富士变频器中常见的检测与保护电路

1、富士变频器中常见的检测与保护电路标签：杂谈1引言控制系统反馈量检测的精确程度，从某种意义上说，很大程度上决定了控制系统所能达到的控制品质。检测电路是变频调速系统的重要组成部分，它相当于系统的“眼睛和触觉”。检测与保护电路设计的合理与否，直接关系到系统运行的可靠性和控制精度。2变频器常用检测方法和器件2.1电流检测方法图1电流互感示意图电流信号检测的结果可以用于变频器 转矩和电流控制 以及过流保护信号。电流信号的检测主 要有以下几种方法。(1) 直接串联取样电阻法这种方法简单、可靠、不失真、速度快，但是有损耗，不隔离，只适用于小电流并不需要隔 离的情况，多用于只有几个kva的小容量变频器中。(2

2、) 电流互感器法这种方法损耗小，与主电路隔离，使用方便、灵活、便宜，但线性度较低，工作频带窄(主 要用来测工频)，且有一定滞后，多用于高压大电流的场合。如图1所示。图1中，r为取样电阻，取样信号为：us=i2r=i1r/m (1)式中，m为互感器绕组匝数。电流互感器测量 同相的脉冲电流ip时，副边也要用恢复二极管整 流，以消除原边复位 电流 对取样信号 的影响，如图2(a)所示。在这种电路中，互感器 磁芯单向磁化，剩磁大，限制了 电流测量 范围，可以在副边加上一个退磁回路，以扩展其测量范围，如图2(b)所示。电流互感器检测 后一般要通过整流后再用电阻取样，如图2(a)。由于主回路电流会有尖峰，

3、 如图3(a)，这种信号用于峰值电流控制和保护 都会有问题。图2电流互感器及范围扩展随着脉宽的减小，前沿后斜坡峰值可能比前沿尖峰还 低，就会造成保护电路 误动作，所以要 对电流尖峰进行处理。处理的方法见图3(b)，和rs并联一个不 大的电容cs,再加一个合适 的rc参数，就能有效地抑制电流尖峰。如图3(c)所示。c滦渋后赫沖皑孟的需暑仍PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建 PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建 图3电流取样信号的处理(3) 霍尔传感器法它具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失

4、测量电路能量等优点。其原 理如图4所示。图4中，ip为被测电流，这是一种磁场平衡测量方式，精度比较高，若lem的变流比为1:m， 则取得电压us也符合式。在通用变频器中 霍尔传感器已成为电流检测的 主力。2.2电压检测方法电压信号检测的结果可以用于变频器 输出转矩和电压控制以及过压、欠压保护信号。电压信 号的检测可用电 阻分压、线性光耦、电压互感器或霍尔传 感器等方法。PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建 PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建 3)霍尔电压传感器法:原理与霍尔电流传感器类似，如图5所示。 线

5、性光耦法：霍尔电压传感器具有反应速度快和精度高的特点，但是在小功率的变频器PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建 中，采用霍尔传感器的成 本昂贵，而采用高性能的光耦则可降低成本。像hp公司生产的线 性光耦hcnr200/201等具有很高的线性度和灵敏度，可精确 地传送电压信号。图6是一个用 hcnr200/201测量电压的实际电路，光耦实际上起直流变压器的作用。图6中，原边运放采 用的是单电源供电的lm2904，副边运放采用精密运放op07。在测量直流 高压时，应先采用 电阻分压降压，以得到一个未经隔离的低压直流信号，然后经过线性光耦隔离将其变换成与

6、之成正比的直流电压送入a/d转换测量。另外，完全可以利用光耦的线性和隔离功能结合直 接串联分流器测量电流。2.3转速检测方法图5霍尔电压检测方法图6高压直流电压线性光耦测量电路变频调速系统的主要应用领域是电气传动系统，为实现诸如矢量控制等一类的高性能控制。 系统中常常 需要检测电机的转速，主要有2种方法：(1) 测速发电机:测速发电机工作可靠，价格低廉，但存在非线性和死区的问题，且精度较差。(2) 光电编码器:光电编码器与传动轴连接，它每转一周便发出一定数量的脉冲，用微处理器 对脉冲的频率或周期进行测量，即可求得电机转速。光电编码器可以达到很高的精度，且不 受外部的影响，可以用于高精度的控制中

