一种高可靠性的过流故障检测电路的制作方法

1.本实用新型涉及变频器技术领域，具体为一种高可靠性的过流故障检测电路。


背景技术：

2.在低压变频器中，为了实时检测三相输出电流，只需要设计其中两相电流的检测电路，第三相输出电流的检测可通过两相电流求矢量和得出计算值，通常设计第三相输出电流检测电路的主要目的是避免出现第三相输出对地短路时产生的持续大电流导致逆变桥失效。逆变桥输出过流故障检测电路，通常由电流传感器将电流信号转换为电压信号，比较器采集电流传感器输出的电压信号和基准电压比较再输出过流故障信号，详见图3，具体为：电流传感器u4的输出端与比较器u5a的反向输入端连接，二者之间串联有电阻r28，电流传感器u4的输出端与比较器u5b的同向输入端连接，二者之间串联有电阻r30，电流传感器u4的电源端与电源正极连接、接地端接地，电阻r32的一端与电源正极连接另一端与比较器u5a的同向输入端连接，电阻r34的一端接地另一端与比较器u5b的反向输入端连接，电阻r33的一端与比较器u5a的反向输入端连接另一端与比较器u5a的输出端连接，电阻r31的一端与比较器u5b的同向输入端连接另一端与u5b的输出端连接，比较器u5a的输出端与比较器u5b的输出端并联连接故障信号输出端，该检测电路还包括一端连接电源正极另一端接地的滤波电容c24和滤波电容c25、一端连接比较器u5a反向输入端另一端接地的电容c21、一端连接比较器u5a同向输入端另一端接地的电容c22、一端连接比较器u5b反向输入端另一端接地的电容c20、一端连接比较器u5b同向输入端另一端接地的电容c23。
3.上述电路采用了电流传感器和比较器的方案，能够实现过流故障检测功能，但是使用电流传感器成本较高，仅用于过流故障检测时，不经济。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种高可靠性的过流故障检测电路，当使用于变频器输出过流故障检测时，相比于采用电流传感器的技术方案，能可靠实现过流故障检测功能并降低系统成本。
5.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
6.一种高可靠性的过流故障检测电路，包括电流输入端、基准源产生电路、差分放大电路、窗口比较电路、信号调理电路、逻辑转换电路和信号输出接口，所述基准源产生电路的输出端与差分放大电路、窗口比较电路电连接，所述差分放大电路的输入端与电流输入端电连接，所述差分放大电路的输出端与窗口比较电路的输入端电连接，所述窗口比较电路的输出端与信号调理电路的输入端电连接，所述信号调理电路的输出端与逻辑转换电路电连接，所述逻辑转换电路连接信号输出接口并输出故障信号。
7.优选的，所述基准源产生电路包括第一稳压电源、第二稳压电源、分压电阻和运算放大器u2b，所述第一稳压电源包括电阻r1、电容c1、稳压二极管zd1、电容c2，所述第二稳压电源包括滤波电容c3、限流电阻r2、基准电压调节器u1、分压电阻r3、分压电阻r4。
8.优选的，所述电阻r1和第一稳压电源正极电连接另一端接地，所述电容c1和电阻r1并联，所述稳压二极管zd1和第一稳压电源负极电连接另一端接地，所述电容c2和稳压二极管zd1并联，所述电阻r2的一端和第一稳压电源的正极电连接另一端和第二稳压电源的正极电连接，所述电阻r3的一端和第二稳压电源的正极电连接另一端和基准电压调节器u1的基准端电连接，所述电阻r4的一端和基准电压调节器u1的基准端电连接另一端接地，所述基准电压调节器u1的阴极和第二稳压电源的正极电连接阳极接地；所述电容c4的一端和第二稳压电源的正极电连接另一端接地，所述电阻r5的一端和第二稳压电源的正极电连接另一端和运算放大器u2b的同向输入端电连接，所述电阻r6的一端和运算放大器u2b的同向输入端电连接另一端接地，所述运算放大器u2b的反向输入端和运算放大器u2b的输出端电连接。
