CN103022976A - 一种变频器输出短路保护电路及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种变频器输出短路保护电路及其保护方法，其中保护电路包括：检测电机的UVW三相电流的电流检测模块；用于放大所检测的UVW三相电流得到放大信号的电流运放处理模块；用于将放大信号与参考信号进行比较得出输出短路信号的抗干扰处理模块；以及用于根据所述短路信号封锁电机的驱动信号的PWM控制封锁输出模块。本发明有效解决了三相输出短路保护不完善、动态响应时间慢、系统抗干扰能力差的技术问题。

Description

一种变频器输出短路保护电路及保护方法

技术领域

本发明涉及一种短路保护电路，更具体的说，特别涉及一种变频器输出短路保护电路及保护方法。

背景技术

在日常的电机控制过程中，变频器担当着重要的角色。电机在使用过程中，由于人为接线错误、电机老化严重绕组绝缘损坏、控制信号电磁干扰等原因，很容易造成变频器输出短路故障，短路瞬间电流非常大，超出IGBT管的正常工作电流范围。如果在规定的时间内不能及时有效的关断变频器的PWM输出，就会导致IGBT管因短路过流而烧坏。

为提高变频器的使用安全性，目前变频器一般都有短路保护功能，普通变频器短路保护都是使用HCPL-316J光耦来实现，而市场上HCPL-316J光耦价格都比较贵。此外，由于现有的短路保护方案存在三相输出短路保护不完善、动态响应时间慢、系统抗干扰能力差等缺点，导致电机的短路保护效果不太理想。出现短路故障时，如何快速、有效的保护变频器成为衡量变频器是性能的一个重要指标。

发明内容

为了解决现有变频器短路保护方案存在的三相输出短路保护不完善、动态响应时间慢、系统抗干扰能力差的技术问题，本发明提出一种变频器输出短路保护电路。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种变频器输出短路保护方法。

本发明为解决上述技术问题而提出的变频器输出短路保护电路为：本变频器输出短路保护电路，所述变频器用于控制电机，所述变频器输出短路保护电路包括：电流检测模块，用于检测电机的UVW三相电流；电流运放处理模块，用于放大电流检测模块所检测的UVW三相电流，得到放大信号；抗干扰处理模块，用于将所述放大信号与参考信号进行比较，得出输出短路信号；以及PWM控制封锁输出模块，用于根据所述短路信号封锁电机的驱动信号；所述电流检测模块、电流运放处理模块、抗干扰处理模块及PWM控制封锁输出模块依次连接。

所述电流检测模块为毫欧电阻电流检测模块或霍尔电流检测模块。

优选的，所述毫欧电阻电流检测模块包括U相电流检测模块、V相电流检测模块及W相电流检测模块；所述U相电流检测模块、V相电流检测模块及W相电流检测模块均包括上桥单管、下桥单管及毫欧电阻，毫欧电阻串联在下桥单管的发射极，上桥单管的发射极与下桥单管的集电极与UVW三相电流连接，毫欧电阻两端的电压值输出给电流运放处理模块。

优选的，所述电流运放处理模块包括分别与毫欧电阻电流检测模块连接的U相运放处理模块、V相运放处理模块及W相运放处理模块；U相运放处理模块、V相运放处理模块及W相运放处理模块均包括相连接的滤波输入电路及运算放大电路。

优选的，所述滤波输入电路包括滤波电阻及滤波电容，滤波电阻串联在运算放大电路输入端，滤波电容连接在运算放大电路输入端与地之间。

优选的，所述抗干扰处理模块包括升压单元、基准电压单元及比较单元；升压单元对来自电流运放处理模块的放大信号进行升压处理得到升压电压，基准电压单元用于提供参考电压；比较单元将升压电压与参考电压进行比较，如果升压电压大于参考电压，则输出短路信号。

