并联变频器的检测与保护电路的设计.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流并联变频器的检测与保护电路的设计.精品文档.并联变频器的检测与保护电路的设计一、引言    对于大功率变频器，由于受到电子元器件性能、价格及工艺结构等因素的制约，目前国内应用的大功率变频器主要依赖进口，而且大功率变频器的造价很高，大大限制了其在工业生产中的应用，影响了节能及生产自动化的进程。因此，寻求一种性价比高、易实现的方案有着十分重要的意义，而变频器并联方案可以满足这一要求。    变频器并联具有性价比高的优点，同时也存在一些问题（如环流，电流、电压、温度信号检测等问题），解决得不好会直接导致系统无法正常运行。因此，设计优良的检测和保护电路尤为重要。    在变频器中，检测电路的主要作用是将变频器和电动机的工作状态反馈至微处理器，并由微处理器按照规定的算法处理后为各部分电路提供控制信号或保护信号，以达到控制变频器输出和保护变频器及电动机的目的，并联变频器亦是如此。检测电路主要包括直流母线电压检测电路、输出电流检测电路、温度检测电路等。测量精度将影响整个系统的控制性能。因此，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”。    二、并联变频器的结构及其存在的问题    （一）并联变频器的结构    并联变频器的结构如图1所示，整个系统由两套独立的变频单元构成。每个单元由主电路、控制电路、驱动电路、检测保护电路4部分构成。两套变频单元主电路在各自输出端串联均流电感后并联接负载电机，控制板公用，通过光纤隔离同步发出PWM驱动信号驱动两台变频器的逆变单元，更好地实现了系统的同步性。在总交流输出侧检测输出电流信号返回到并联转接板。在两台变频器的直流母线上设置电流检测电路，检测信号也返回到并联转接板。同时在每台变频器中安装温度开关，信号也返回到并联转接板。转接板和控制板相连，检测的信号经控制器处理，可完成过流、过压、过热保护。    （二）变频器并联存在的若干问题    1环流问题    由于两台变频器内部元器件参数的分散性，有可能在两台变频器之间形成危害很大的环流，直接影响系统的安全，增设均流电感就是为了消除环流。假如由于某种原因一台变频器的输出电压高于另外一台的输出电压，这时输出电感产生Ldi/dt的反向电压可以抵消这个电压差，达到消除环流的目的。    2电流检测问题    为了控制与保护变频器，在输出侧加电流检测电路是很重要的。但由于并联的特殊性，只检测输出侧的电流是不够的，一旦逆变器发生桥臂直通或击穿故障，反应在直流母线上的电流会增大，故需要增加直流母线电流检测。    3电压检测问题    由于电网电压的波动、负载的瞬变、整流功率器件的断续导电，或者输入电源缺相等都会引起直流母线上电压的变化，无论是对主电路器件的保护，还是对电压的计量和显示，以及高性能控制策略的实施都需要直流电压的瞬时值，因此，必须检测直流母线电压。而对于并联变频器，由于有两个主电路，直流母线也有两个，任何一台变频器的直流母线电压超过设定值都需要保护，因此，如何检测两台变频器的直流母线电压是本文研究的一个重点问题。    4过热问题    逆变模块工作时耗散功率将以热的形式通过散热器传出，散热器温度随耗散功率的增大而升高，当温度超过设计阈值时，必须进行过热保护，否则将损坏功率模块，因此，温度检测也是必不可少的。针对并联变频器的结构，每个变频单元均有独立散热器，任何一个变频单元发生过热，控制器都要产生保护信号。如何处理两台变频器的温度检测信号也是设计中要解决的问题。    三、检测及保护电路的设计    （一）电流检测及保护电路    由于对并联的变频器应用了均流电路，基本上不存在环流，因此，过流保护可对总的输出电流采样，其检测方法主要有直接串联取样电阻法，电流互感器法和霍尔传感器法。    