9.优选的，所述差分放大电路包括采样电阻r7、差分电阻r8、差分电阻r9、差分电阻r10、差分电阻r11、电容c5、电容c6和运算放大器u2a，所述采样电阻r7的一端和差分电阻r8的一端电连接另一端和差分电阻r9的一端电连接，所述差分电阻r8的另一端和运算放大器u2a的反向输入端电连接，所述电阻r9的另一端和运算放大器u2a的同向输入端电连接，所述差分电阻r10和运算放大器u2a的同向输入端电连接另一端接地，所述差分电阻r11的一端和运算放大器u2a的反向输入端电连接另一端和运算放大器u2a的输出端电连接，所述电容c5和差分电阻r10并联，所述电容c6和差分电阻r11并联。
10.优选的，所述差分放大电路还包括滤波电容c7、滤波电容c8和滤波电容c9，所述滤波电容c7的一端和运算放大器u2b的输出电连接另一端接地，所述滤波电容c8的一端和运算放大器u2a的电源正极电连接另一端接地，所述滤波电容c9的一端接地另一端和运算放大器u2a的电源负极电连接。
11.优选的，所述窗口比较电路包括比较器、低通滤波组、滞回反馈电阻、过流基准分压电阻和滤波电容。
12.优选的，所述比较器包括比较器u3a和比较器u3b，所述低通滤波组包括第一低通滤波组和第二低通滤波组，所述第一低通滤波组包括电阻r15、电容c10，所述第二低通滤波组包括电阻r17、电容c12，所述电阻r15的一端和差分放大电路的输出电连接另一端和比较器u3a的反向输入端电连接，所述电容c10的一端和比较器u3a的反向输入端电连接另一端接地，所述电阻r17的一端和差分放大电路的输出电连接另一端和比较器u3b的同向输入端电连接，所述电容c12的一端和比较器u3b的同向输入端电连接另一端接地。
13.优选的，所述滞回反馈电阻包括电阻r16和电阻r18，所述电阻r16的一端和比较器u3a的同向输入端电连接另一端和比较器u3a的输出端电连接，所述电阻r18的一端和比较器u3b的同向输入端电连接另一端和比较器u3b的输出电连接。
14.优选的，所述基准分压电阻包括电阻r12、电阻r13和电阻r14，所述电阻r12的一端和第二稳压电源的正极电连接另一端和比较器u3a的同向输入端电连接，所述电阻r13的一端和比较器u3a的同向输入端电连接另一端和比较器u3b的反向输入端电连接，所述电阻r14的一端和比较器u3b的反向输入端电连接另一端接地。
15.为了达到更好的技术效果，所述窗口比较电路还包括滤波电容c14、滤波电容c11和滤波电容c13，所述滤波电容c14的一端和比较器u3a、比较器u3b的电源正极电连接另一端接地，所述滤波电容c11的一端和比较器u3a的同向输入端电连接另一端接地，所述滤波
电容c13的一端和比较器u3b的反向输入端电连接另一端接地。
16.为了达到更好的技术效果，所述信号调理电路包括电阻r19、电阻r20、电容c15、电阻r21、电阻r22、晶体管q1、电阻r23、电容c16和光电耦合器pc1，所述电阻r19的一端和第一稳压电源正极电连接另一端和比较器u3a、比较器u3b的输出电连接，所述电阻r20一端和晶体管q1的基极电连接另一端和晶体管q1的发射极电连接，所述电容c15和电阻r20并联，所述晶体管q1的基极和比较器u3a、比较器u3b的输出电连接，所述电阻r21的一端和第一稳压电源正极电连接另一端和电阻r22的一端电连接，所述电阻r22的另一端和晶体管q1的集电极电连接，所述电阻r23的一端和晶体管q1的发射极电连接另一端接地，所述晶体管q1的集电极、发射极和光电耦合器pc1的发光二极管并联，所述电容c16和光电耦合器pc1的发光二极管并联，所述光电耦合器pc1的光敏三极管发射极接地。
17.为了达到更好的技术效果，所述逻辑转换电路包括信号锁存组、晶体管q2和低通滤波组，所述信号锁存组包括电阻r24、电阻r25、电容c17，所述低通滤波组包括电阻r26、电容c18，所述电阻r24的一端和光电耦合器pc1的光敏三极管集电极连接另一端和晶体管q2的基极电连接，所述电阻r25的一端和第一稳压电源正极电连接另一端和晶体管q2的基极电连接，所述电容c17的一端和晶体管q2的基极电连接另一端接地，所述晶体管q2的发射极接地，所述电容c18的一端和晶体管q2的集电极电连接另一端接地，所述电阻r26的一端和晶体管q2的集电极电连接另一端输出故障信号。
18.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