优选的，所述PWM控制封锁输出模块为DSP控制芯片，DSP控制芯片的中断引脚与抗干扰处理模块连接。

本发明为解决上述技术问题而提出的变频器输出短路保护方法为：基于上述变频器输出短路保护电路的保护方法，包括以下步骤：

第一步，判断变频器输出是否短路，若变频器输出短路则进入第二步，否则进入第五步；

第二步，电流检测模块检测到UVW三相电流中的突变电流，突变电流信号经电流运放处理模块进行信号放大；

第三步、抗干扰处理模块将第二步放大后的电流信号与短路信号参考电压进行比较，如放大后的电流信号大于短路信号参考值，执行第四步，否则执行第五步；

第四步、抗干扰处理模块输出短路信号，PWM控制封锁输出模块根据所述短路信号封锁电机的驱动信号，实现短路保护，然后转入第五步；

第五步、变频器正常工作。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明由于将电流检测点由传统的三相输出U、V、W转移到下桥的输出IU1、V1、IW1，从而省去隔离器件霍尔和高速线性光耦的响应时间，只需要运算放大器、比较器及其简单的外围电路即可构成比较有效的短路保护电路，能够有效检测电机UVW三相短路情况。

2、短路动态响应时间快速，能控制在10us之内完成保护。该电路的响应时间主要受滤波时间及运放响应时间的影响：

滤波时间主要是受运放输入滤波RC时间的影响，由于毫欧电阻上取样到的电压值比较微小，一般为几十豪伏的电压值，再通过滤波电阻（R9、R15或R16）对滤波电容（C11、C21或C25）进行充电，由于充电电流较小，所以充电时间较长，即滤波时间比较长。通过仪器测量及实验验证，如果滤波电阻（R9、R15或R16）及滤波电容（C11、C21或C25）选择过大，则运放输入滤波时间太大，导致短路保护延时时间太长而导致变频器炸机；如果滤波电阻（R9、R15或R16）及滤波电容（C11、C21或C25）选择太小，则变频器抗干扰能力会下降，误报短路保护故障；本发明经反复实验，滤波电阻（R9、R15或R16）取50~100Ω、滤波电容（C11、C21或C25）取100~330PF则可以使滤波时间为3-4us，满足要求。

运算放大器的选择对短路保护延时时间也有很大影响，要选择速度快的高速运算放大器，本电路采用TL074做运算放大处理，延时1us。

3、系统稳定性好，抗干扰能力强：抗干扰处理模块通过升压单元能够有效地处理正负电压，而基准电压单元所提供的参考电压可以通过调整电阻阻值修正来，相当于对短路信号设定一道“门槛”，能够屏蔽掉高频噪声等干扰，确保比较单元能够有效、准确的检测出短路事件。

附图说明

图1是本发明的变频器输出短路保护电路的框架图；

图2是本发明实施例中的毫欧电阻电流检测模块的电路图；

图3是本发明实施例中的电流运放处理模块的电路图；

图4是本发明实施例中的抗干扰处理模块的电路图；

图5是本发明的变频器输出短路保护方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明的变频器输出短路保护电路包括依次连接的电流检测模块、电流运放处理模块、抗干扰处理模块及PWM控制封锁输出模块，其中电流检测模块用于检测受变频器控制的电机的UVW三相电流，所检测的三相电流经电流运放处理模块放大后，输入抗干扰处理模块中进行比较得到输出短路信号F0，PWM控制封锁输出模块根据所述短路信号F0封锁电机的三相六管驱动信号，即PWM1-PWM6输出信号；作为优选，本实施例中的电流检测模块为毫欧电阻电流检测模块。

如图2所示，毫欧电阻电流检测模块在三相六管的下桥臂中串联毫欧电阻R75、毫欧电阻R74及毫欧电阻R73来检测UVW三相的电流大小，所检测的电流分别经三相输出端，即U相输出端、V相输出端及W相输出端，传输给电流运放处理模块。也就是说，毫欧电阻电流检测模块包括三相电流检测模块，即U相电流检测模块、V相电流检测模块及W相电流检测模块，分别一一对应检测UVW三相电流。每相电流检测模块主要由上桥单管（Q13、Q15或Q17）、下桥单管（Q14、Q16或Q18）及毫欧电阻（R73、R74或R75）构成，毫欧电阻串联在下桥单管的发射极，上桥单管的发射极与下桥单管的集电极与三相电流连接，通过毫欧电阻两端的电压值来检测电机UVW三相电流。

变频器正常工作时，毫欧电阻上会有电流I流过，在毫欧电阻两端产生的压降U=IR(R为毫欧电阻阻值，压降U即毫欧电阻两端的电压值)，再将压降U送给电流运放处理模块处理。当出现短路故障时，毫欧电阻（R73、R74或R75）上的电流I会急剧增加，导致压降U也会急剧增加，当压降U增加到短路保护的门槛值时，使抗干扰处理模块中的比较单元输出翻转为低电平。

