CN216489741U - 一种三相逆变电路过流保护系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三相逆变电路过流保护系统，属于交‑直‑交变频电路过流保护技术领域。现有的逆变电路过流保护方法有过流保护、欠压保护以及输出短路保护，存在响应速度慢，安全系数低的问题。本实用新型提供一种三相逆变电路过流保护系统，包括供电电源、STM32微控制器、电流采样电路、电流检测电路和过流保护电路，电流检测电路包括总电流检测电路、相电流检测电路，过流保护电路包括八输入与非门电路、信号锁存器电路和三态缓冲门电路。整个系统在正常工作状态下可以显示瞬时电流大小，同时出现过流情况时能够非常快速的进行响应完成整个三相逆变电路系统的过流保护，响应速度快、安全系数高。

Description

一种三相逆变电路过流保护系统

技术领域

本实用新型属于交-直-交变频电路过流保护技术领域，具体涉及一种三相逆变电路过流保护系统。

背景技术

现阶段的变频技术都是采用了交-直-交变频的方式，通过整流、滤波再进行逆变，通过改变逆变电路输出的方式来实现电路频率的改变。这种设计理论已经发展的十分成熟且已经广泛应用于电机交流调速系统当中。其中利用微控制器输出脉冲宽度调制(PWM)信号进而输出电压频率都可调的可控交流电压成为目前的主流控制方案。但是电机的阻抗特性往往会导致逆变调速过程当中容易产生大电流而导致整个电机被烧毁的现象。以往个别设计当中会选择软件系统，实现电流电压采样保护。但是这样设计的缺点是对微控制器的读写速度要求过高，而且软件系统容易出现错误，也对后期维护和程序修改带来不便，因此目前已经鲜有这样的设计。

目前发展成熟的逆变器保护方法大体分为过流保护、欠压保护以及输出短路保护等。欠压保护主要是根据单位时间内的电压与门限值的比较结果来决定是否进行保护动作。短路保护的方法主要是根据在单位时间内电压的大小是否低于设定的门限值，且电流是否高于设定的值从而确定是否触发短路保护动作。而现阶段方案设计的一个问题就是欠压保护和输出短路保护的方法都是存在一定的比较时间，响应速度慢，在使用高频PWM调试的过程当中一个瞬时往往会导致整个IGBT模块的损坏，这样设计的结果带来了安全系数下降的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种三相逆变电路过流保护系统。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种三相逆变电路过流保护系统，包括供电电源、STM32微控制器、电流采样电路、电流检测电路和过流保护电路,

所述供电电源包括±15V电源、+5V电源、-15V电源地；

所述电流采样电路用于采集逆变总回路、U相、V相的电流，将电流信号转换为霍尔电压信号；

所述电流检测电路包括总电流检测电路4、相电流检测电路，所述相电流检测电路包括U相电流检测电路5、V相电流检测电路6，

所述过流保护电路包括八输入与非门电路7、信号锁存器电路8和三态缓冲门电路9，所述八输入与非门电路7、信号锁存器电路8和三态缓冲门电路9依次连接，

所述电流采样电路、电流检测电路与过流保护电路依次连接，所述STM32 微控制器与信号锁存器电路8、三态缓冲门电路9连接。

上述方案中，所述电流采样电路包括霍尔电流传感器1、霍尔电流传感器2 和霍尔电流传感器3，所述霍尔电流传感器1与逆变电路的输入端连接，所述霍尔电流传感器2和霍尔电流传感器3分别与逆变电路U相、V相的输出端连接。

上述方案中，所述总电流检测电路4包括电压跟随电路和单迟滞比较电路，所述U相电流检测电路5包括电压跟随电路和双迟滞比较电路；

所述单迟滞比较电路包括LM393电压比较器、开关二极管D3、电阻R16、电阻R19和电位器R17，所述电位器R17一端接+15V电源，另一端分为两路，其中一路与电阻R16、开关二极管D6串联接在LM393电压比较器的第1端，另一路与电阻R19串联接LM393电压比较器的第2端，所述开关二极管D6用于将迟滞比较器变成单迟滞比较器，所述电位器R17与电阻R19串联分压，用于调节LM393电压比较器的基准电流；

所述双迟滞比较电路包括两个LM339电压比较器，

所述V相电流检测电路6与U相电流检测电路5相同，

上述方案中，所述信号锁存器电路8包括RS锁存器、硬件复位按键和软件复位单元，所述硬件复位按键和软件复位单元接在RS锁存器的第7端，所述硬件复位按键和软件复位单元用于过流保护发生并解决后进行下一次的信号锁存保护。

上述方案中，所述三态缓冲门的输出口部分接一排3K左右的上拉排阻，所述上拉排阻用于防止锁存器内部之间出现干扰，所述三态缓冲门电路可用于实现 IGBT逆变电路的关断。

