变频调速系统中过流保护电路设计与应用

作者/ 赵文武 陕西铁路工程职业技术学院(陕西 渭南 714000)

摘要：针对三相变压变频调速VVVF系统的过流问题，阐述了系统结构和驱动电路原理，设计了一种过流保护电路，通过实验验证该过流电路保护阈值为1V，保护延时时间为8μs。这两项测试结果都符合MOSFET要求，可有效避免器件损坏，该研究结果具有一定的参考价值。

引言

　　相比于传统的用可控硅实现调压的电源，采用MOSFET或IGBT的开关电源的优点在于输出电压纹波小，输出平均电压大、转换效率高，且该器件的控制方式灵活，所以，电源系统的动态响应速度更快，电源的工作频率提高，因此，滤波器和变压器的体积需要减小。

　　在逆变电路中，有时候会出现过流现象，从而造成器件的损坏。为更好地保护电路，也为让逆变电路更安全地工作，必须加入过流保护电路。本文在三相交流逆变电路中的数字信号处理(DSP)运算和控制的基础上，过流保护电路检测了电流信号，当有过流信号产生时，关断PWM驱动信号，从而实现电路的过流保护。

1 系统结构和驱动电路原理

1.1 系统结构

　　系统实现基于型号为TMS320F2812的DSP处理器，结构框图如图1所示。该系统是交流-直流-交流VVVF电路，主要由以下几大部分组成：主电路、驱动电路、控制电路和辅助电路。电路整流部分使用二极管整流，逆变部分由MOSFET接成三相H输出，整流与逆变的中间直流环节使用大电容滤波。本设计为实验装置，电路软启动通过可调变压器实现，以避免上电瞬间出现较大冲击电流。

　　DSP的主要功能是完成控制方法的运算，并完成电路中电压和电流的检测与计算。系统辅助电路主要由开关电源、电压转换模块、过流保护电流、放电电路、电压检测和电流检测电路、转速检测及调理电路组成。

　　图1中定子线电压、线电流以及转速经检测环节的调理电路后输入DSP，经过矢量控制算法，由DSP输出6路SVPWM，经驱动电路放大后，驱动逆变器工作。220V的交流电经过不可控整流和三相逆变器，通过SVPWM控制驱动三相异步电动机运行。当主电路出现过流时，过流保护电路会封锁驱动电路的PWM输出信号，保护主电路并显示过流信号。

1.2 驱动电路原理

　　如图2所示为本实验所使用的驱动电路的原理图，其作用是将DSP产生的，驱动能力较弱的PWM信号放大为能够驱动MOSFET开通和关断的信号，使得主电路能够正常工作。该电路采用自举的方案，既能适用三相逆变桥的上管，也可以应用于下管。

　　图中电容CqF6延时了PWM输入，相当于开关切换时加入了硬件死区。12V电源电压经DqF1-RqF2-DWF1给光耦UqF1供电，稳压管的作用使得光耦的电源电压为5V，通过二极管DqF3将光耦的输出高电平电压钳位在5.8V左右。在驱动下管时：当PWM输出低电平时，光耦UqF1隔离输出为高电平，MOS管QqF1开通，电容CqF4通过回路DqF1-DqF2-CqF4-DqF4-QqF1充电，直至电容两端的电压接近12V，此时G6端电压为零，即为MOSFET关断。当PWM输出为高电平时，光耦UqF1隔离输出为低电平，所以MOS管QqF1关断，此时由于电容CqF4电压12V加在MOSFET QqF2栅源间所以QqF2导通，而12V电压通过DqF1-RqF5-QqF2使得MOSFET栅极电压为高电平，使其导通。驱动上管的工作原理与驱动下管时相似，主要区别在于，当下管开通时，12V电源电压经DqF1-CqF5给电容CqF5充电直至接近电源电压。而当下管关断时，上管驱动的电源将有此电容供电，起到了自举作用。

2 过流保护电路的设计

　　当主电路工作异常导致工作电流超过设定的最大电流时，就会使得过流检测电路动作，封锁DSP产生的PWM的输出，保护实验设备的安全。过流检测和过流保护电路分别如图3和图4所示，其中S2和GNDA之间的电压是通过串入主电路中的康铜丝作为检流电阻检测得到。当检流电阻两端的电压高于0.7V时，即S2端电压高于GNDA的电压，比较器反相端的电压高于同相端，输出为低电平。经过隔离光耦0601隔离后输出为5V高电平，经过74HC00后3端输出为低电平，之后经过由两与非门构成的SR锁存器。6端输出为高电平，11端的输出是低电平，则发光二极管LED亮，显示过流，此时MOS管Qq1导通，驱动信号被强制下拉为低电平，从而封锁了PWM驱动信号;当检流电阻两端的电压小于0.7V时，比较器输出为高电平，经光耦0601已经74HC00后3输出为高电平，不影响SR锁存器的状态，电路工作正常。

3 实验研究

　　实验平台主电路结构为电压型三相交流逆变器，如图5所示，其中，过流保护电路实物如图6所示，为方便看清电路板实物大小，图中以一枚一角硬币做参照。实验结果如图7所示。

　　从上述调试结果(a)图看出，过流保护电路的保护阈值为1V，即过流1V及以上时，过流保护电路就会动作，不输出PWM驱动波形，从而保护主电路。从(b)图看出，横轴每格5μs，该保护电路的保护延时时间为8μs。查看MOSFET手册，可知这两项测试结果均符合要求。

4 结论

　　设计三相交流变压变频调速系统的过流保护电路时，兼顾考虑了电源系统，用两个DC-DC电源转换模块分别产生所需要的电平，随后通过实验测试，确定过流保护电路的保护阈值为1V，保护延时为8μs，所设计的过流保护电路符合主电路MOSFET要求。

参考文献：

　　[1]尹聪.一种新颖的变频调速系统控制方法的理论与实验研究[D].西安:西安工程大学,2012.

　　[2]贺倩.基于DSP的新型交流调速数字控制系统的实现及实验研究[D].西安:西安工程大学,2012.

　　[3]张海亮,陈国定,夏德印.IGBT过流保护电路设计[J].机电工程, 2012, 29(8):966-970.

　　[4]赵卫.开关电源的过流保护电路[J].电子科技，2011, 24(6):116-117.

　　[5]何秀华,杨景红.大功率IGBT驱动电路的设计[J].信息化研究, 2008, 34(9):20-22.

　　[6]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].第5版.机械工业出版社,2009.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第11期第62页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。