IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)中的缺相和過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

李本紅（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山　528137）

IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)中的缺相和
過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

李本紅
（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山528137）

摘要：IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)中的缺相和過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法很多，本設(shè)計(jì)基于電流互感器對(duì)線路電流進(jìn)行檢測(cè)，利用三相電流的對(duì)稱性檢測(cè)斷路保護(hù)，設(shè)定電流區(qū)間利用電子線路對(duì)過(guò)流進(jìn)行保護(hù)，功能可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)調(diào)試可行。

關(guān)鍵詞：交流調(diào)速系統(tǒng)；缺相和過(guò)流；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

*佛山市工業(yè)產(chǎn)品精密檢測(cè)基礎(chǔ)科研平臺(tái)項(xiàng)目（編號(hào)：2013AG10010）

0　前言

近年來(lái)，交流變頻調(diào)速?gòu)V泛應(yīng)用在門式起重機(jī)、電梯、城市恒壓供水和數(shù)控機(jī)床主軸等工業(yè)控制領(lǐng)域，不僅充分利用了三相交流電機(jī)堅(jiān)固、耐用和價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)結(jié)合恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速的特點(diǎn)，使得交流調(diào)速的性能得到極大的提高，使用控制領(lǐng)域逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。

下面介紹一種基于IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)措施，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是同步調(diào)節(jié)U/F=常數(shù)，電流基本穩(wěn)定為恒定，電磁力矩穩(wěn)定為常數(shù)：

其中：Eg為定子感應(yīng)電勢(shì)，ω1為定子角頻率，R'r為轉(zhuǎn)子電阻折算到定子的電阻值，S為轉(zhuǎn)差率，L'1r為定子折算后的電感。

該系統(tǒng)只有滿足Eg/ω1=常數(shù)，就能滿足氣隙磁場(chǎng)的穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子力矩的穩(wěn)定為常數(shù)。該系統(tǒng)調(diào)速模式簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證其控制可靠性高，獲得良好的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)[6]。

1　基于IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)工作原理介紹

該系統(tǒng)主要由系統(tǒng)給定、積分電路、U/F函數(shù)發(fā)生器、正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器、延時(shí)電路以及驅(qū)動(dòng)放大電路組成（如圖1所示）。其中開(kāi)通延時(shí)器主要是避免橋臂上兩個(gè)IGBT在換相時(shí)上下直通，造成短路故障。給定及積分電路主要是進(jìn)行正方向限幅和加減速時(shí)間調(diào)整，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)減少啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的沖擊電路，避免主回路由于機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能在主回路電容上造成泵升電壓而危害IGBT的安全。驅(qū)動(dòng)電路主要實(shí)現(xiàn)脈沖分配。U/F函數(shù)發(fā)生器主要產(chǎn)生一種（U/F=恒量）的正弦波，并且是一種帶限幅的斜坡信號(hào)，基頻以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上采用弱磁調(diào)速控制方式。

比較器是形成SPWM的關(guān)鍵器件，比較器將三角波和正弦波進(jìn)行比較，形成不同脈沖寬度的脈沖信號(hào)，此信號(hào)進(jìn)過(guò)整形后提供給驅(qū)動(dòng)回路，比較器工作原理如圖2所示。

圖1　VVVF系統(tǒng)原理圖

圖2　比較器工作原理

綜上所述，此系統(tǒng)的工作過(guò)程大致如下：由給定信號(hào)(給出轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速大小)→起動(dòng)(或停止)信號(hào)→給定積分器(實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)、減小起動(dòng)電流)→U/f函數(shù)發(fā)生器→SPWM控制電路(由體現(xiàn)給定頻率和給定幅值的正弦信號(hào)波與三角波載波比較后產(chǎn)生SPWM 波)→驅(qū)動(dòng)電路模塊→主電路(IGBT管三相逆變電路)→三相異步電動(dòng)機(jī)(實(shí)現(xiàn)了VVVF調(diào)速)[2]。

2　IGBT-SPWM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)的缺相和過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