上述方案中，所述-15V电源地用于将器件部分供电和主系统供电分开，实现电气隔离。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提出的一种逆变器的过流保护系统，利用霍尔电流传感器将逆变电路中各部分的电流量转换为霍尔电压信号量，同时利用迟滞比较电路的快速性和电压比较器的免寄生耦合性的特性，通过闭锁电路来实现微控制器对逆变电路的驱动信号的开关来实现对整个逆变电路系统的保护，整个系统采用了STM32 微控制器的控制方式，因此在电流采样的过程中可以将输入的电流信号大小通过处理器的运算显示在显示器中，在正常工作状态下可以显示瞬时电流大小，同时出现过流情况时能够非常快速的进行响应完成整个三相逆变电路系统的过流保护，响应速度快、安全系数高。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构图；

图2为本实用新型的霍尔电流传感器电路结构示意图；

图3为本实用新型的逆变总电流检测电路结构示意图；

图4为本实用新型的U相电流检测电路结构示意图；

图5为本实用新型的八输入与非门电路结构示意图；

图6为本实用新型的信号锁存器电路结构示意图；

图7为本实用新型的三态缓冲门电路结构示意图。

其中：1-霍尔电流传感器1；2-霍尔电流传感器2；3-霍尔电流传感器3；4- 总电流检测电路；5-U相电流检测电路；6-V相电流检测电路；7-八输入与非门电路；8-信号锁存器电路；9-三态缓冲门电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参见图1，本实用新型包括供电电源、STM32微控制器、电流采样电路、电流检测电路和过流保护电路,

所述供电电源包括±15V电源、+5V电源、-15V电源地；所述-15V电源地用于将器件部分供电和主系统供电分开，实现电气隔离；

所述采样电路用于采集逆变总回路、U相、V相的电流，将电流信号转换为霍尔电压信号；

所述电流检测电路包括总电流检测电路4、相电流检测电路，所述相电流检测电路包括U相电流检测电路5、V相电流检测电路6，

过流保护电路包括八输入与非门7、信号锁存器8和三态缓冲门9，所述八输入与非门电路7、信号锁存器电路和三态缓冲门电路9依次连接，

所述电流采样电路、电流检测电路与过流保护电路依次连接，所述STM32 微控制器与信号锁存器电路8、三态缓冲门电路9连接。

本系统最终能够达到包括但不限于3KW功率的变频器系统保护，所以主电路的电压等级比较高，而保护电路相对来讲属于弱电信号，为了避免在对主电路的检测时产生彼此的干扰，则对于主电路部分的电流信号检测使用的是具有电气隔离功能的霍尔元器件，参见图2，所述电流采样电路采用三个霍尔电流传感器来对电流进行采样，霍尔电流传感器1接在了逆变电路的输入端作为逆变总回路的电流采样，霍尔电流传感器2和3分别接入逆变输出回路的U相和V相作为输出三相电流大小采样，从而将电流信号转换为霍尔电压信号；

参见图3，采样得到的总电流霍尔电压信号将会进入比较电路进行逆变总电流检测，其中在逆变总电流检测中，为了防止整个回路产生波动，故在信号比较电路的前端增加一级电压跟随器电路，用来提高输入阻抗进行隔离，其中，运算放大器采用LM358芯片，电阻R10和R7用于消反射，防止反射信号在输入点发生振荡，降低信号质量，电容C11和C13用于吸收反射信号，防止震荡，同时他们还可以滤除信号对地的谐波，来保证信号的稳定。因为U和V相的电流为交流信号，所以要采用双电源±15V供电来满足电压的变化范围，同时在每个电源供电端加有电解电容C7、C18和陶片电容C5、C14来保证电源的稳定，-15V 电源地用于将器件部分的供电和主系统供电分开，实现电气隔离。

所述单迟滞比较电路采用LM393电压比较器组成迟滞比较器，迟滞比较器输出状态一旦转换后，只要在跳变电压值附近干扰不超过△U，输出电压就是稳定的，同时通过电阻R16来进行正反馈，增加了门限宽度，此方式可以加快比较器的响应速度，免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡，因此具备了快速响应的条件；虽然门限宽度加大会增强抗干扰能力，但是太大也会影响灵敏度，由器件手册给出的推荐外搭电路可以查到，在R16取1MΩ的时候效果最好；

同时，在电路当中设计了一个开关二极管D6将迟滞比较器变成单迟滞比较器，当输出为高电平时不进行正反馈，保证了电路正常工作时的灵敏度，当输出为低电平时加正反馈，抗干扰强，防止保护误动作且保护时的动作响应速度快。

单迟滞比较电路基准电压的选取一般是可调的，基准电压信号经过电位器R17与固定的限流电阻R17分压以后进入比较器的输入端，经过简单的计算可知在电位器取50KΩ，固定电阻取2.5KΩ的时候，基准电压为0.7V到15V可调。之前计算的需要保护的信号上限为0.8V，将基准电压调到0.8V即可，若为以后考虑，当电流达到额定值10A时，转换来的电压也只有4V，完全符合调试的标准。此电位器的设计方法可以适用于各种不同的电流范围。

