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
過流保護系統(tǒng)的設(shè)計*

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)中的缺相和過流保護系統(tǒng)設(shè)計方法很多，本設(shè)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(shè)定電流區(qū)間利用電子線路對過流進行保護，功能可靠，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)過調(diào)試可行。

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

*佛山市工業(yè)產(chǎn)品精密檢測基礎(chǔ)科研平臺項目（編號：2013AG10010）

0　前言

近年來，交流變頻調(diào)速廣泛應(yīng)用在門式起重機、電梯、城市恒壓供水和數(shù)控機床主軸等工業(yè)控制領(lǐng)域，不僅充分利用了三相交流電機堅固、耐用和價格低廉的優(yōu)勢，同時結(jié)合恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速的特點，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)的保護措施，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)的特點是同步調(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，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)速模式簡單，經(jīng)過應(yīng)用驗證其控制可靠性高，獲得良好的社會效應(yīng)和經(jīng)濟效應(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、延時電路以及驅(qū)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(diào)整，實現(xiàn)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(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)動電路主要實現(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，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(qū)動回路，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)的工作過程大致如下：由給定信號(給出轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速大小)→起動(或停止)信號→給定積分器(實現(xiàn)平穩(wěn)起動、減小起動電流)→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波與三角波載波比較后產(chǎn)生SPWM 波)→驅(qū)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(xiàn)了VVVF調(diào)速)[2]。

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

以上IGBT-SP?WM-VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)的缺相和過流保護環(huán)節(jié)的設(shè)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(qū)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(shè)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(dāng)電機主電源接通后，三相交流互感器感應(yīng)電流經(jīng)過濾波經(jīng)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(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。控制電路中的電流互感器采用標(biāo)準(zhǔn)電流互感器0.5P，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(jīng)測試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)過對以上數(shù)據(jù)分析和調(diào)試，該電路檢測的誤差為10%以內(nèi)可以可靠的關(guān)斷過流電路。而電機在正常工作過程中允許±10%電網(wǎng)電壓的波動造成的過流現(xiàn)象，證明改電路可靠和可執(zhí)行。

圖3　電機缺相和斷相保護電路

VT9設(shè)計的目的在于通電瞬間，電機感應(yīng)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(xiàn)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(dǎo)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(dǎo)通進入截至狀態(tài)，由電阻R14和C5參數(shù)可知，設(shè)定啟動時間為1.5 s[4]。

3　結(jié)束語

該交流調(diào)速系統(tǒng)中的缺相和過流保護系統(tǒng)已經(jīng)過在機床主軸變頻改造項目中的應(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，對電機過載和缺相保護線路設(shè)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(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［2］孔凡才.自動控制原理與系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)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(yè)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(tǒng)［M］.北京：機械工業(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

作者簡介：李本紅，男，1974年生，湖南祁陽縣人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：控制系統(tǒng)分析與設(shè)計，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：1009－9492 (2015 ) 07－0086－03

文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM344.4