如图3所示，电流运放处理模块包括三相电流运放处理模块，即U相运放处理模块、V相运放处理模块及W相运放处理模块，U、V及W相运放处理模块分别从毫欧电阻电流检测模块的三相输出端采样得到电压信号IU1、电压信号IV1及电压信号IW1。电压信号IU1、IV1及IW1分别经过运算放大器TL074放大后，得到输出放大信号IU、输出放大信号IV及输出放大信号IW。

具体一点来说，每相运放处理模块主要由运算放大器TL074及其一些外围的电阻、电容等元器件构成，主要起到滤波和运算放大的作用；即每相电流运放处理模块包括相连接的滤波输入电路及运算放大电路。滤波电阻（R9、R15或R16）、滤波电容（C11、C21或C25）构成滤波输入电路，滤波电阻（R9、R15或R16）串联在运算放大电路输入端，滤波电容（C11、C21或C25）连接在运算放大电路输入端与地之间，主要提高运算放大器的抗干扰能力，避免电路由于受到干扰而误报短路保护故障。运算放大电路包括运算放大器及其外围电阻，放大倍数为A=(R11//R33)/R9，主要作用是将取样到的电压信号（IU1、IV1及IW1）放大到所需要的电压值，便于软件处理。优选的，滤波电阻（R9、R15或R16）取100Ω，滤波电容（C11、C21或C25）取330PF。

如图4所示，抗干扰处理模块包括升压单元、基准电压单元及比较单元，升压单元对来自电流运放处理模块的输出放大信号进行升压处理得到升压电压，基准电压单元在短路信号参考点F0-H产生参考电压，比较单元将升压电压与参考电压进行比较，如果升压电压大于参考电压，则说明确实存在短路情况，经过比较单元中的LM239比较器后输出短路信号F0。

由于电流运放处理模块输出的输出放大信号IU、IV及IW为正弦变换的波形，会出现负电压，升压单元的作用就是把负电压信号转换为正电压信号，方便比较单元处理。升压单元主要由分压电阻、5V电源及滤波电容组成。以下仅对输出放大信号IV的电压信号升压作介绍，而输出放大信号IU、IW的升压原理与其相同。电阻R43与R41串联到5V电源上，当输入端为0V（即输出放大信号IV为零）的时候，输出端IV-2的输出为2.5V；根据实际的需求，可以将5V电源更改为其他大小的电源。综上所述，升压单元主要是解决电流检测中出现负电流信号的情况，把负电流信号转化为正电流信号。

基准电压单元主要为短路信号提供两个电压参考点：参考电压高点FO-H与参考电压低点FO-L。当检测到的电流信号IV-2比参考电压高点FO-H高或者比参考电压低点FO-L低的情况，默认是有短路事件发生。基准电压单元主要由5V电源、R66、R65、R64、R63及C39组成。其可以通过调节电阻阻值来调整FO-H与FO-L的电压参考值。

比较单元主要作用是判断是否有短路信号发送，其采用LM239比较器，通过比较升压单元输出的电流信号IV-2与短路电压参考点FO-H、FO-L，判定是否有短路事件发生。正常情况下，LM239比较器输出为高电平，短路信号FO为高，默认正常情况。当有短路事件发生时候，检测回来的电流信号超过短路电压参考点，LM239比较器输出低电平，短路信号FO为低。

PWM控制封锁输出模块可采用DSP控制芯片，使用DSP控制芯片的TZ中断引脚输入来实时监测短路信号FO是否有效，如果发生短路事件，短路信号FO的电平被拉低，DSP自动检测到TZ中断引脚上有下降沿信号后，自动封锁三相六管的驱动信号（PWM1-PWM6）。

本实施例的工作原理如下：采用毫欧电阻电流检测模块检测UVW三相六管下桥臂的电流，如果在某一时刻，电机任意两相发生短路事件，流过豪欧电阻上面的瞬间电流将会突然增大。电流运放处理模块放大电流后，经过抗干扰处理模块比较，输出短路信号FO。短路信号FO送到DSP控制芯片的中断引脚，通过中断封锁三相PWM输出，从而实现变频器的输出短路保护。