以上IGBT-SP?WM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)的缺相和過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法很多，往往采用溫度檢測(cè)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，電流檢測(cè)進(jìn)行故障顯示，并采用單片機(jī)、計(jì)算機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器或PLC進(jìn)行集成控制保護(hù)并顯示。下面介紹一種簡(jiǎn)單、可靠的設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)進(jìn)行短路和斷相保護(hù)，并提供短路、斷相故障指示，電路圖如圖3所示。

缺相保護(hù)電路的工作原理是利用三相交流互感器是否平衡進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)電機(jī)主電源接通后，三相交流互感器感應(yīng)電流經(jīng)過(guò)濾波經(jīng)過(guò)VT1、VT2、VT3、VD4、VD5、VD6放大后，如果三相電源是對(duì)稱的，VT1、VT2、VT3輸出的電壓相等，VT4基極電壓為0，VT4關(guān)閉，VT5導(dǎo)通，繼電器K1得電，指示燈HL1亮，工作正常，表明電源沒(méi)有缺相[3]。

過(guò)流檢測(cè)電路的原理是在沒(méi)有缺相的前提下，如果電路缺相，缺相保護(hù)電路斷開(kāi)交流接觸器KM1?？刂齐娐分械碾娏骰ジ衅鞑捎脴?biāo)準(zhǔn)電流互感器0.5P，二次電流為1安培進(jìn)行測(cè)試，電阻采用5Ω25W的陶瓷電阻，電流互感器輸出電壓為5 V，經(jīng)測(cè)試VT6基極和射集電壓，VT8基極和集電極電壓數(shù)據(jù)如表1所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)分析和調(diào)試，該電路檢測(cè)的誤差為10%以內(nèi)可以可靠的關(guān)斷過(guò)流電路。而電機(jī)在正常工作過(guò)程中允許±10%電網(wǎng)電壓的波動(dòng)造成的過(guò)流現(xiàn)象，證明改電路可靠和可執(zhí)行。

圖3　電機(jī)缺相和斷相保護(hù)電路

VT9設(shè)計(jì)的目的在于通電瞬間，電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)還沒(méi)有建立，電機(jī)定子電流具有比較大的沖擊，為避免啟動(dòng)瞬間造成過(guò)流檢測(cè)電路斷開(kāi)電機(jī)回路而出現(xiàn)誤動(dòng)作。工作原理是三相電機(jī)啟動(dòng)瞬間電流沖擊很大時(shí)，VT9保持VT8導(dǎo)通，繼電器K2得電，隨著電容C5通過(guò)R14進(jìn)行充電，其基極電壓逐漸降低，VT9逐漸由飽和導(dǎo)通進(jìn)入截至狀態(tài)，由電阻R14和C5參數(shù)可知，設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間為1.5 s[4]。

3　結(jié)束語(yǔ)

該交流調(diào)速系統(tǒng)中的缺相和過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)在機(jī)床主軸變頻改造項(xiàng)目中的應(yīng)用，電流互感器采用標(biāo)準(zhǔn)電流互感器，性能可靠，成本低廉，對(duì)電機(jī)過(guò)載和缺相保護(hù)線路設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值，值得借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］許廖.電機(jī)與電控技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］孔凡才.自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］馬孝琴.新編電工實(shí)用電路集萃［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［4］程周.實(shí)例講解Multisim 10電路仿真［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［5］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

(編輯：向飛)

IGBT-SPWM-VVVF AC Speed Regulating System of Phase Loss and Over-Current Protection System Design

LI Ben-hong
（Foshan Polytechnic College，F(xiàn)oshan528137，China）

Abstract:There are many designs on Phase Loss and Over-current Protection System in IGBT-SPWM-VVVF AC speed regulating system.In this article the author designed a related electronic curcuit to protect over-current and short curcuit based on the current transformer(CT) to test the line current.And it is with reliable function, simple structure and hign feasilibility after debugging.

Key words:AC Speed Regulating Systerm；Phase Loss and Over-current；system design

作者簡(jiǎn)介：李本紅，男，1974年生，湖南祁陽(yáng)縣人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，已發(fā)表論文8篇。

收稿日期：2015－01－23

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.07.026

文章編號(hào)：1009－9492 (2015 ) 07－0086－03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM344.4