無環(huán)流交交變頻器的零電流檢測(cè)電路

熊 凱，許正望

（1.武漢加多寶飲料有限公司，武漢430056; 2.湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢430068）

0 引言

在變頻器領(lǐng)域，利用以IGBT為代表的全控器件為核心構(gòu)成的產(chǎn)品具有功率因素高、諧波少等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著器件價(jià)格高且比較嬌氣的缺點(diǎn)，以傳統(tǒng)晶閘管為核心構(gòu)成的產(chǎn)品則正好與之相反，尤其在國內(nèi)完全掌握晶閘管制造技術(shù)的情況下，以晶閘管構(gòu)成的變頻器在某些場(chǎng)合具有優(yōu)勢(shì)。

以晶閘管構(gòu)成的交交變頻器以交流到交流的直接變頻、無須中間電容等特點(diǎn)得到較廣泛的應(yīng)用，而交交變頻中無環(huán)流控制方式又以無須高成本的環(huán)流電抗器而得到較多應(yīng)用。在無環(huán)流控制中，輸出正半波的P組整流橋和輸出負(fù)半波的N組整流橋之間的切換要求非常高，一方面要求工作組所有晶閘管全部關(guān)斷之后才能讓等待組投入工作，否則會(huì)發(fā)生電源直通的短路事故；另一方面要求關(guān)斷工作組與開通等待組之間的時(shí)間盡量短，以減小死區(qū)時(shí)間，改善輸出波形，減少諧波；這兩個(gè)方面是互相矛盾的，必須要準(zhǔn)確檢測(cè)到輸出電流減小到零才能在這兩個(gè)方面中獲得一些平衡[1]。

1 傳統(tǒng)零電流檢測(cè)電路分析

對(duì)于電流過零檢測(cè)，由于交交變頻器在工作過程中產(chǎn)生的諧波較多，如果直接檢測(cè)電流難以準(zhǔn)確檢測(cè)到真正的電流過零點(diǎn)，一般采用的方法是檢測(cè)晶閘管上的反壓降，由于電流不為零時(shí)一定有晶閘管導(dǎo)通，其兩端電壓降很小，而電流為零則晶閘管承受正的或負(fù)的電壓較大，通過檢測(cè)管壓降可以確定電流是否為零。檢測(cè)一對(duì)晶閘管壓降的電路一般如圖1所示[1,3]。

圖1 基本零電流檢測(cè)電路

其中穩(wěn)壓二極管 DW 提供一個(gè)導(dǎo)通的門檻壓降，以防止小幅度干擾影響輸出[4]。電阻R1、R2串在回路中，以限制電流。在這個(gè)電路中，電阻的阻值R=R1+R2很難選擇：如果R取值小，則晶閘管上的壓降增加到一個(gè)比較小的值，就可以在光耦輸入端產(chǎn)生較大的電流，光耦輸出端就可以有高低電平的變化，檢測(cè)靈敏性比較好，對(duì)過零點(diǎn)檢測(cè)比較準(zhǔn)確，但R上的功耗會(huì)很大；如果R取值大，則需要晶閘管上的壓降增加到一個(gè)比較大的值，檢測(cè)電路才可以檢測(cè)到，檢測(cè)靈敏性比較差，對(duì)過零點(diǎn)檢測(cè)不夠準(zhǔn)確，但好處是R上的功耗會(huì)比較小。

上述R取值對(duì)功耗和過零點(diǎn)檢測(cè)精度的影響可用一個(gè)典型數(shù)據(jù)具體計(jì)算，當(dāng)2只晶閘管均關(guān)斷時(shí)其上承受交流線電壓，假設(shè)其有效值為380 V，整流橋和穩(wěn)壓二極管壓降總共為10V，而光耦輸入端的LED工作電流以10 mA為分界，當(dāng)輸入電流小于10mA時(shí)，輸出端三極管截止，輸出端L為低電平，當(dāng)輸入電流大于10 mA時(shí)，三極管導(dǎo)通，輸出端L為高電平。取2個(gè)不同的R值分別計(jì)算如下：

1）當(dāng) R=100 Ω 時(shí)

由于100Ω*10 mA=10 V，當(dāng)晶閘管兩端電壓只要超過R與DW上的壓降（忽略光耦輸入端壓降），即10+10=20 V時(shí)，則檢測(cè)電路輸出端L為高電平，否則為低電平，因此電路對(duì)晶閘管上的電壓比較敏感，可以比較靈敏地檢測(cè)電流的過零；但另一方面，若晶閘管一直關(guān)閉，則電阻R上消耗的功率P=U2/R=3802/100=1444 W，該功率消耗太大，即使考慮到晶閘管導(dǎo)通期間電壓比較低，R上消耗的功率總體上來說還是消耗比較大，這將帶來電路尺寸、散熱等方面的負(fù)面影響。

2）當(dāng)R=1000 Ω 時(shí)

由于1000Ω*10 mA=100 V，即需要晶閘管兩端電壓達(dá)到100+10=110 V時(shí)，檢測(cè)電路才能輸出高電平，對(duì)于電流過零的檢測(cè)很不靈敏；但另一方面，若晶閘管一直關(guān)閉，則電阻R上消耗的功率P=U2/R=3802/1000=144 W，該功率消耗較上一種情況有很大的下降，考慮到晶閘管導(dǎo)通期間電壓比較低，R上消耗的功率總體上來說較前一種情況好很多。