逆变U、V相电流检测采用相同的检测方法，这里用U相电流检测来展开说明，参见图4，U相电流检测电路当中也采用了一级电压跟随器的设计，因为电压信号来保护电流信号的最大优点就是比较器当中基本没有电流，因此可以减少很大的干扰问题，但是在逆变电路输出部分电流变成了正负交变电流，因此在保护正信号的同时也要保护负信号，故在信号比较部分采用了双限迟滞比较器来解决，双限迟滞比较器采用两个LM339电压比较器。由于比较器的输出只有低电平和高电平两种状态，所以其中的集成运放常工作在非线性区。比较交流信号的上限的同时对下限也进行比较，因为负压是绝对值越大实际电压越小，所以上限和下限的输入接口不同，负比较是正输入端进，正比较是负输入端进，保证上下限都不超过基准电压。

所述过流保护电路包括八输入与非门电路、信号锁存器电路和三态缓冲门电路，所述八输入与非门电路中，因所有电流检测都采用了正反馈迟滞比较器的方式，因此在保护逻辑上选用了低电平保护的方式，根据与非逻辑，当输入端信号出现一路低电平时将会在输出端输出一个高电平信号；

由于电流比较部分的输出信号是瞬时产生的，因此需要在八输入与非门电路输出后加入一个信号锁存器电路。参见图5，信号锁存器电路包括RS锁存器、硬件复位按键和软件复位单元，硬件复位按键和软件复位单元接在RS锁存器的第7端，硬件复位按键和软件复位单元用于过流保护发生并解决后进行下一次的信号锁存保护，信号锁存器电路默认为高电平，低电平复位，当RS锁存器输入高电平时，STM32微控制器通过软件复位单元控制RS锁存器复位，若STM32 微控制器程序出现故障时，也可通过硬件复位按键人工复位，极大地提高了系统的安全性和可靠性。

参见图7，所述三态缓冲门电路中，因CMOS输出端口不能悬空，故在输入部分加入了一排3K左右的上拉排阻来防止锁存器内部之间出现干扰，三态缓冲门电路可用于实现IGBT逆变电路的关断，

当RS锁存器中的高电平触发信号输入三态缓冲门，三态缓冲门的输出呈高阻态，从而快速切断逆变电路的调制信号，IGBT逆变电路关断，实现整个三相逆变电路系统的过流保护。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三相逆变电路过流保护系统，其特征在于，包括供电电源、STM32微控制器、电流采样电路、电流检测电路和过流保护电路,

所述供电电源包括±15V电源、+5V电源、-15V电源地；

所述电流采样电路用于采集逆变总回路、U相、V相的电流，将电流信号转换为霍尔电压信号；

所述电流检测电路包括总电流检测电路(4)、相电流检测电路，所述相电流检测电路包括U相电流检测电路(5)、V相电流检测电路(6)，

所述过流保护电路包括八输入与非门电路(7)、信号锁存器电路(8)和三态缓冲门电路(9)，所述八输入与非门电路(7)、信号锁存器电路(8)和三态缓冲门电路(9)依次连接，

所述电流采样电路、电流检测电路与过流保护电路依次连接，所述STM32微控制器与信号锁存器电路(8)、三态缓冲门电路(9)连接。

2.根据权利要求1所述的一种三相逆变电路过流保护系统，其特征在于，所述电流采样电路包括霍尔电流传感器(1)、霍尔电流传感器(2)和霍尔电流传感器(3)，所述霍尔电流传感器(1)与逆变电路的输入端连接，所述霍尔电流传感器(2)和霍尔电流传感器(3)分别与逆变电路U相、V相的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的一种三相逆变电路过流保护系统，其特征在于，所述总电流检测电路(4)包括电压跟随电路和单迟滞比较电路，所述U相电流检测电路(5)包括电压跟随电路和双迟滞比较电路；

所述单迟滞比较电路包括LM393电压比较器、开关二极管D3、电阻R16、电阻R19和电位器R17，所述电位器R17一端接+15V电源，另一端分为两路，其中一路与电阻R16、开关二极管D6串联接在LM393电压比较器的第1端，另一路与电阻R19串联接LM393电压比较器的第2端，所述开关二极管D6用于将迟滞比较器变成单迟滞比较器，所述电位器R17与电阻R19串联分压，用于调节LM393电压比较器的基准电流；

所述双迟滞比较电路包括两个LM339电压比较器，

所述V相电流检测电路(6)与U相电流检测电路(5)相同。

4.根据权利要求1所述的一种三相逆变电路过流保护系统，其特征在于，所述信号锁存器电路(8)包括RS锁存器、硬件复位按键和软件复位单元，所述硬件复位按键和软件复位单元接在RS锁存器的第7端，所述硬件复位按键和软件复位单元用于过流保护发生并解决后进行下一次的信号锁存保护。

5.根据权利要求1所述的一种三相逆变电路过流保护系统，其特征在于，所述三态缓冲门的输出口部分接一排3K左右的上拉排阻，所述上拉排阻用于防止锁存器内部之间出现干扰，所述三态缓冲门电路可用于实现IGBT逆变电路的关断。

6.根据权利要求1所述的一种三相逆变电路过流保护系统，其特征在于，所述-15V电源地用于将器件部分供电和主系统供电分开，实现电气隔离。

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