通用變頻器檢測(cè)與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)策略探討

國(guó)華巴彥淖爾（烏拉特中旗）風(fēng)電有限公司 李 貴

在通用變頻器中，電路檢測(cè)是電路保護(hù)的前提工作，一般是將變頻器和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)及時(shí)反饋給中央微型處理器，然后由微型處理器按照規(guī)定的算法程序處理各部分電路提供的控制信號(hào)和保護(hù)信號(hào)，通過(guò)這樣的作用達(dá)來(lái)操控變頻器和電動(dòng)機(jī)。一般的檢測(cè)電路主要有直流電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)、輸出電壓檢測(cè)、給變頻器和電動(dòng)機(jī)提供電子熱保護(hù)所需要的溫度檢測(cè)電路等，由此可見通用變頻器可廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)中。

通用變頻器的檢測(cè)和電路保護(hù)是整個(gè)電路控制系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵，有人將電路檢測(cè)比喻成變頻控制系統(tǒng)的眼睛和觸覺(jué)，是因?yàn)殡娐窓z測(cè)在整個(gè)變頻控制系統(tǒng)中的地位是不可替代的。只有科學(xué)開展變頻器檢測(cè)、加強(qiáng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)才可確保變頻器系統(tǒng)的高速、安全運(yùn)行。本文將展開對(duì)變頻器檢測(cè)與電路保護(hù)定義的闡述，重點(diǎn)分析國(guó)內(nèi)通用變頻器檢測(cè)與電路保護(hù)的設(shè)計(jì)策略。

1 變頻器檢測(cè)與電路保護(hù)的概念闡述

在控制系統(tǒng)中，變頻器檢測(cè)就是將變頻器和電動(dòng)機(jī)在工作狀態(tài)中的情況及時(shí)反饋給中央處理器，隨后根據(jù)提供的信息，處理器將對(duì)各部分控制額電路提供控制信號(hào)或保護(hù)信號(hào)，通過(guò)這一過(guò)程保護(hù)電路。電路保護(hù)主要是利用電路檢測(cè)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)控制系統(tǒng)的目的，主要是通過(guò)直流電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)，輸出電壓檢測(cè)、溫度測(cè)試等方式進(jìn)行檢測(cè)電路，在變頻器的整個(gè)控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)是否能夠精確反映和反饋檢測(cè)的數(shù)據(jù)情況，決定了變頻器控制系統(tǒng)的使用壽命和安全性能高低。

2 通用變頻器檢測(cè)具體方法

2.1 電壓檢測(cè)

一般情況下，可通過(guò)電壓檢測(cè)的方法促使通用變頻器保護(hù)系統(tǒng)有效發(fā)揮保護(hù)目標(biāo)，通用變頻器電壓檢測(cè)是指利用高性能光耦提高檢測(cè)速率來(lái)降低檢測(cè)成本，該方法可廣泛應(yīng)用于小功率變頻器。在檢測(cè)高流直流電壓時(shí)，主要使用分壓和解壓電阻的方法，以此保證直流電壓信號(hào)保持低速運(yùn)行。在檢測(cè)直流過(guò)壓保護(hù)時(shí)，可通過(guò)比較電壓通過(guò)的狀態(tài)和比較器對(duì)照電壓獲取過(guò)壓信號(hào)，通過(guò)故障處理單元獲取其狀態(tài)。另外，光耦本身具有高靈敏度和線性度、隔離功能等特點(diǎn)，其中隔離功能可有效分解高壓電流和線性度的融合，通過(guò)串聯(lián)分流器測(cè)量電壓值，由此可見該方法是一種常用的通用變頻器電壓檢測(cè)方法。

2.2 電流檢測(cè)

通用變頻器的負(fù)載可將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其通過(guò)電氣運(yùn)動(dòng)和機(jī)械旋轉(zhuǎn)的有效結(jié)合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，對(duì)于復(fù)雜的變頻器驅(qū)動(dòng)裝置而言，其系統(tǒng)運(yùn)行中電氣絕緣體會(huì)被破壞，最終導(dǎo)致輸出電流出現(xiàn)故障情況、電氣機(jī)械負(fù)荷較大、電機(jī)運(yùn)行過(guò)快、電氣元件過(guò)度干擾等問(wèn)題。以上這些問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致通用變頻器電流輸出受阻，因此可通過(guò)熔斷器保護(hù)功能加強(qiáng)電流保護(hù)，但是熔斷器無(wú)法應(yīng)用在意外情況下需要即刻保護(hù)、融通達(dá)時(shí)間短的元件。

2.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)