1直接串联取样电阻法这种方法简单、速度快、不失真，但是有损耗，不隔离，只适用于小电流不需要隔离的情况，多用于小容量变频器中。    2电流互感器法这种方法损耗小，与主电路隔离，使用方便，但线性度较低，工作频带窄，具有一定的滞后性。    3霍尔传感器法霍尔传感器具有精度高、线形好、频带宽、过载能力强和测量电路无损耗等优点，已经成为电流检测的主力，因此被普遍采用。    并联变频器要求电流检测精度高，速度快，因此采用霍尔传感器法。经霍尔元件检测的三相输出电流除了进行过流保护外，还要供微处理器进行电流采样。由于检测的电流含有一些高频噪声，因此在检测电路中进行了滤波处理。如图2所示，以U相电流比例给出了检测处理的设计电路，为了不影响信号的相位，滤波时间常数（由R124、和C69确定）选得较小。调理后的信号再经过二极管限幅电路后送人微处理器的A/D采样通道。    霍尔传感器采样的三相输出电流，按1000:1的比例变至副边，经并联转换板上的采样电阻，将电流信号转化为-5V+5V的电压信号送至控制板。三相电流信号分别经绝对值电路后相加引人电压比较器，与参考电平比较，如果高于参考电平，则比较输出电平翻转。将这一信号与微处理器的功率驱动保护中断输入引脚相连，则当过流时，PWM输出被自动置为高阻状态。    对于两台变频器的直流母线的电流，可将采样信号与设定值进行比较，任何一个值大于设定值，则发出保护信号，封锁PWM信号。    （二）过压保护    电压信号的检测可用电阻分压、电压互感器、线险光耦等方法。在很多小功率变频器中由于采用霍尔传感器的成本相对较高，可采用高性能光耦检测。    图4是用HP公司的HCNR 200/201测量电压的实际电路，光耦实际起直流变换器的作用原、副边运放分别采用LM 2904和OP07在测量直流高压时，先采用电阻分压，得到一个低压直流信号，然后经过线性光耦隔离将其变换成与之成正比的直流电压送入A /D转换。    对于较大功率的变频器，考虑到其精度要求等原因，还是采用电压霍尔传感器进行检测    单台变频器的过压保护电路原理与过流保护相似。采样直流母线电压，通过比较电路与过压阈值比较，超过阈值，比较输出电平翻转。比较输出与外部中断XIN12相连，一旦过压，引起中断，由软件作相应故障处理。    对于并联的变频器来说，对两台变频器的直流母线电压分别进行采样，经过比较电路与过压阈值比较，超过阈值，比较输出电平翻转。但对于模拟信号的处理有两种解决方案。    方案一：比较两台的输出，经与门连至微处理器的外部中断XIN12口，任何一个单元过压，都会引起中断，由软件作相应的故障处理，具体过压保护的电路如图5所示。    方案二：对于过压保护进人微处理器的AD-CIN的信号可以采用硬件比较的方法，从而避免了软件的修改，电路如图6所示。    两台变频单元过压保护中的ADCIN信号，经过模拟开关CD4051，利用比较器的输出信号进行选择，选出信号较大的一路进人控制器进行显示和检测。当较大的信一号大于过压阈值时候，该信号将显示在显示板上，同时两路过压保护信号相与后进入控制器，实现过压软件保护，而且还有两路信号与过流和接地短路保护信号相与后接驱动封锁电路，实现故障驱动封锁保护。    （三）过热保护    变频器中的温度信号可以用热敏电阻或温度开关检测。前者可将温度信号转换成电压信号，和阈值进行对比，若超过阈值则进行过热保护。而后者当IGBI功耗大时散热器温度升高，当任何一个变频单元的散热器温度高于阈值时，安装在散热器上的温度继电器触点闭合，给反相器输入一高电平，则反相器输出端变低，经过与门74HC08向微处理器送出信号封锁逆变器。过热保护电路如图7所示。    四、结语    并联变频器的检测与保护关系整个系统运行的安全性、可靠性和控制精度，是整个系统必不可少的部分。本文根据并联的结构特点，给出了电流、电压、温度信号的检测与保护电路，实验证明电路性能良好，具有一定参考价值。