CN214176894U

CN214176894U - 一种用于变频矢量控制的电流保护电路

Info

Publication number: CN214176894U
Application number: CN202120153080.XU
Authority: CN
Inventors: 熊健伟; 石兴华; 李勇兴; 赵文斌; 张景卓; 王建鑫
Original assignee: Xinxiang City Xiafeng Electrical Appliances Co ltd
Current assignee: Xinxiang City Xiafeng Electrical Appliances Co ltd
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2021-09-10
Anticipated expiration: 2031-01-20

Abstract

本申请提供一种用于变频矢量控制的电流保护电路，对变频器输出的相电流进行保护，所述电流保护电路包括采样单元、电压单元、比较单元、驱动单元和主控单元；所述采样单元采集所述变频器输出的相电流值，并将所述相电流值转换成相电压值；所述电压单元用于根据独立的电压源产生电压限定值；所述比较单元根据所述相电压值和所述电压限定值输出低电平信号；所述驱动单元根据所述低电平信号进行硬保护；所述主控单元根据所述低电平信号产生控制指令，以使所述驱动单元根据所述控制指令进行软保护。通过双重保护的方式，提高了变频矢量控制的安全性。

Description

一种用于变频矢量控制的电流保护电路

技术领域

本申请属于电气设备保护技术领域，具体涉及一种用于变频矢量控制的电流保护电路。

背景技术

目前，在很多工业领域，采用永磁同步电机配合矢量控制技术直接驱动负载，具有启动转矩大、控制精度高等优点，在多种行业取代传统的异步电机加减速器模式，得到广泛应用，但同时因其响应速度快，当负载加重或有较大波动时，变频器输出电流也跟随负载快速波动，极端情况会瞬间击穿驱动回路中的功率器件，甚至产生着火事故，尤其在采油、煤矿等行业，对控制系统的安全要求较高，常规的变频控制系统电流保护大都采用软件保护为主，从电流采集到运算再到动作，其保护时间一般有滞后，极端情况下仍有保护不及时烧坏器件的危险。

因此，需要提供一种针对上述现有技术中不足的改进技术方案。

实用新型内容

本申请的目的是提供一种用于变频矢量控制的电流保护电路，用以克服上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种用于变频矢量控制的电流保护电路，对变频器输出的相电流进行保护，所述电流保护电路包括采样单元、电压单元、比较单元、驱动单元和主控单元；

所述采样单元的输入端连接所述变频器的电流输出端，所述采样单元的输出端连接所述比较单元的采样输入端；所述采样单元采集所述变频器输出的相电流值，并将所述相电流值转换成相电压值；

所述电压单元用于根据独立的电压源产生电压限定值；所述电压单元的输出端连接所述比较单元的参考输入端；

所述比较单元根据所述相电压值和所述电压限定值输出低电平信号；

所述驱动单元的使能端连接所述比较单元的输出端，所述驱动单元根据所述低电平信号进行硬保护；

所述主控单元的输入端连接所述比较单元的输出端，所述主控单元的输出端连接所述驱动单元的输入端；所述主控单元根据所述低电平信号产生控制指令，以使所述驱动单元根据所述控制指令进行软保护。

进一步的，所述电压限定值包括最大限值电压和最小限值电压。

进一步的，所述电压单元包括

电压基准电路，用于根据独立电压源提供电压基准；

运算放大电路，其正极输入端连接所述电压基准电路的输出端；其负极输入端接地；所述运算放大电路用于放大所述电压基准；

分压电路，其输入端连接所述运算放大电路的输出端，其输出端连接所述比较单元的参考输入端。

进一步的，所述分压电路的输出端包括最大值输出端和最小值输出端；所述最大值输出端输出所述最大限值电压，所述最小值输出端输出所述最小限值电压。

进一步的，所述比较单元的参考输入端包括正限值输入端和负限值输入端；所述正限值输入端提供相电流正半周限定值，所述负限值输入端提供相电流负半周限定值。

进一步的，所述比较单元的正限值输入端连接所述分压电路的最大值输出端；所述比较单元的负限值输入端连接所述分压电路的最小值输出端。

进一步的，所述比较单元的采样输入端包括：

A相输入端，用于获取采样单元输出的A相电压值；

B相输入端，用于获取采样单元输出的B相电压值；

C相输入端，用于获取采样单元输出的C相电压值。

进一步的，所述比较单元包括六条比较支路，其中三条比较支路的输入端连接A相输入端、B相输入端、C相输入端和正限值输入端，另外三条比较支路的输入端连接A相输入端、B相输入端、C相输入端和负限值输入端，六条比较支路的输出端形成所述比较单元的输出端。