19.(1)通过采样电阻将电流信号转化为电压信号，采用光电耦合器实现强弱电的电气隔离，在方案上实现了替代电流传感器的功能，降低了系统成本；
20.(2)引入了差分放大电路，提高了对共模信号的抑制能力，有效地提高了共模抑制比，能较好的抑制温漂，提高了故障检测的精度和抗干扰性能；
21.(3)引入了逻辑转换电路，通过在故障信号输出接口端外接上拉电阻，能够实现兼容过流和信号接口断线两种故障检测，且具备故障信号锁存的功能，避免了检测过程中因故障信号有效电平宽度太小导致的丢波问题，提高了故障检测的可靠性，其中低通滤波电路，进一步提高了电路的抗干扰性能。
附图说明
22.图1～图4为本实用新型的实施例1过流故障检测电路图；
23.图5为本实用新型的过流故障检测流程图；
24.图6为现有技术中的过流故障检测电路图；
具体实施方式
25.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
26.实施例1
27.请参阅图1～图4，包括电流输入端、基准源产生电路、差分放大电路、窗口比较电路、信号调理电路、逻辑转换电路和信号输出接口，所述基准源产生电路的输出端与差分放大电路、窗口比较电路电连接，所述差分放大电路的输入端与电流输入端电连接，所述差分
放大电路的输出端与窗口比较电路的输入端电连接，所述窗口比较电路的输出端与信号调理电路的输入端电连接，所述信号调理电路的输出端与逻辑转换电路电连接，所述逻辑转换电路输出故障信号；
28.所述基准源产生电路包括一端连接第一稳压电源正极(+16vcc)另一端接地(gnd1)的电阻r1和电容c1、一端接地(gnd1)另一端连接第一稳压电源负极(
‑
9vcc)的稳压二极管zd1和电容c2、一端连接第一稳压电源正极(+16vcc)另一端接地的电容c3、串联在第一稳压电源正极(+16vcc)和第二稳压电源正极(+5vcc)之间的限流电阻r2、阴极连接第二稳压电源正极(+5vcc)阳极接地的基准电压调节器u1、并联在基准电压调节器u1的阴极和基准端之间的电阻r3、并联在基准电压调节器u1的基准端和阳极之间的电阻r4、一端连接第二稳压电源正极(+5vcc)另一端连接运算放大器u2b同向输入端的分压电阻r5、一端连接运算放大器u2b同向输入端另一端接地的分压电阻r6、输出端与反向输入端短接的运算放大器u2b。基准源产生电路中：电阻r3和电阻r4两者的阻值相等，分压电阻r5和分压电阻r6两者的阻值相等。
29.所述差分放大电路包括并联在电流输入端的采样电阻r7、一端连接采样电阻r7另一端连接运算放大器u2a反向输入端的电阻r8、一端连接采样电阻r7另一端连接运算放大器u2a同向输入端的电阻r9、并联在运算放大器u2a反向输入端和输出端的电阻r11、一端连接运算放大器u2a同向输入端另一端连接基准源(+2.5vref)的电阻r10、与电阻r11并联的滤波电容c6、与电阻r10并联的滤波电容c5、一端连接基准源(+2.5vref)另一端接地的滤波电容c7、一端连接第一稳压电源正极(+16vcc)另一端接地的滤波电容c8、一端接地另一端连接第一稳压电源负极(
‑
9vcc)的滤波电容c9，所述运算放大器u2a的电源正极和电源负极分别连接第一稳压电源正极(+16vcc)和第一稳压电源负极(
‑
9vcc)。差分放大电路中：电阻r8和电阻r9两者的阻值相等，电阻r10和电阻r11两者的阻值相等，电容c5和电容c6两者的容值相等。差分放大电路提高了对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力，有效地提高了共模抑制比，能较好的抑制温漂。
30.所述窗口比较电路包括一端连接差分放大电路输出端另一端连接比较器u3a反向输入端的电阻r15、一端连接差分放大电路输出端另一端连接比较器u3b同向输入端的电阻r17、一端连接比较器u3a输入端另一端接地的滤波电容c10和滤波电容c11、一端连接比较器u3b输入端另一端接地的滤波电容c12和滤波电容c13、一端连接第二稳压电源正极(+5vcc)另一端连接比较器u3a同向输入端的电阻r12、一端接地另一端连接比较器u3b反相输入端的电阻r14、一端连接比较器u3a的同向输入端另一端连接比较器u3b反相输入端的电阻r13、并联在比较器u3a的同相输入端和输出端的电阻r16、并联在比较器u3b的同相输入端和输出端的电阻r18、一端连接第一稳压电源正极(+16vcc)另一端接地(gnd1)的滤波电容c14，所述比较器u3a、比较器u3b的电源正极和电源负极分别连接第一稳压电源正极(+16vcc)和地(gnd1)。