轉(zhuǎn)速檢測(cè)主要進(jìn)行矢量控制，其可有效控制一些高能耗的電力傳送系統(tǒng)，以此有效檢測(cè)電力系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速常用的檢測(cè)裝置是測(cè)速儀器和光電編碼儀器，這兩種儀器測(cè)量準(zhǔn)確度高，抗干擾因素強(qiáng)，可保證測(cè)量結(jié)果的可靠性和精確性。對(duì)于通用變頻器而言，其輸出的交流電壓控制性檢測(cè)是檢測(cè)的主要環(huán)節(jié)，其可有效發(fā)揮電路保護(hù)的功能。一般通用變頻器無(wú)速度傳感器矢量控制需要進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，比如變頻器輸出電流的脈沖頻率和寬度，其計(jì)算數(shù)據(jù)的精確性直接影響輸出電壓的有效性[1]。

2.4 電源相缺和故障電路檢測(cè)

電源相缺和故障電路檢測(cè)常應(yīng)用于通用變頻器輸入和輸出端口中電流感應(yīng)程度的檢測(cè)中，主要檢測(cè)三相電流的平衡力度。如果電源發(fā)生缺電漏電的問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)檢測(cè)三相電流感應(yīng)的不平衡數(shù)值，以此檢測(cè)出感應(yīng)出線圈的感應(yīng)電勢(shì)，最終終端系統(tǒng)輸出故障信號(hào)，工作人員通過(guò)信號(hào)來(lái)解決故障問(wèn)題。

2.5 制動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)

制動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)主要應(yīng)用在電壓型變頻器中，其可控制電機(jī)在減速制動(dòng)過(guò)程中在直流側(cè)產(chǎn)生的泵升電壓，以此確保變頻器可進(jìn)行制動(dòng)。一般需要設(shè)計(jì)制動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電路，和控制聯(lián)合制動(dòng)電阻連接，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在發(fā)電狀態(tài)時(shí)直流母線電壓值超過(guò)上限閾值，電動(dòng)機(jī)會(huì)輸出高電平，和制動(dòng)電阻的導(dǎo)通連接，通過(guò)制動(dòng)電阻消耗直流母線電能，以此降低上限閾值。為了控制切換次數(shù)，需要采用滯環(huán)控制方法，當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸電狀態(tài)停止時(shí)，需要切斷制動(dòng)電阻，一般情況下，制動(dòng)電阻高于電動(dòng)狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓值增高，此時(shí)將三項(xiàng)電壓網(wǎng)電壓波動(dòng)調(diào)整，當(dāng)其經(jīng)過(guò)整流時(shí)，直流母線最高電壓會(huì)自動(dòng)發(fā)生變化。

3 通用保護(hù)電路的設(shè)計(jì)策略

3.1 加強(qiáng)電流傳感器檢測(cè)的過(guò)流保護(hù)

變頻器驅(qū)動(dòng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)和其他負(fù)載裝置有著較大的區(qū)別，其機(jī)械電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電氣和機(jī)械沖擊問(wèn)題是需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題，該問(wèn)題可促使電氣絕緣破壞和變頻器過(guò)電流損壞，以此導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)故障。研發(fā)發(fā)現(xiàn)，變頻驅(qū)動(dòng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸出電流短路、電機(jī)燒毀、機(jī)械負(fù)載受阻、電機(jī)速度過(guò)快、逆變器開關(guān)不通電等情況會(huì)導(dǎo)致變頻器產(chǎn)生過(guò)電流。因此可采用熔斷器保護(hù)電流，熔斷器可檢測(cè)出過(guò)信號(hào)，經(jīng)過(guò)端口處理傳輸?shù)娇刂菩酒Ｗo(hù)端。一般情況下，過(guò)流也可自我保護(hù)，但是過(guò)流消失后就無(wú)法發(fā)揮保護(hù)作用，在通用變頻器中過(guò)流是一種異常問(wèn)題，因此過(guò)流的自我保護(hù)是不存在的，需要人工斷電進(jìn)行解決[2]。

3.2 開關(guān)管過(guò)流狀態(tài)自我分析保護(hù)

一般通用變頻器的開關(guān)導(dǎo)通壓降效果和導(dǎo)通電流有著直接的關(guān)系，當(dāng)開關(guān)管過(guò)流時(shí)，導(dǎo)通壓降會(huì)逐漸升高，對(duì)此可通過(guò)檢測(cè)開關(guān)管的導(dǎo)通壓降變化情況，區(qū)分其截止?fàn)顟B(tài)，以此判斷開關(guān)管的過(guò)流情況。一些開關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片都具有以上保護(hù)功能，比如在一些特定型號(hào)的厚膜驅(qū)動(dòng)電路中，各電路端口通過(guò)指定管識(shí)別開關(guān)管過(guò)流狀態(tài)，以此保護(hù)電路。