进一步的，所述硬保护为关断驱动单元的输出。

进一步的，所述软保护为关断驱动单元的输入。

与最接近的现有技术相比，本申请提供的技术方案具有如下优异效果：

本申请用于变频矢量控制的电流保护电路，在对变频器输出的相电流进行保护时，第一种保护方式是：首先采样单元采样变频器输出的相电流值并转化输出相电压值，同时电压单元根据独立的电压源产生电压限定值；然后比较单元根据相电压值和电压限定值输出低电平信号，最后驱动单元根据低电平信号进行硬保护；第二种保护方式是：首先，主控单元根据低电平信号进行处理得到控制指令，然后驱动单元根据控制指令进行软保护。即本申请通过采样单元、电压单元和比较单元的电路元器件实现对变频器输出电流的硬保护，同时通过主控单元处理产生的控制指令实现对变频器输出电流的软保护，通过双重保护的方式，提高了变频矢量控制的安全性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：

图1为本申请用于变频矢量控制的电流保护电路的原理框图；

图2为本申请实施例中电压单元的电路结构示意图；

图3为本申请实施例中比较单元的电路结构示意图；

图4为本申请实施例中驱动单元的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

本申请用于变频矢量控制的电流保护电路主要是在对变频矢量控制过程中输出电流同时进行硬保护和软保护，有效保证矢量控制的安全性，电流保护电路的原理框图如图1所示，所述电流保护电路包括采样单元、比较单元、电压单元、主控单元和驱动单元；

在对变频器输出的相电流进行保护时，同时提供了两种保护方式，其一是：首先采样单元采样变频器输出的相电流值并转化输出相电压值，同时电压单元根据独立的电压源产生电压限定值；然后通过比较单元根据相电压值和电压限定值输出低电平信号，最后驱动单元根据低电平信号进行硬保护；其二是：首先，主控单元根据变频器输出的相电流值进行处理得到控制指令，然后驱动单元根据控制指令进行软保护。

也就是说，本申请既能在软保护发生滞后延迟时由硬保护进行快速电流保护，又能在硬保护电路出现故障时提供软保护，双重保护更能保障变频矢量控制过程的安全。

本申请实施例中，电压单元包括电压基准电路、运算放大电路和分压电路；电压基准电路用于根据独立电压源提供电压基准；

运算放大电路的正极输入端连接所述电压基准电路的输出端，运算放大电路的负极输入端接地，运算放大电路用于放大电压基准；

分压电路的输入端连接所述运算放大电路的输出端，分压电路的输出端连接所述比较单元的参考输入端；

其中，分压电路的输出端包括最大值输出端和最小值输出端；电压限定值包括最大限值电压和最小限值电压；所述最大值输出端输出所述最大限值电压。

本申请的电压单元中的电压基准电路根据独立电压源提供电压基准，然后由运算放大电路对电压基准值进行放大，放大后的电压值在分压电路的作用下，输出最大限值电压和最小限值电压。通过本申请电压单元为独立的电压的电压源，经过运算放大器反馈放大后，得到的电压限定值，且该电压单元不受其他电路的干扰，因此，通过电压单元得到的电压限定值更加稳定可靠。

如图2所示为本申请实施例中电压单元的电路结构示意图；电压基准电路包括电阻R4和三端稳压管U2，电压基准电路提供2.5V的电压；

运算放大电路包括运算放大器U1A、电阻R1、电容C1、电阻R5和电容C2；运算放大器U1A的正极3(即运算放大电路的正极输入端)连接电压基准电路的输出端，运算放大器U1A的负极2(即运算放大电路的负极输入端)通过下拉电阻R7接地。电容C1并联在运算放大器U1A的负极2和运算放大器U1A输出端1两端，电阻R5与运算放大器U1A串联，电阻R5的一端连接运算放大器U1A输出端1，电阻R5的另一端(即运算放大电路的输出端)连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接运算放大器U1A的负极2，也就是说，电阻R1并联在运算放大器U1A的负极2和电阻R5的另一端(即运算放大电路的输出端)的两端。运算放大电路还通过电容C2接地，电容C2起到滤波作用。

