CN101409441A - 开关磁阻调速电动机的过电流保护电路 - Google Patents

开关磁阻调速电动机的过电流保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关磁阻调速电动机的过电流保护电路，电流取样信号首先变换成电压信号输入反相输入比例运算电路并进行比例放大，之后依次经过一级比较器和一级延时触发单稳电路输出过电流保护信号至输出端。而二级比较器并联于一级比较器，二级门限电压设定电路与二级比较器反相输入端连接，二级瞬时触发单稳电路的输入端连接二级比较器的输出端，其输出端连接电流保护信号输出端。本发明将原有一级比较电路和一级单稳态电路更新为延时触发的单稳电路，以利于提高电动机的出力，增设二级比较电路和二级瞬时触发的单稳电路，一旦主电流超过所设二级门限，电路立即进入暂稳态实施保护。

Description

开关磁阻调速电动机的过电流保护电路
一、技术领域
本发明涉及到一种开关磁阻电动机控制器，特别是其中的过电流保护电路。
二、背景技术
对于一般的电动机调速控制器，过电流保护是必要环节，开关磁阻电动机的调速控制器当然也不例外。通常的设计思路为：(1)设电流取样环节，将主电流量变换为与之成正比的电压量；(2)设放大与比较电路，将电流取样信号与预设的“门限电压”进行比较；(3)设单稳态电路，一旦比较器输出“电流超限”信号，便触发单稳电路，使其进入暂稳态，关断主开关管。暂稳态结束，主开关管恢复工作。以上保护动作亦可应用单片机或DSP，由相应的软件设计来实现，但其设计理念是相同的。由于所控制的电动机属感性负载，其绕组中的电流不会突变。目前绝大多数电机调速控制器的主控功率器件均工作在开关状态，则其开通时，主电流由小逐渐增大有一个过程。一旦电流超限，过电流保护电路的取样、放大、比较、触发直到关断主控制管，必然存在着一个时延，而功率半导体器件耐受过电流的能力极其有限。在过电流保护电路设计的实践中往往会遇到这样的矛盾：“门限”定低了或“时延”取得不当，就会影响到电动机的输出转矩，相反，如“门限”定高了或“时延”不当，又会在突发大电流时保护失效，烧毁功率器件甚至电动机。
三、发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于开关磁阻电动机调速控制器，具有两级预设保护“门限”和两种不同动作“时延”的过电流保护电路，可有效解决电机出力与实时保护的矛盾，起到提高电动机调速控制性能和运行可靠性的双重作用。
本发明所述的开关磁阻调速电动机的过电流保护电路，包括反相输入比例运算电路，一级比较器、与一级比较器反相输入端连接的一级门限电压设定电路，以及一级延时触发单稳电路。电流取样信号首先变换成电压信号输入反相输入比例运算电路并进行比例放大，之后依次经过一级比较器和一级延时触发单稳电路输出过电流保护信号至输出端。其特征是：它还包括二级比较器、二级门限电压设定电路和瞬时触发的二级单稳电路，所述二级比较器并联于一级比较器，二级门限电压设定电路与二级比较器反相输入端连接，二级瞬时触发单稳电路的输入端连接二级比较器的输出端，其输出端连接电流保护信号输出端。
上述的二级瞬时触发单稳电路包括三极管T1和比较器IC4，三极管T1基极连接二级比较器输出端，其集电极接电源，发射极输出至比较器IC4同相输入端，同时发射极与公共地之间并联电阻R16和电容C2，比较器IC4的反向输入端与一级单稳电路比较器IC5反向输入端相连，接在电阻R20、R21的分压点上，比较器IC4的输出端一路经二极管D2和电阻R17形成正反馈电路连接至比较器IC4的同相输入端，另一路经二极管D3和电阻R24至电流保护信号输出端。
本发明将原有一级比较电路和一级单稳态电路更新设计为延时触发的单稳电路，以利于提高电动机的出力，同时增设二级比较电路和二级瞬时触发的单稳电路，其中一级比较电路所设保护“门限”较低，其保护动作是延时实现的；而二级比较电路所设保护的“门限”较高，其保护动作则是瞬时实现的。这样的设计可有效解决电机充分出力与实时保护的矛盾。起到提高电动机调速控制性能和运行可靠性的双重作用。一旦主电流超过所设二级门限，电路立即进入暂稳态实施保护。克服了因电动机属感性负载，其绕组中的电流不会突变，使得原有过电流保护电路存在着时延，易烧坏功率半导体器件的缺点。
四、附图说明
图1是本发明的电路图。
其中：1-反相输入比例运算电路，2-一级比较器，3-一级门限电压设定电路，4，一级延时触发单稳电路，5-二级比较器，6-二级门限电压设定电路，7-二级瞬时触发单稳电路。
五、具体实施方式
如图1所示，本发明开关磁阻调速电动机的过电流保护电路，包括反相输入比例运算电路1，一级比较器2、与一级比较器1反向输入端连接的一级门限电压设定电路3，以及一级延时触发单稳电路4，电流取样信号首先输入反相比例运算电路1变换成电压信号并进行比例放大，之后依次经过一级比较器2和一级延时触发单稳电路4输出过电流保护信号至输出端，其中的一级保护是延时实施的，同时它还包括二级比较器5、二级门限电压设定电路6和瞬时触发的二级单稳电路7，所述二级比较器5并联于一级比较器2，二级门限电压设定电路6与二级比较器5反相输入端连接，二级瞬时触发单稳电路7的输入端连接二级比较器5的输出端，其输出端连接电流保护信号输出端。
图中IC1为集成运算放大器，它与R2、R3、R4构成反相输入比例运算电路，其电压放大倍数为：Au＝-R3/R2。其作用是将经电流取样变换得到的微弱电压信号进行比例放大，然后同时送至两级比较器。
图中IC2、IC3、IC4、IC5为一只集成比较器的四个独立单元。
其中IC3为一级比较器。R13、R14、R15组成可调一级门限电压设定电路，其取值范围为相当于所控功率器件额定电流值的65％～75％。
IC5及其周围元件构成一级延时触发单稳电路。为了保证电动机充分出力，此单稳电路设计成延时触发型。一旦主电流超过所设一级门限，IC3翻转输出高电平，C3由电源经R12、D1充电，当其电压超过R20、R21的分压值时，IC5触发翻转，经D4、R24输出过流保护信号，单稳电路进入暂稳态。暂稳态主要取决于R19*C3的时间常数。延时触发的时间常数R12*C3设定与电感电流增长的曲线有关，范围可在0.6～2×10-48，暂稳态时间常数R19*C3的设定范围可在1～2×10-4S。由于多级电路“接力”式工作累计时延的存在，一级过流保护对突发急剧增长的过电流，难以实施及时保护。
为此，本发明同时设置了二级过流保护电路。图中集成比较器IC2为二级比较器。R7、R8、R9组成可调二级门限电压设定电路，其取值范围为相当于所控功率器件额定电流值的75～100％。
三极管T1、集成比较器IC4及其它阻容元件组成瞬时触发的单稳电路。三极管T1基极连接二级比较器IC2的输出端，其集电极接电源，发射极接集成比较器IC4的同相输入端，同时发射极与公共地之间并联电阻R16和电容C2，此电路可视为由三极管T1与电阻R16等元器件组成的共集电极放大电路(又称射极跟随器)对电容C2进行充电。其充电时间常数为：R0*C2，其中R0是射极跟随器的输出电阻。由于作为射极跟随器前级信号源的集成比较器IC2，其输出电阻很小(约在101数量级)，故R0的值可简化表示为：
R0≈rbe/(1+β)
式中rbe系三极管T1的输入电阻，其值在103数量级，取三极管电流放大系数β为300，按上式计算可知R0仅为数Ω。设计中C2取值在10-9F数量级，这样充电时间常数R0*C2即应在10-9S数量级。一旦主电流超过所设二级门限，电路立即瞬时触发进入暂稳态，经D3、R24输出过流保护信号。暂稳态时间常数由R16*C2决定，取值在20～80×10-6S。考虑到实际应用的集成运算放大器IC1、集成比较器IC2、IC4工作时必然会产生一定的时延，本设计中的二级过流保护电路，从主电路发生过电流直到保护电路动作，关断主开关管实施保护，总时延应在3～6×10-6S，这对于所有的功率半导体器件来说都是能确保安全使用的。