31.所述信号调理电路包括光电耦合器pc1、一端连接第一稳压电源正极(+16vcc)另一端连接比较器输出端的电阻r19、基极连接比较器输出端且集电极和发射极并联在光电耦合器pc1发光二极管两端的晶体管q1、并联在晶体管q1的基极与发射极之间的电阻r20和电容c15、串联在第一稳压电源正极(+16vcc)与晶体管q1集电极之间的电阻r21和电阻r22、一端连接晶体管q1的发射极另一端接地(gnd1)的电阻r23、并联在光电耦合器pc1的发光二
极管两端的电容c16、晶体管q2、一端连接光电耦合器pc1的光敏三极管集电极另一端连接晶体管q2基极的电阻r24、一端连接电源正极(+5vdd)另一端连接晶体管q2基极的电阻r25、一端连接晶体管基极另一端接地的电容c17、一端连接晶体管q2集电极另一端接地(gnd2)的电容c18、一端连接晶体管q2集电极另一端连接故障信号输出端的电阻r26。其中电阻r24、电阻r25、电容c17构成故障信号锁存电路，改善了故障信号有效电平宽度，提高了故障检测的可靠性。同时，晶体管q2将故障信号由低电平转换为高阻态，通过在信号接口端外接上拉电阻实现故障信号高有效，具备了过流和信号接口断线两种故障检测的功能。另外，电阻r26和电容c18组成低通滤波电路，在故障信号接口端形成了对晶体管q2集电极的静电防护。
32.应用本实施例用于过流故障检测的电路，详情是：
33.电路设计参数计算公式如下：
34.通过设置采样电阻r7，可得到差分放大电路的差分输入电压计算公式1)：
35.uin＝r7*iin
ꢀꢀꢀ
1)
36.其中，iin为实际检测电流，uin为采样电阻r7两端电压；
37.差分放大电路的输出电压与输入电压的计算公式2)：
38.uo1＝uin*r11/r8+vref
ꢀꢀꢀ
2)
39.其中，uo1为差分放大电路输出电压，r11和r8为差分放大电阻，且r11＝r10，r9＝r8,vref＝2.5v；
40.窗口比较电路的过流基准高值的计算公式3)：
41.v
ocrefh
＝vcc*(r13+r14)/(r12+r13+r14)
ꢀꢀꢀ
3)
42.窗口比较电路的过流基准低值的计算公式4)：
43.v
ocrefl
＝vcc*r14/(r12+r13+r14)
ꢀꢀꢀ
4)
44.其中，v
ocrefh
为过流基准高值，v
ocrefl
为过流基准低值，vcc＝5v，r12、r13和r14为分压电阻,且r12＝r14，v
ocrefh
+v
ocrefl
＝5v；
45.故障电流设定值的计算公式5)：
46.i
oc
＝(vocref
‑
vref)/(r11/r8)/r7
ꢀꢀꢀ
5)
47.其中i
oc
为故障电流设定值；
48.由电阻r24、电阻r25、电容c17构成故障信号锁存电路，设置电阻r24、电阻r25的阻值满足关系式6)：
49.r25>20*r24
ꢀꢀꢀ
6)
50.且设置电阻r25和电容c17满足关系式7)：
51.vcc*(1
‑
e
‑
t/(r25*c17)
)<0.7
ꢀꢀꢀ
7)
52.其中t为设定的最小故障锁存时间理论值，vcc＝5v；
53.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
54.申请人又一声明，本实用新型通过上述实施例来说明本实用新型的实现方法及装置结构，但本实用新型并不局限于上述实施方式，即不意味着本实用新型必须依赖上述方法及结构才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本实用新型的任何改进，对本实
用新型所选用实现方法等效替换及步骤的添加、具体方式的选择等，均落在本实用新型的保护范围和公开的范围之内。
55.本实用新型并不限于上述实施方式，凡采用和本实用新型相似结构及其方法来实现本实用新型目的的所有方式，均在本实用新型的保护范围之内。