3.3 過(guò)熱檢測(cè)和保護(hù)

通用變頻器安裝有散熱器，散熱器上有多個(gè)熱敏元件，一些變頻器主控板上也安裝有熱敏元件，將熱敏元件和接光耦元件連接后，在一般情況下熱敏元件是常閉觸點(diǎn)，光耦導(dǎo)通輸出信號(hào)此時(shí)為零。當(dāng)散熱片過(guò)熱時(shí)熱敏元件自動(dòng)斷開，光耦停止，輸出信號(hào)逐漸增加，該信號(hào)在濾波后可自動(dòng)啟停驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)控制元件轉(zhuǎn)化為過(guò)熱報(bào)警信號(hào)。

3.4 科學(xué)把握變頻器特點(diǎn)和故障解決方法

在開展通用變頻器檢測(cè)和電路保護(hù)工作時(shí)，檢測(cè)人員需要全面了解通用變頻器的的基本原理、構(gòu)造、特點(diǎn)、功能，并掌握一些關(guān)鍵技術(shù)，可在實(shí)際工作中更好的解決電氣系統(tǒng)運(yùn)行中的故障問(wèn)題。比如，變頻器可降壓不可升壓，且變頻器不是一種調(diào)節(jié)器件，采用其進(jìn)行調(diào)速會(huì)造成電能的損耗，變頻器性能和質(zhì)量直接關(guān)系著電氣系統(tǒng)的運(yùn)行效果，因此需要采用使用壽命長(zhǎng)的變頻器。

另外，變頻器本身是一種電磁干擾器，因此工作人員需要全面掌握相關(guān)故障處理方法。變頻器對(duì)供電源質(zhì)量有著嚴(yán)格的要求，因此在故障解決過(guò)程中需要科學(xué)控制直流電壓，以此恢復(fù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行需要的環(huán)境[3]。

4 通用變頻器檢測(cè)與保護(hù)電路的主要內(nèi)容

4.1 直流測(cè)量過(guò)電流技術(shù)

日本企業(yè)已開發(fā)投運(yùn)了變頻器直流測(cè)量技術(shù)，其基本原理如下：通過(guò)傳感器輸出端輸出兩相電流測(cè)量信號(hào)，通過(guò)二級(jí)運(yùn)算程序?qū)σ患?jí)運(yùn)算的電流信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，最終輸出最后的電流信號(hào)。通過(guò)兩個(gè)接收端口接收的電流可進(jìn)行正反相對(duì)比，并準(zhǔn)確判斷電壓正負(fù)值，如果電壓正負(fù)值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)則表明三相電流值穩(wěn)定，電流通過(guò)接收器的對(duì)比、運(yùn)算最終輸出的值為1。多諧波器下的輸出端口接收的三級(jí)反相比較器輸出值為0時(shí)，保護(hù)電路不會(huì)做出保護(hù)動(dòng)作，但此時(shí)如電流持續(xù)輸入，比較器運(yùn)算輸出后的信號(hào)也為0時(shí)，多諧波輸出端口接收的信號(hào)會(huì)變?yōu)?。

由此可見，輸出信號(hào)只有通過(guò)觸發(fā)器在一定時(shí)間后才會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)信號(hào)通過(guò)三極管處理，當(dāng)雙級(jí)晶體管驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)閉后，可通過(guò)中央處理器來(lái)發(fā)送電流警報(bào)信號(hào)。此時(shí)就可直接通過(guò)觸發(fā)器來(lái)處理各種干擾信號(hào)和尖峰電流，避免直流保護(hù)器出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作，保證變頻器可保持穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 變頻器內(nèi)部母線直流電壓測(cè)量和電路保護(hù)

本文主要選擇了線性光耦的電壓測(cè)量和電路保護(hù)，以此直流母線電壓進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)電壓和千電壓保護(hù)，有效對(duì)電阻元件進(jìn)行啟停，對(duì)電路進(jìn)行控制，并對(duì)電路信號(hào)數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，由此可見該測(cè)量作用顯著。并通過(guò)電阻對(duì)直流側(cè)母線電壓進(jìn)行分散和降壓處理，后通過(guò)線性光耦器阻隔轉(zhuǎn)化功能對(duì)直流側(cè)母線電壓進(jìn)行計(jì)算和輸出線性計(jì)算，最終得出具備一定功能的信號(hào)。