因此，使用一個(gè)固定的R無法適應(yīng)功耗和靈敏性兩個(gè)方面的要求，最好是使用一個(gè)可自動(dòng)改變電阻阻值的元件，該元件的特點(diǎn)是當(dāng)電壓比較低的時(shí)候電阻值小，而電壓比較高的時(shí)候電阻值大。

2 零電流檢測(cè)電路改進(jìn)

根據(jù)上述分析，零電流檢測(cè)電路中需要一個(gè)可自動(dòng)改變電阻阻值的元件，恒流二極管正是具有這樣特性的元件，恒流二極管的典型特性曲線如圖2所示。

當(dāng)恒流二極管上所加的電壓比較低的時(shí)候它所呈現(xiàn)出的電阻值比較小，隨著電壓的上升通過恒流二極管的電流也較快地上升，如圖2中電流上升段；而當(dāng)電壓上升到一個(gè)轉(zhuǎn)折電壓（如圖2中接近10 V處）后，恒流二極管就呈現(xiàn)出阻值自動(dòng)改變的特點(diǎn)，通過它的電流會(huì)一直保持恒定（如圖2中約22 mA），并不隨電壓的變化而變化；當(dāng)電壓繼續(xù)上升，超過恒流二極管承受范圍，則發(fā)生過壓擊穿，電流急劇上升，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況[5]。

圖2 恒流二極管典型V-I特性

使用恒流二極管取代限流電阻后的基本零電流檢測(cè)電路如圖3所示。其中H為恒流二極管，以它取代原電路中的2只電阻，由于恒流二極管在承受較低電壓通過電流未達(dá)到其恒流值時(shí)表現(xiàn)出較小的電阻，使檢測(cè)電路靈敏性得到保證，當(dāng)承受的電壓增大到一定程度則其中可以通過的電流被限制在一定值（比如略超過光耦轉(zhuǎn)換狀態(tài)的電流值），相當(dāng)于電流恒定而阻值隨電壓升高而變大，由于電流很小，其消耗的功率也很小，以實(shí)例數(shù)據(jù)計(jì)算如下。

圖3 利用恒流二極管的零電流檢測(cè)電路

仍然同上假設(shè)交流線電壓為380 V有效值，光耦輸入端的LED工作電流以10 mA分界影響檢測(cè)電路輸出的高和低，整流橋和穩(wěn)壓二極管壓降總共為10 V，恒流二極管的恒流值為12 mA，其進(jìn)入恒流的轉(zhuǎn)換電壓值為10 V，則：

當(dāng)晶閘管上電壓為10+10=20 V時(shí)，通過恒流二極管的電流即達(dá)到12 mA，超過檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換狀態(tài)的門限（10 mA），在此之前檢測(cè)電路輸出狀態(tài)就發(fā)生了轉(zhuǎn)換，表明電流過零檢測(cè)的靈敏度很高；

當(dāng)晶閘管上的電壓超過 20V后，恒流二極管的電流一直維持在12 mA，即使在晶閘管一直關(guān)閉的情況下，包括恒流二極管在內(nèi)整個(gè)回路上的消耗的功率僅為P=UI=380V*12 mA=4.56 W，考慮到晶閘管導(dǎo)通期間電壓比較低，該功率消耗將更小，該功率消耗值與上述固定電阻時(shí)的值相差巨大，既減少了能量消耗又使得電路的尺寸和散熱問題變得很好處理。

需要指出的是，由于目前恒流二極管的耐壓值一般最高只有100 V，應(yīng)用于不同電壓場(chǎng)合時(shí)可以使用多個(gè)恒流二極管串聯(lián)以提高整體耐壓值，這種串聯(lián)不需要均壓手段，非常方便，整體的耐壓值為各個(gè)串聯(lián)恒流二極管的耐壓值之和。由于要考慮恒流二極管承受最大電壓而不超出其承受范圍，在線電壓380 V的系統(tǒng)中需要使用至少6只100 V的恒流二極管串聯(lián)，考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)還需增加恒流二極管的數(shù)目。

3 結(jié)論

根據(jù)上述分析，證明使用恒流二極管代替限流電阻可以獲得提高檢測(cè)精度并降低檢測(cè)電路的功率消耗，這樣系統(tǒng)的性能可以得到提升，而且電路的尺寸和成本等還可以略有降低。

隨著相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，在電路設(shè)計(jì)中采用最新的器件有時(shí)可以使電路的性能得到提升或使電路的成本下降甚至同時(shí)獲得性能的提升和成本的下降，本文介紹的恒流二極管代替限流電阻的方法正是二者兼得的一種情況，在類似電路設(shè)計(jì)中可以借鑒。

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[3]周娟.交-交變頻器仿真與零電流檢測(cè)[J].工礦自動(dòng)化，2004.

[4]秦曉平.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的雙饋調(diào)速和串級(jí)調(diào)速[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[5]張曉東.接線簡便的恒流二極管[J].無線電，2011.