分压电路包括电阻R2、电阻R3和电阻R6，电阻R2、电阻R3和电阻R6串联连接，电阻R2的第一端连接运算放大电路的输出端，电阻R2的第二端连接电阻R3的第一端，电阻R3的第二端连接电阻R6的第一端，电阻R6的第二端直接接地。电阻R2的第二端和电阻R3的第一端之间为分压电路的最大值输出端V1，电阻R3的第二端和电阻R6的第一端之间为分压电路的最小值输出端V2；其中，分压电路的最大值输出端输出最大限值电压，对应相电流正半周安全保护限定值，分压电路的最小值输出端输出最小限值电压；对应相电流负半周安全保护限定值。

在本申请实施例中，电压基准电路提供的2.5V电压经运算放大电路放大后得到5V电压信号源，然后在分压电路的分压作用下，得到最大限值电压和最小限值电压，电压单元获得最大限值电压和最小限值电压以便与采样得到的相电流值进行比较，进行后续保护动作的判断依据。

在本申请实施例中，采样单元的输入端连接变频的电流输出端，采样获取变频器输出的三相电流值，即A相电流、B相电流和C相电流。采样单元获取三相的电流值后，将三相的相电流值转成相电压值输出，对应的，采样单元的输出端包括A相输出端、B相输出端和C相输出端，分别用于输出对应的三相电压。即通过三相电压的比较判断实现与电压限定值的比较判断，实现电流保护。

本申请实施例中，比较单元的采样输入端包括A相输入端、B相输入端和C相输入端，比较单元的A相输入端用于连接采样单元的A相输出端，通过A相输入端获取与A相电流对应的A相电压值；比较单元的B相输入端用于连接采样单元的B相输出端，通过B相输入端获取与B相电流对应的B相电压值；比较单元的C相输入端用于连接采样单元的C相输出端，通过C相输入端获取与C相电流对应的C相电压值。

本申请实施例中，比较单元的参考输入端包括正限值输入端和负限值输入端；比较单元的正限值输入端提供相电流正半周限定值(也即最大限值电压)，作为比较时的一个参考电压；比较单元的负限值输入端提供相电流负半周限定值(也即最小限值电压)，作为比较时的另一个参考电压。相对应的，比较单元的正限值输入端连接分压电路的最大值输出端；比较单元的负限值输入端连接分压电路的最小值输出端。

本申请的比较单元包括六条比较支路，其中三条比较支路的输入端连接A相输入端、B相输入端、C相输入端和正限值输入端，另外三条比较支路的输入端连接A相输入端、B相输入端、C相输入端和负限值输入端；六条比较支路的输出端合并形成所述比较单元的输出端。

如图3所示为本申请实施例中比较单元的电路结构示意图；本申请实施例中，六条比较支路分别定义为第一比较支路、第二比较支路、第三比较支路、第四比较支路、第五比较支路和第六比较支路；每条比较支路上均包括一个比较器，相对应的，第一比较支路上串设第一比较器，第二比较支路上串设第二比较器，第三比较支路上串设第三比较器，第四比较支路上串设第四比较器，第五比较支路上串设第五比较器，第六比较支路上串设第六比较器。

第一比较器U1B的正极连接比较单元的正限值输入端，第一比较器U1B的负极连接比较单元的A相输入端；第二比较器U1D的正极连接比较单元的正限值输入端，第二比较器U1D的负极连接比较单元的B相输入端；第三比较器U2B的正极连接比较单元的正限值输入端，第三比较器U2B的负极连接比较单元的C相输入端；第四比较器U1A的正极连接比较单元的A相输入端，第四比较器U1A的负极连接负限值输入端；第五比较器U1C的正极连接比较单元的A相输入端，第五比较器U1C的负极连接负限值输入端；第六比较器U2A的正极连接比较单元的A相输入端，第六比较器U2A的负极连接负限值输入端；第一比较器的输出端、第二比较器的输出端、第三比较器的输出端、第四比较器的输出端、第五比较器的输出端和第六比较器并联形成比较单元的输出端。

为了对每个比较器进行保护，在比较单元的输入端均设置有限流电阻，具体的在A相输入端串设限流电阻R8、在B相输入端串设限流电阻R9、在C相输入端串设限流电阻R10，能够有效的避免采样过程输出的电流对比较器造成损坏，提高了电路的安全、可靠性。为了进一步提高比较单元输出可靠性，在比较单元的输出端增设限流电路R11和上拉电阻R12。