Claims (2)

1、一种开关磁阻调速电动机的过电流保护电路，包括反相输入比例运算电路，一级比较器、与一级比较器反向输入端连接的一级门限电压设定电路，以及一级延时触发单稳电路，电流取样信号首先变换成电压信号输入反相输入比例运算电路并进行比例放大，之后依次经过一级比较器和一级延时触发单稳电路输出过电流保护信号至输出端，其特征是：它还包括二级比较器、二级门限电压设定电路和瞬时触发的二级单稳电路，所述二级比较器并联于一级比较器，二级门限电压设定电路与二级比较器反相输入端连接，二级单稳电路的输入端连接二级比较器的输出端，其输出端连接电流保护信号输出端。
2、根据权利要求1所述的开关磁阻调速电动机的过电流保护电路，其特征是：二级单稳电路包括三极管(T1)和比较器(IC4)，三极管(T1)基极连接二级比较器输出端，其集电极接电源，发射极输出至比较器(IC4)同相输入端，同时发射极与公共地之间并联电阻(R16)和电容(C2)，比较器(IC4)的反相输入端与一级单稳电路比较器(IC5)反向输入端相连，接在由电阻(R20)、电阻(R21)构成的分压点上，比较器(IC4)的输出端一路经二极管(D2)和电阻(R17)形成正反馈电路连接至比较器(IC4)的同相输入端，另一路经二极管(D3)和电阻(R24)至电流保护信号输出端。
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