如图5所示，本发明的变频器输出短路保护方法包括以下步骤：

S10、变频器在正常的状态下工作；

S20、若变频器输出短路时，进入以下步骤S210-240：

S210、毫欧电阻电流检测模块检测到三相电流中的突变电流（也叫瞬间电流），突变电流信号经电流运放处理模块进行信号放大；

S220、抗干扰处理模块将步骤S210放大后的电流信号与短路信号参考值进行比较，如放大后的电流信号大于短路信号参考电压（即参考值），执行步骤S230，否则执行步骤S240；

S230、抗干扰处理模块输出短路信号F0，PWM控制封锁输出模块根据所述短路信号F0输出封锁电机的动作信号，即封锁三相六管的驱动信号，实现短路保护，然后转入步骤S30；

S240、抗干扰处理模块不输出短路信号F0，变频器正常工作；

S30、判断变频器输出是否短路，若短路转入步骤S20，若不短路则保存正常工作的状态。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种变频器输出短路保护电路，所述变频器用于控制电机，其特征在于，所述变频器输出短路保护电路包括：

电流检测模块，用于检测电机的UVW三相电流；

电流运放处理模块，用于放大电流检测模块所检测的UVW三相电流，得到放大信号；

抗干扰处理模块，用于将所述放大信号与参考信号进行比较，得出输出短路信号；以及

PWM控制封锁输出模块，用于根据所述短路信号封锁电机的驱动信号；

所述电流检测模块、电流运放处理模块、抗干扰处理模块及PWM控制封锁输出模块依次连接。

2.根据权利要求1所述的变频器输出短路保护电路，其特征在于，所述电流检测模块为毫欧电阻电流检测模块或霍尔电流检测模块。

3.根据权利要求2所述的变频器输出短路保护电路，其特征在于，所述毫欧电阻电流检测模块包括U相电流检测模块、V相电流检测模块及W相电流检测模块；所述U相电流检测模块、V相电流检测模块及W相电流检测模块均包括上桥单管、下桥单管及毫欧电阻，毫欧电阻串联在下桥单管的发射极，上桥单管的发射极与下桥单管的集电极与UVW三相电流连接，毫欧电阻两端的电压值输出给电流运放处理模块。

4.根据权利要求2所述的变频器输出短路保护电路，其特征在于，所述电流运放处理模块包括分别与毫欧电阻电流检测模块连接的U相运放处理模块、V相运放处理模块及W相运放处理模块；U相运放处理模块、V相运放处理模块及W相运放处理模块均包括相连接的滤波输入电路及运算放大电路。

5.根据权利要求4所述的变频器输出短路保护电路，其特征在于，所述滤波输入电路包括滤波电阻及滤波电容，滤波电阻串联在运算放大电路输入端，滤波电容连接在运算放大电路输入端与地之间。

6.根据权利要求5所述的变频器输出短路保护电路，其特征在于，所述滤波电阻取50~100Ω，滤波电容取100~330PF。

7.根据权利要求1所述的变频器输出短路保护电路，其特征在于，所述抗干扰处理模块包括升压单元、基准电压单元及比较单元；升压单元对来自电流运放处理模块的放大信号进行升压处理得到升压电压，基准电压单元用于提供参考电压；比较单元将升压电压与参考电压进行比较，如果升压电压大于参考电压，则输出短路信号。

8.根据权利要求1所述的变频器输出短路保护电路，其特征在于，所述PWM控制封锁输出模块为DSP控制芯片，DSP控制芯片的中断引脚与抗干扰处理模块连接。

9.基于权利要求1所述变频器输出短路保护电路的保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，判断变频器输出是否短路，若变频器输出短路则进入第二步，否则进入第五步；

第二步，电流检测模块检测到UVW三相电流中的突变电流，突变电流信号经电流运放处理模块进行信号放大；

第三步、抗干扰处理模块将第二步放大后的电流信号与短路信号参考电压进行比较，如放大后的电流信号大于短路信号参考值，执行第四步，否则执行第五步；

第四步、抗干扰处理模块输出短路信号，PWM控制封锁输出模块根据所述短路信号封锁电机的驱动信号，实现短路保护，然后转入第五步；

第五步、变频器正常工作。

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