本申请的比较单元通过六条比较支路将从电压单元获得的电压限定值与与采集单元采样输出的相电压值进行比较，当满足设定条件时输出一个低电平有效的低电平信号，其中，设定条件是任意比较器的负极电压高于正极电压。对于设定条件也可以理解成任意一项正半周或负半周电流超过设定值，具体的对于第一比较器、第二比较器和第三比较器来讲，是正半周电流的采样输出值超过正半周限定值；对于第四比较器、第五比较器和第六比较器来讲，是负半周限定值超过负半周电流的采样输出值。

本申请的主控单元包括处理器，处理器接收比较单元输出的低电平信号，处理器对低电平信号进行处理，产生控制指令，控制指令为关断输入的6个PWM驱动信号。

如图4所示为本申请实施例中驱动单元的电路结构示意图；驱动单元包括驱动芯片U1，驱动芯片U1的使能端OE1和使能端OE2连接比较单元的输出端，用于接收低电平信号，使能端直接根据低电平信号关断驱动芯片U1的输出信号，防止长时间大电流烧坏器件，实现硬件快速保护。驱动芯片U1的输入端连接主控单元的输出端，用于接收主控单元的控制指令，即关断输入的6个PWM驱动信号，在控制指令的作用下，关断驱动单元的输入信号进行软保护。本申请的驱动单元能够同时根据低电平信号进行硬保护和依据低电平信号产生的控制指令进行软保护，进行双重保护。

在本申请实施例中，PWM驱动信号也是低电平有效信号，为了保护驱动芯片U1输入端的安全性，输入端连接上拉电阻R13-R18，为了提高驱动信号输出的可靠性，在驱动芯片U1的输出端连接上拉电阻R19-R24。

与现有技术相比，本申请用于变频矢量控制的电流保护电路通过采集单元获取输出三相电流，并转化输出相电压值；同时电压单元根据独立的电压源产生电压限定值；然后比较单元根据相电压值和电压限定值进行比较输出低电平信号，驱动单元可以直接根据低电平信号关断驱动输出，也可以根据主控单元对低电平信号处理产生的控制指令关断驱动输入，实现双重保护，本申请的电流保护电路不仅成本低，实现简单，而且还能够保障保护的全方位可靠性和及时性，即有效避免常规方式保护不全面以及单独软件保护过程中延时动作造成的元器件损伤。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本申请待批权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种用于变频矢量控制的电流保护电路，对变频器输出的相电流进行保护，其特征在于，所述电流保护电路包括采样单元、电压单元、比较单元、驱动单元和主控单元；

2.根据权利要求1所述的用于变频矢量控制的电流保护电路，其特征在于，所述电压限定值包括最大限值电压和最小限值电压。

3.根据权利要求2所述的用于变频矢量控制的电流保护电路，其特征在于，所述电压单元包括

电压基准电路，用于根据独立电压源提供电压基准；

4.根据权利要求3所述的用于变频矢量控制的电流保护电路，其特征在于，所述分压电路的输出端包括最大值输出端和最小值输出端；所述最大值输出端输出所述最大限值电压，所述最小值输出端输出所述最小限值电压。

5.根据权利要求4所述的用于变频矢量控制的电流保护电路，其特征在于，所述比较单元的参考输入端包括正限值输入端和负限值输入端；所述正限值输入端提供相电流正半周限定值，所述负限值输入端提供相电流负半周限定值。

6.根据权利要求5所述的用于变频矢量控制的电流保护电路，其特征在于，所述比较单元的正限值输入端连接所述分压电路的最大值输出端；所述比较单元的负限值输入端连接所述分压电路的最小值输出端。

7.根据权利要求6所述的用于变频矢量控制的电流保护电路，其特征在于，所述比较单元的采样输入端包括：

A相输入端，用于获取采样单元输出的A相电压值；

B相输入端，用于获取采样单元输出的B相电压值；

C相输入端，用于获取采样单元输出的C相电压值。

8.根据权利要求7所述的用于变频矢量控制的电流保护电路，其特征在于，所述比较单元包括六条比较支路，其中三条比较支路的输入端连接A相输入端、B相输入端、C相输入端和正限值输入端，另外三条比较支路的输入端连接A相输入端、B相输入端、C相输入端和负限值输入端，六条比较支路的输出端形成所述比较单元的输出端。

9.根据权利要求1所述的用于变频矢量控制的电流保护电路，其特征在于，所述硬保护为关断驱动单元的输出。

10.根据权利要求1所述的用于变频矢量控制的电流保护电路，其特征在于，所述软保护为关断驱动单元的输入。