IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統中的缺相和過流保護系統的設計*

李本紅（佛山職業技術學院，廣東佛山　528137）

IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統中的缺相和
過流保護系統的設計*

李本紅
（佛山職業技術學院，廣東佛山528137）

摘要：IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統中的缺相和過流保護系統設計方法很多，本設計基于電流互感器對線路電流進行檢測，利用三相電流的對稱性檢測斷路保護，設定電流區間利用電子線路對過流進行保護，功能可靠，結構簡單，經過調試可行。

關鍵詞：交流調速系統；缺相和過流；系統設計

*佛山市工業產品精密檢測基礎科研平臺項目（編號：2013AG10010）

0　前言

近年來，交流變頻調速廣泛應用在門式起重機、電梯、城市恒壓供水和數控機床主軸等工業控制領域，不僅充分利用了三相交流電機堅固、耐用和價格低廉的優勢，同時結合恒轉矩變頻調速的特點，使得交流調速的性能得到極大的提高，使用控制領域逐漸取代直流調速系統。

下面介紹一種基于IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統的保護措施，恒轉矩調速系統的特點是同步調節U/F=常數，電流基本穩定為恒定，電磁力矩穩定為常數：

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

該系統只有滿足Eg/ω1=常數，就能滿足氣隙磁場的穩定，轉子電流和轉子力矩的穩定為常數。該系統調速模式簡單，經過應用驗證其控制可靠性高，獲得良好的社會效應和經濟效應[6]。

1　基于IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統工作原理介紹

該系統主要由系統給定、積分電路、U/F函數發生器、正弦波發生器和三角波發生器、延時電路以及驅動放大電路組成（如圖1所示）。其中開通延時器主要是避免橋臂上兩個IGBT在換相時上下直通，造成短路故障。給定及積分電路主要是進行正方向限幅和加減速時間調整，實現軟啟動減少啟動和制動時的沖擊電路，避免主回路由于機械能轉變成電能在主回路電容上造成泵升電壓而危害IGBT的安全。驅動電路主要實現脈沖分配。U/F函數發生器主要產生一種（U/F=恒量）的正弦波，并且是一種帶限幅的斜坡信號，基頻以下采用恒轉矩調速，基頻以上采用弱磁調速控制方式。

比較器是形成SPWM的關鍵器件，比較器將三角波和正弦波進行比較，形成不同脈沖寬度的脈沖信號，此信號進過整形后提供給驅動回路，比較器工作原理如圖2所示。

圖1　VVVF系統原理圖

圖2　比較器工作原理

綜上所述，此系統的工作過程大致如下：由給定信號(給出轉向及轉速大小)→起動(或停止)信號→給定積分器(實現平穩起動、減小起動電流)→U/f函數發生器→SPWM控制電路(由體現給定頻率和給定幅值的正弦信號波與三角波載波比較后產生SPWM 波)→驅動電路模塊→主電路(IGBT管三相逆變電路)→三相異步電動機(實現了VVVF調速)[2]。

2　IGBT-SPWM-VVVF交流調速系統的缺相和過流保護環節的設計

以上IGBT-SP?WM-VVVF交流調速系統的缺相和過流保護環節的設計方法很多，往往采用溫度檢測進行過流保護，電流檢測進行故障顯示，并采用單片機、計算機、伺服驅動器或PLC進行集成控制保護并顯示。下面介紹一種簡單、可靠的設計對電機進行短路和斷相保護，并提供短路、斷相故障指示，電路圖如圖3所示。

缺相保護電路的工作原理是利用三相交流互感器是否平衡進行保護，當電機主電源接通后，三相交流互感器感應電流經過濾波經過VT1、VT2、VT3、VD4、VD5、VD6放大后，如果三相電源是對稱的，VT1、VT2、VT3輸出的電壓相等，VT4基極電壓為0，VT4關閉，VT5導通，繼電器K1得電，指示燈HL1亮，工作正常，表明電源沒有缺相[3]。

過流檢測電路的原理是在沒有缺相的前提下，如果電路缺相，缺相保護電路斷開交流接觸器KM1?？刂齐娐分械碾娏骰ジ衅鞑捎脴藴孰娏骰ジ衅?.5P，二次電流為1安培進行測試，電阻采用5Ω25W的陶瓷電阻，電流互感器輸出電壓為5 V，經測試VT6基極和射集電壓，VT8基極和集電極電壓數據如表1所示。

經過對以上數據分析和調試，該電路檢測的誤差為10%以內可以可靠的關斷過流電路。而電機在正常工作過程中允許±10%電網電壓的波動造成的過流現象，證明改電路可靠和可執行。

圖3　電機缺相和斷相保護電路

VT9設計的目的在于通電瞬間，電機感應電勢還沒有建立，電機定子電流具有比較大的沖擊，為避免啟動瞬間造成過流檢測電路斷開電機回路而出現誤動作。工作原理是三相電機啟動瞬間電流沖擊很大時，VT9保持VT8導通，繼電器K2得電，隨著電容C5通過R14進行充電，其基極電壓逐漸降低，VT9逐漸由飽和導通進入截至狀態，由電阻R14和C5參數可知，設定啟動時間為1.5 s[4]。

3　結束語

該交流調速系統中的缺相和過流保護系統已經過在機床主軸變頻改造項目中的應用，電流互感器采用標準電流互感器，性能可靠，成本低廉，對電機過載和缺相保護線路設計有一定參考價值，值得借鑒。

參考文獻：

［1］許廖.電機與電控技術［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［2］孔凡才.自動控制原理與系統［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［3］馬孝琴.新編電工實用電路集萃［M］.北京：機械工業出版社，2014.

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

［5］陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.北京：機械工業出版社，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，Foshan528137，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

作者簡介：李本紅，男，1974年生，湖南祁陽縣人，碩士，講師。研究領域：控制系統分析與設計，已發表論文8篇。

收稿日期：2015－01－23

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.07.026

文章編號：1009－9492 (2015 ) 07－0086－03

文獻標識碼：A

中圖分類號：TM344.4