7、。采用光电脉冲编码器检测转速，通常有3种方法：a) m法:即测频法。在一定时间t内，对编码器输出的脉冲计数，从而得到与转速成正比的 脉冲数m,若光电脉冲编码器一周输出p个脉冲，则转速为n= 60m/(pt) , n的单位为r/min。 该法适用于中高速检测，因为转速越高，一定时间内的脉冲数就越多，分辨率和精度就越高。b) t法:即测周期法，通过测量编码器发出脉冲的周期来计算电机转速。脉冲周期的测量是借助某一时钟频率确定的时钟脉冲来间接获得。若时钟频率为fc,测得的时钟脉冲数为 m, 则转速为n=60fc/(mp) , n的单位为r/min。该法与测频法相反，适用于较低转速。c) m/t法:结合

8、了 m法和t法各自的特点，由定时器确定采样周期t，定时器的定时开始时刻 总与编码器的第一个计数脉冲前沿保持一致，在t时间内得到脉冲数ml,同时，另一个计 数器对标准的时钟脉冲进行计数，当t定时结束时，只停止对编码器的计数，而t结束后光 电脉冲编码器输出第一个脉冲前沿时，才停止对标准时钟脉冲的计数，并得到计数值m2, 其持续 时间为td=t+ S t。其时序如图7所示。可以推导出此时转速可表示为n=60fsm1/(pm2)。 m/t法是转速检测的较为理想的手段，可在宽的转速范围内实现高精度的测量，但其硬件和 数据处理的软件相对复杂。01SU转速脉冲LTUTLTLHT1厂基蠶鲫Zlr图7m / t

9、法的时序3电流检测与保护电路3.1电流传感器检测的过流保护电路变频器驱动的负载一电动机不同于其它负载(如电热炉、电解、电镀等)，它是将电能转换为 机械能的装置，既有电气行为又有机械旋转运动，电机启动带来的电气和机械冲击问题历来 是工程师们关注的焦点，无论是电气绝缘破损还是机械故障都可能使变频器因过电流而损 坏，过电流故障从来就是变频器最常见的故障，也是损坏变频器最主要的原因。那么变频器 过电流的原因是什么呢？其实，输出短路、电机绕组破损、机械负载堵转、电机加速过快、 逆变主开关器件失效、干扰造成的误导通(即直通)等都能导致变频器过电流。过流保护最简单的方法是 熔断器保护法，但这种保护动作慢，不

10、足以实现快速保护，尤其是 不能直接保护igbt、mosfet等熔通达时间小的高性能器件。图8所示的检测电路中，有一些能检测各种过流信号，经处理后可送到ic控制芯片的保护端(shot dow n or close),或直接封锁开关管的驱动脉冲，如图8(b)所示。图8过流保护电路图8中的过流保护都是可以自恢复的，也就是说，当过流现象消失后，也就不再保护。在实 际电路中，过流一般都是不正常现象，或者说是故障。所以，过流保护应该是不可以自恢复 的，需要停电排除故障后人工恢复逆变电路的工作。这种不可以自恢复的电路可以用反馈自 锁或者用可控硅电路实现，如图9所示。ftr图9不可恢复的过流保护电路PWM*千

11、吨皆唱址3CR3.2开关管过流状态自识别保护我们知道，开关管的导通压降是和导通电流有关的，当开关管过流时，其导通压降会明显上 升。因此，我们可以通过检测开关管的导通压降，与正常值比较，并与截止状态相区别，从 而识别出开关管的过流状态，以gto为例，实际电路如图10所示。图10 gto门极驱动和过流状态自识别保护电路图10中，要开通gto时，Oa点电位由低变高，0点出现一个正脉冲，t4导通，Od点变 低，Oe点变高，Of点变低，t5截止，t6导通，gto导通。gto导通后，Od点保持低电平。 当发生过流时，Od点变高，当高于O e点时（设置的过流点）,O f变高，t5导通，t6截止， t7导通，

12、gto关断，实现过流保护。在许多开关管驱动芯片或厚膜电路中都设置了这一项功能。例如，exb841型igbt厚膜驱动 电路中，6号端就是通过二极管d来识别igbt开关管过流状态并通过保护电路来保护的。而 且，这种保护电路 还可以实现软关断功能。3.3变频器实用电流检测 及过流保护电路 举例如图11所示为日本fuji公司设计的变频器常用的电流检测及过流保护电路。其设计思路和原理如下。图11变频器常用的电流检测 及过流保护电路电流检测 信号来自逆变器u、v两相输出端的霍尔电流传感器，霍尔元件通过插座cn2获得 15v电源。u、v两相电流检测 信号经首级运放a6和a5放大20倍后送入二级运放a8和a7

