无刷直流电动机保护电路的研究

作者：陕西汉中供电局 张全红 鲁军勇

欢迎访问e展厅 展厅 1 电动机展厅 三相异步电动机, 单相电机, 马达, 伺服电机, 直流电机, ... 1 引言 对于三相桥式无刷直流电动机，保证其逆变电路正常工作是至关重要的。然而，在现实中，人们经常会碰到烧管子、炸模块等令人头疼的事，耗费了大量的时间，甚至功败垂成。根据我们的实践，在IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的应用中，驱动、保护和吸收这三个问题是必须全面考虑的。本文所介绍的是作者研究的无刷直流电动机保护电路。该电路设计简单、价格低廉、性能可靠，能有效的防止电动机起动时的过流损坏和运行期间栅极电路的误触发。 2 无刷直流电动机的保护电路 2.1 起动时的过流保护电路 无刷直流电动机在起动时，由于其转速很低，故转子磁通切割定子绕组所产生的反电动势很小，因而可能产生过大的电流。这时虽然不是短路电流，但电流上升率也会相当大。为了限制电流上升率和限制短路电流，必须附加过流检测及保护电路。当发生过流时，及时检出并立即关断IGBT，以切断主电路。我们设计的过流保护电路如图1所示。 在主回路中我们串入了一个电感L1和一个续流二极管D1，当电机起动时，由于电感的储能作用，因此限制了起动电流上升率，提高了起动的稳定性，使起动电流在几十微秒内不会超过IGBT的浪涌冲击能力。主回路中通过电动机的电流最终是经过电阻Rf(0.1Ω，5W)接地。因此，Uf=Rf*IM，其大小正比于电动机的电流IM，IM也即是流过IGBT的电流。Uf通过10k电阻与电压比较器LM324正相输入端相连，由于R1=10K>>Rf，可近似认为没有电流流过R1。因而LM324正端输入为Uf。图中所示Vref为过流保护动作设定电压。在正常导通工作期间，Uf小于Vref，LM324输出低电平。MOS管V1、V2、V4和V6均截止，IGBT的栅极驱动电压不受影响。发生过流事故时，IM增大，则Uf也随之增大，当Uf大于Vref时，LM324输出高电平，启动定时器。同时，V1导通使IGBT的栅极电压降至稳压管的稳压值VZ。根据参考文献[2]，在一定温度下，当IGBT短路时及时减小栅极驱动电压VG，可以使短路电流ISC减小，从而延长IGBT在不损坏前提下所能承受短路的时间。因此，当电压降至VZ后，如果在定时器设定时间到达之前故障消失，LM324输出又为低电平，V1截止，Q2、Q4、Q6的栅极驱动电压又恢复正常，电机正常运行。如果在设定时间内故障仍不能排除，则定时器输出高电平，使V2、V4和V6同时导通，由电路图知，Q2、Q4、Q6的栅极驱动电压近似为0V，关断了Q2、Q4、Q6三只IGBT，即切断了主电路，电动机停车，达到了过流保护的目的。 2.2 运行时的逻辑保护电路 电动机在运行期间，由于受到外界环境的干扰，逻辑开关控制信号可能产生误触发，造成桥臂短路。如图2所示。Q1和Q4、Q3和Q6、Q5和Q2分别组成三个桥臂。如果同一桥臂上的两个IGBT同时导通，即会产生所谓的桥臂短路现象，使IGBT过流损坏。比如，当Q1和Q4同时导通，即会有短路电流流过两个IGBT，由于Q1和Q4支路中引线电感很小，短路电流的上升率和浪涌冲击电流均会很大，因而致使IGBT烧毁。为了避免误触发，我们设计了一种逻辑保护电路，这种电路结构简单，使同臂支路的两个IGBT的驱动信号互锁，在任何情况下两个IGBT不会同时导通。如图3所示。根据它们的逻辑关系，我们能得出保护电路的布尔逻辑方程及相应的逻辑输出真值表。如图4及表1所示。 根据我们的设计，当逻辑输入D为低电平时，其相应的输出Q为低电平，触发IGBT的驱动电路，输出15V的电压，使IGBT导通；相反，当逻辑输入D为高电平时，其相应的输出Q为高电平时，驱动电路输出5V的负偏值电压，使IGBT关断。从真值表中我们注意到，当电机正常运行时，每一时刻有两个逻辑输入为低电平。但当逻辑开关控制信号产生误触发时，即当D1和D4，或D2和D5，或D3和D6均为低电平时，其相应的输出为高电平，从而避免了驱动电路的误触发，有效的防止了桥臂短路事故的发生。 3 结论 根据本文内容设计的并实现的无刷直流电动机保护电路，简单可靠，效果良好。在实际应用中，要注意根据无刷电机和IGBT的型号来确定过流保护电路电压的设定值和电阻Rf的参数。 参考文献 1 张立，赵永健。现代电力电子技术。北京：科学出版社，1992. 2 贾贵玺等。IGBT驱动与过流保护技术的研究。电气传动，1996，第一期。 3 张琛。直流无刷电动机原理及应用。北京：机械工业出版社，1996.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/8/2005)