如果直流母線電壓值高于額定值則會(huì)自動(dòng)發(fā)出保護(hù)動(dòng)作，自動(dòng)降壓，且對(duì)降壓后的電壓值和比較器的電壓值進(jìn)行對(duì)比就可直接得出電壓信號(hào)，但當(dāng)直流電壓繼續(xù)下降，則會(huì)影響欠電壓也出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作，最終回升到一定數(shù)值后會(huì)自動(dòng)停止。此時(shí)也可通過(guò)以上方法獲得欠電壓信號(hào)，最終將這兩種信號(hào)輸送到故障處理器中通過(guò)數(shù)字顯示器來(lái)顯示出來(lái)，總之，直流母線側(cè)電壓數(shù)值高于標(biāo)準(zhǔn)值，此時(shí)如果將區(qū)間也設(shè)置到標(biāo)準(zhǔn)值之間，則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的檢測(cè)頻率發(fā)生變化，最終無(wú)法精準(zhǔn)顯示出來(lái)。

對(duì)此，需要在設(shè)計(jì)電路電壓區(qū)間時(shí)要縮小區(qū)間范圍數(shù)值，以此提高檢測(cè)頻率。如日本企業(yè)提出的電阻分壓法，通過(guò)該方法測(cè)量電壓保護(hù)電路是非常有效的，一般對(duì)于直流母線的電壓測(cè)量需通過(guò)兩側(cè)分壓電阻來(lái)完成測(cè)量任務(wù)。將直流電壓通過(guò)兩側(cè)電阻進(jìn)行分壓操作，可通過(guò)比較器輸入到端子中后進(jìn)行對(duì)比，以此實(shí)現(xiàn)電壓和欠電壓保護(hù)，此時(shí)中央處理器也會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

此外，電阻也可通過(guò)分壓器輸出的分壓值來(lái)，并通過(guò)電阻器分壓獲得不同的電壓數(shù)值，最終將其發(fā)送到不同的比較器中。通過(guò)光耦阻隔、阻容濾波等方法對(duì)比較器中輸出的電壓數(shù)值再次進(jìn)行處理，后經(jīng)過(guò)反向器晶體管進(jìn)行閉鎖控制，以此得出最終的電壓值。

4.3 變頻器輸出端電壓值測(cè)量和電路保護(hù)

工作人員也需對(duì)變頻器輸出端電壓值進(jìn)行測(cè)量，以此有效保護(hù)電路，對(duì)于該測(cè)量一般可通過(guò)無(wú)速度傳感器矢量控制方法對(duì)電壓值進(jìn)行測(cè)量，考慮到該電壓值測(cè)量的精度要求，對(duì)此還需輔助數(shù)字光耦檢測(cè)技術(shù)來(lái)測(cè)量，以此提高檢測(cè)效率，確保檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)。但變頻器輸出端三相電流和直流負(fù)極輸出電壓也是通過(guò)光耦和電阻器進(jìn)行測(cè)量的，可有效檢測(cè)出輸出端三相電壓值為電壓脈沖值，其可有效滿足光耦的兼容功能。此外，這種電壓脈沖值是小電容單級(jí)性電壓，也可在濾波作用下形成半波，這種變化后的半波可有效檢測(cè)出逆變器交流電壓峰值，后經(jīng)由中央處理器的計(jì)算得出最終數(shù)值，最終有效控制變頻器數(shù)值變化。

5 相關(guān)建議

了解不同類型的變頻器，以此在變頻器具體運(yùn)行的過(guò)程匯總可有效對(duì)其故障、異常狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)并及時(shí)排除故障，以此保護(hù)電路，如不了解變頻器責(zé)任會(huì)導(dǎo)致能源浪費(fèi)，無(wú)法發(fā)揮變頻器的作用；科學(xué)運(yùn)用變頻器檢測(cè)和電路保護(hù)方法，考慮到變頻器系統(tǒng)運(yùn)行要求高，供電質(zhì)量要求高，對(duì)此需在檢測(cè)過(guò)程中控制直流電壓變化范圍，以此確保電路穩(wěn)定運(yùn)行，為電路系統(tǒng)工作提供良好的環(huán)境。此外還需對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行保養(yǎng)、維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

綜上，變頻器作為一種重要的電力裝置，其在電路系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行中發(fā)揮著重要的作用，因此需要加強(qiáng)通用變頻器的檢測(cè)和電路保護(hù)，以此保證電流運(yùn)行的控制精度。不同的檢測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)不同的保護(hù)功能，因此需要相關(guān)人員切實(shí)把握變頻器內(nèi)部元件和機(jī)械特點(diǎn)，以此有效解決變頻器運(yùn)行故障問(wèn)題，有效發(fā)揮變頻器的作用和價(jià)值。