13、。 调整二级运放的放大倍数即可整定过流保护动作值。u、v两相电流通过反相加法器a9叠加 获得w相电流信号。u、v、w各相电流分 别同时送入两个比较器的正、反相输入端。比较 器正、反相输入端的参考电压分别为+10v和-10v。当三相电流正常时其对应的电压在土 10v 之间，六个比较器相与后输出为1,此信号经三极管反相后送入由多谐振荡器d4528组成的 单稳态触发器，-q输出为0，比较器a17、a18输出信号也应为0,保护电路 不动作。一旦过流，比较器相与后输出信号为0, d4528的输入信号（5脚）为1,其输出经单稳延时后 才变为1，通过三极管vt2放大后去关闭igbt的驱动信号并通知cpu发出

14、过电流报警信号。 单稳态触发器的作用是这样的:在延时期间若电流恢复正常，则d4528的输出信号不改变， 这就避免了一些干扰信号或瞬间尖峰电流造成的保护电路 误动作，保证了变频器正常工作。 4电压检测与保护电路4.1变频器直流 侧电压检测与保护电路尽管我们在分析spwm变频器原理的时候经常假设变频器直流 侧电压是不变的，但事实上它 一直是波动的。交流电网电压的波动、负载瞬变、整流器功率器件的断续导电、或者输入电 源缺相等等都会引起直流电压变化。实际上，无论是对主电路器件及电动机的保护，还是对 直流侧和交流输出电压的计量和显示，乃至高性能控制策略的实施都经常需要直流电压的瞬 时值或有效值。例如近年

15、来人们已经发现性能优越的矢量控制对直流中间环节电压和负载的 扰动十分灵敏，当装置运行在弱磁条件下时，中间直流电压的降低可能导致电流失控和失去 磁场的方位，几乎所有的解决方案都需要精密检测直流 环节的电压，因此合理设计直流测电 压检测电路 显得非常重要。变频器主电路中间环节的电压信号的检测可 采用电阻分压、线性 光耦、电压互感器或霍尔传感器等。图12直流电压检测与控制 及保护电路(1)基于线性光耦的电压检测与保护电路图12所示为常用的基于线性光耦的电压检测与保护电路，它 具有直流电压实时检测、直流 过压保护、欠压保护及制动单元启停等功能，并为控制电路和 显示电路提供信号。直流侧电 压采用电阻进行

16、分压降压，经过线性光耦tlp559后分压变为弱电电压信号。然后经逻辑比 较和线性运算电路处理输出与上述四种功能对应的信号。直流电压检测电路直流电压经r501和r502分压转变弱电信号，经线性光耦tlp559变换和隔离后 再通过r186 调节，送入电压跟随器，以增强带载能力。电路由ic120, ic121a，ic121b，ic121c及电阻组 成。由于直流侧电压很高，测量范围上限一般定为850v,若测量范围定为0850v,因受a/d转 换器位数的限制，则测量和显示分辨率低，影响控制和显示精度。考虑到变频器在正常工作 时，其直流侧电压总是大于500v,因此可在电路中增设减法电路，将测量下限值提高到

17、500v， 这样就将测量范围缩为0350v。该减法电路由ic121c及电阻组成，使得ud=500v时，un=0v。 n点电压用于控制及显示。(b) 制动单元驱动电路对于电压型变频器，为了限制电机在减速制动时在直流侧产生的泵升电压，保证变频器正常 运行实现快速制动，需设计制动单元驱动电路，控制 连接制动电阻的igbt。电机制动单元驱动电路由ic122c及电阻组成。电动机工作于发电状态且使直流母线电压ud 超过上限阈值udlh时，z点即输出高电平，使连接制动电阻的igbt导通，将直流母线上的 能量消耗在制动电阻上，迫使ud回落；当ud小于下限阈值udll后再关断igbt。为避免在某 一点附近频繁切

18、换，电压控制采用滞环控制方式，即udlh>udll。电动机发电状态结束后， 必须断开制动电阻，因此要大于电动状态时可能出现的最高直流母线电压udm。设三相电网 电压波动为+15%-15%，则经整流后，直流母线上可能出现的最高电压为：U0M JI 220 1.15=6207故取 udlh=660v ,。由公式可得:un=3.7647v接入制动电阻，un=2.8235v断开制动电阻。由图12电路参数可得:233 + 甩*比较器上限：农七险一 尺曲+斤伽比较器下限：LfNH =选择 r193=10k , r194=137.5k , r196=30k, r233=6.2k , r234=15k，

