4 电压检测与保护电路
4.1 变频器直流侧电压检测与保护电路
尽管我们在分析SPWM变频器原理的时候经常假设变频器直流侧电压是不变的，但事实上它一直是波动的。交流电网电压的波动、负载瞬变、整流器功率器件的断续导电、或者输入电源缺相等等都会引起直流电压变化。实际上，无论是对主电路器件及电动机的保护，还是对直流侧和交流输出电压的计量和显示，乃至高性能控制策略的实施都经常需要直流电压的瞬时值或有效值。例如近年来人们已经发现性能优越的矢量控制对直流中间环节电压和负载的扰动十分灵敏，当装置运行在弱磁条件下时，中间直流电压的降低可能导致电流失控和失去磁场的方位，几乎所有的解决方案都需要精密检测直流环节的电压，因此合理设计直流测电压检测电路显得非常重要。变频器主电路中间环节的电压信号的检测可采用电阻分压、线性光耦、电压互感器或霍尔传感器等。
图12 直流电压检测与控制及保护电路
(1) 基于线性光耦的电压检测与保护电路
图12所示为常用的基于线性光耦的电压检测与保护电路，它具有直流电压实时检测、直流过压保护、欠压保护及制动单元启停等功能，并为控制电路和显示电路提供信号。直流侧电压采用电阻进行分压降压，经过线性光耦TLP559后分压变为弱电电压信号。然后经逻辑比较和线性运算电路处理输出与上述四种功能对应的信号。
(a) 直流电压检测电路
直流电压经R501和R502分压转变弱电信号，经线性光耦TLP559变换和隔离后再通过R186调节，送入电压跟随器，以增强带载能力。电路由IC120，IC121A，IC121B，IC121C及电阻组成。
由于直流侧电压很高，测量范围上限一般定为850V，若测量范围定为0~850V，因受A/D转换器位数的限制，则测量和显示分辨率低，影响控制和显示精度。考虑到变频器在正常工作时，其直流侧电压总是大于500V，因此可在电路中增设减法电路，将测量下限值提高到500V，这样就将测量范围缩为0~350V。该减法电路由IC121C及电阻组成，使得UD=500V时，UN=0V。N点电压用于控制及显示。
(b) 制动单元驱动电路
对于电压型变频器，为了限制电机在减速制动时在直流侧产生的泵升电压，保证变频器正常运行实现快速制动，需设计制动单元驱动电路，控制连接制动电阻的IGBT。
电机制动单元驱动电路由IC122C及电阻组成。电动机工作于发电状态且使直流母线电压UD超过上限阈值UDLH 时，Z点即输出高电平，使连接制动电阻的IGBT导通，将直流母线上的能量消耗在制动电阻上，迫使UD回落;当UD小于下限阈值UDLL后再关断IGBT。为避免在某一点附近频繁切换，电压控制采用滞环控制方式，即UDLH>UDLL。电动机发电状态结束后，必须断开制动电阻，因此 要大于电动状态时可能出现的最高直流母线电压UDM。设三相电网电压波动为+15%~-15%，则经整流后，直流母线上可能出现的最高电压为:
故取Udlh=660V， 。
由公式可得:Un=3.7647V接入制动电阻，Un=2.8235V断开制动电阻。由图12电路参数可得:
选择R193=10k，R194=137.5k，R196=30k，R233=6.2k，R234=15k，可满足上述要求。
(c) 直流过压保护
图12电路中，M点的电压通过与比较器IC122B参考电压比较，得到过压信号，送故障处理单元和数字显示电路，并由LED104显示其状态。
设UD升至800V时过压保护动作，降至750V时恢复，即由公式可得:UM=9.41V过压保护动作，UM=8.82V时恢复:
比较器下限:
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(7)
选择R164=15k，R165=300k，R173=310k，R235=6.8k，R236=2.31k，可满足上述要求。
(d) 直流欠压保护
同样地，图12电路中，M点的电压通过与比较器IC122A参考电压比较，得到欠压信号，送故障处理单元和数字显示电路，并由LED107显示其状态。
设UD降至400V时欠压保护动作，再升至460V恢复，由图12可以分析出:UM=4.7059V时欠压保护动作， UM=5.4118V时恢复。设比较器下限为UMLL，比较器上限为UMLH:
选择R185=10k，R172=7.5k，R177=10k，R179=153.85k，R180=355.45k，可满足上述要求。
(2) 基于电阻分压法的电压检测与保护电路
图13是日本Fuji公司设计的变频器常用的基于电阻分压法的欠压和过压保护电路。
图13 基于电阻分压法的电压检测与保护电路
直流电压检测从中间直流回路并联的分压电阻两端采集信号。直流高电压(约540~600V)经R61、R62分压后，分别送至4个比较器A1~A4的正相输入端与4个参考电压A、B、C、D比较，以完成过压和欠压保护并通知CPU发出相应的报警信号。
比较器参考电压取自电阻R51~R57组成的分压器，10V标准电压经电阻分压后取出4个不同的参考电压分别送至4个比较器的反相输入端，比较器的输出信号经光耦隔离、阻容滤波之后再经施密特反向器关闭IGBT，同时送CPU进行处理。
正常状态下，电压取样值(3V左右)处于B点和C点的电位之间，比较器A1、A2输出“0”，A3、A4输出“1”。经过隔离、滤波、反向处理，最终的输出在图中由上到下为0011，这是正常工作信号。B、C间的电压范围较大，当交流电源电压在300~460V间变化时，变频器正常工作。一旦交流电源电压高于460V，电压取样随即高于B点电压，位于A、B电位之间，A1输出0，A2、A3、A4输出1，电路输出过压信号0111;而当电源电压降至300V以下，电压取样立即低于C点电压，处于C、D电位之间，A1、A2、A3输出0，A4输出1，此时电路输出欠压信号0001。这样，变频器便发出过压或欠压预报警信号，并按预定的控制顺序关机。
4.2 变频器输出电压检测电路
前面已经提到，变频器在调频的同时必须调压，因此逆变器输出交流电压的控制与检测是至关重要的。
采用高速数字光耦是一种测量变频器交流输出电压的简单而有效的方法。高速数字光耦6N136，6N137，HCPL3120，PC900V等具有体积小、寿命长、抗干扰性强、隔离电压高、高速度、与TTL电平兼容等优点，在数据信号处理和信号传输中应用的十分广泛，可用来检测变频器交流输出电压。这里介绍一种简单实用的用线性光耦实现的变频器输出电压检测的电路，如图14所示。
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图14 变频输出交流电压检测电路及光耦结构图
利用光耦6N137和电阻降压电路采集逆变器U、V、W三相输出对直流环节负极N的电压信号，这样三相信号都变为单极性SPWM电压脉冲，便于与单向光耦匹配。单极性SPWM脉冲电压经小电容滤波后便成为如图15所示的比较平滑的正弦半波信号，它反映了逆变器交流电压(半波)的瞬时值，然后送相应的CPU或 ASIC处理，根据需要既可以得到电压的瞬时值，也可以计算出电压的有效值。既能满足控制的需要，又可以满足显示计量的需求。例如，日本Sanken公司研究的电压矢量控制变频器就是利用这种电路完成对交流输出电压的测量，控制效果良好。
5 变频器中的其它检测与保护电路
图15 变频输出对负极N的电压波形
