　系統實(shí)現基于型號為T(mén)MS320F2812的DSP處理器，結構框圖如圖1所示。該系統是交流-直流-交流VVVF電路，主要由以下幾大部分組成：主電路、驅動(dòng)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)節使用大電容濾波。本設計為實(shí)驗裝置，電路軟啟動(dòng)通過(guò)可調變壓器實(shí)現，以避免上電瞬間出現較大沖擊電流。

　　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。系統輔助電路主要由開(kāi)關(guān)電源、電壓轉換模塊、過(guò)流保護電流、放電電路、電壓檢測和電流檢測電路、轉速檢測及調理電路組成。

　　圖1中定子線(xiàn)電壓、線(xiàn)電流以及轉速經(jīng)檢測環(huán)節的調理電路后輸入DSP，經(jīng)過(guò)矢量控制算法，由DSP輸出6路SVPWM，經(jīng)驅動(dòng)電路放大后，驅動(dòng)逆變器工作。220V的交流電經(jīng)過(guò)不可控整流和三相逆變器，通過(guò)SVPWM控制驅動(dòng)三相異步電動(dòng)機運行。當主電路出現過(guò)流時(shí)，過(guò)流保護電路會(huì )封鎖驅動(dòng)電路的PWM輸出信號，保護主電路并顯示過(guò)流信號。

1.2 驅動(dòng)電路原理

　　如圖2所示為本實(shí)驗所使用的驅動(dòng)電路的原理圖，其作用是將DSP產(chǎn)生的，驅動(dòng)能力較弱的PWM信號放大為能夠驅動(dòng)MOSFET開(kāi)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，也可以應用于下管。

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

2 過(guò)流保護電路的設計

　　當主電路工作異常導致工作電流超過(guò)設定的最大電流時(shí)，就會(huì )使得過(guò)流檢測電路動(dòng)作，封鎖DSP產(chǎn)生的PWM的輸出，保護實(shí)驗設備的安全。過(guò)流檢測和過(guò)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(guò)串入主電路中的康銅絲作為檢流電阻檢測得到。當檢流電阻兩端的電壓高于0.7V時(shí)，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(guò)隔離光耦0601隔離后輸出為5V高電平，經(jīng)過(guò)74HC00后3端輸出為低電平，之后經(jīng)過(guò)由兩與非門(mén)構成的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(guò)流，此時(shí)MOS管Qq1導通，驅動(dòng)信號被強制下拉為低電平，從而封鎖了PWM驅動(dòng)信號;當檢流電阻兩端的電壓小于0.7V時(shí)，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(shí)驗研究

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

　　從上述調試結果(a)圖看出，過(guò)流保護電路的保護閾值為1V，即過(guò)流1V及以上時(shí)，過(guò)流保護電路就會(huì )動(dòng)作，不輸出PWM驅動(dòng)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(shí)時(shí)間為8μs。查看MOSFET手冊，可知這兩項測試結果均符合要求。

4 結論

　　設計三相交流變壓變頻調速系統的過(guò)流保護電路時(shí)，兼顧考慮了電源系統，用兩個(gè)DC-DC電源轉換模塊分別產(chǎn)生所需要的電平，隨后通過(guò)實(shí)驗測試，確定過(guò)流保護電路的保護閾值為1V，保護延時(shí)為8μs，所設計的過(guò)流保護電路符合主電路MOSFET要求。

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