19、可满足上述要求。(c) 直流过压保护图12电路中，m点的电压通过与比较器ic122b参考电压比较，得到过压信号，送故障处理 单元和数字显示电路，并由led104显示其状态。设ud升至800v时过压保护动作，降至750v时恢复，即由公式可得:um=9.41v过压保护动 作，um=8.82v时恢复:PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建 PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建 峻器上限:“MHH左1虫+尺审5PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建 PDF 文件使用"

20、;pdfFactory Pro"试用版本创建 比较器下限：选择 r164=15k，r165=300k，r173=310k，r235=6.8k，r236=2.31k，可满足上述要求。(d) 直流欠压保护同样地，图12电路中，m点的电压通过与比较器ic122a参考电压比较，得到欠压信号，送 故障处理单元和数字显示电路，并由led107显示其状态。设ud降至400v时欠压保护动作，再升至460v恢复，由图12可以分析出:um=4.7059v时欠 压保护动作，um=5.4118v时恢复。设比较器下限为umll，比较器上限为umlh:选择 r185=10k , r172=7.5k , r177

21、=10k , r179=153.85k , r180=355.45k，可满足上述要求。(2)基于电阻分压法的电压检测与保护电路图13是日本fuji公司设计的变频器常用的 基于电阻分压法的欠压和过压保护电路。图13基于电阻分压法的电压检测与保护电路直流电压检测从中间直流回路并联的分压电阻两端采集信号。直流高电压(约540600v)经 r61、r62分压后，分别送至4个比较器a1a4的正相输入端与4个参考电压a、b、c、d比 较，以完成过压和欠压保护并通知cpu发出相应的报警信号。比较器参考电压取自电阻r51r57组成的分压器，10v标准电压经电阻分压后取出4个不同 的参考电压分别送至4个比较器的

22、反相 输入端，比较器的输出信号经光耦隔离、阻容滤波之 后再经施密特反向器关闭igbt，同时送cpu进行处理。正常状态下，电压取样值(3v左右)处于b点和c点的电位之间，比较器a1、a2输出“ 0 ”， a3、a4输出“ 1 ”。经过隔离、滤波、反向处理，最终的输出在图中由上到下为0011,这是 正常工作信号。b、c间的电压范围较 大，当交流电源电压在300460v间变化时，变频器正 常工作。一旦交流电源电压高于460v，电压取样随即高于b点电压，位于a、b电位之间， a1输出0，a2、a3、a4输出1，电路输出过压信号0111;而当电源电压降至300v以下，电压 取样立即低于c点电压，处于c、

23、d电位之间，a1、a2、a3输出0，a4输出1，此时电路输 出欠压信号0001。这样，变频器便发出过压或欠压预报警信号，并按预定的控制 顺序关机。4.2变频器输出电压检测电路前面已经提到，变频器在调频的同时必须调压，因此逆变器输出交流电压的控制与检测是 至 关重要的。采用高速数字光耦是一种测量变频器 交流输出电压的简单而有效的方法。高速数字光耦 6n 136，6n 137，hcpl3120，pc900v等具有体积小、寿命长、抗干扰性强、隔离 电压高、高速 度、与ttl电平兼容等优点，在数据信号处理和信号传输中应用的十分广泛，可用来检测变 频器交流输出电压。这里介绍一种简单实用的用线性光耦实现的

24、变频器 输出电压检测的电PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建 路，如图14所示。PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建 图14变频输出交流电压检测电路及光耦结构 图利用光耦6n 137和电阻降压电路采集逆变器u、v、w三相输出对直流环节负极n的电压信 号，这样三相信号都变为单极性spwm电压脉冲，便于与单向光耦匹配。单极性spwm脉冲 电压经小电容滤波后便成为如图15所示的比较平滑的正弦半波信号，它反映了逆变器交流 电压（半波）的瞬时值，然后送相应的cpu或asic处理，根据需要既可以得到电压的瞬时值， 也可以计算出电压的有效值。既能满足控制的需要，又可以满足显示计量的需求。例如，日 本sanken公司研究的电压矢量控制变频器 就是利用这种电路完成对交流输出电压的测量， 控制效果良好。5变频器中的 其它检测与保护电路PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建 PDF 文件使用"pdfFactory Pro