变频器控制的电气设备发生故障时应首先查看变频器的故障报警信息，根据故障代码的指示确定故障类型，如报过压、欠压、失压等故障代码可判断是供电电源回路出了故障，如报过流、过载等故障代码可检查负载情况，同时摇一下电机及电缆的对地绝缘电阻值。若报通讯故障则应检查变频器的通讯模板、通讯线及连接件等。在找出和排除造成故障的原因后才能进行故障复位重新启动设备。 

给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的网络，称为控制回路，控制电路由频率，电压的运算电路，主电路的电压，电流检测电路，电动机的速度检测电路，将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路等组成。无速度检测电路为开环控;在控制电路增加了速度检测电路，即增加速度指令，可以对异步电动机的速度进行更精确的闭环控制。 (1)运算电路将外部的速度，转矩等指令同检测电路的电流，电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。(2)电压、电流检测电路为与主回路电位隔离检测电压，电流等。(3)驱动电路为驱动主电路器件的电路，它与控制电路隔离，控制主电路器件的导通与关断。(4)i/o电路使变频更好地人机交互，其具有多信号(比如运行多段速度运行等)的输入，还有各种内部参数(比如电流，频率，保护动作驱动等)的输入。(5)速度检测电路将装在异步电动机轴上的速度检测器(tg、plg等)的信号设为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。(6)保护电路检测主电路的电压、电流等。当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压，电流值。逆变器控制电路中的保护电路，可分为逆变器保护和异步电动机保护两种，保护功能如下：(1)逆变器保护①瞬时过电流保护，用于逆变电流负载侧短路等，流过逆变电器回件的电流达到异常值(超过容许值)时，瞬时停止逆变器运转，切断电流，变流器的输出电流达到异常值，也得同样停止逆变器运转。②过载保护，逆变器输出电流超过额定值，且持续流通超过规定时间，为防止逆变器器件、电线等损坏，要停止运转，恰当的保护需要反时限特，采用热继电器或电子热保护，过载是由于负载的gd2(惯)过大或因负载过大使电动机堵转而产生。③再生过电压保护，应用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率使直流电路电压升高，有时超过容许值，可以采取停止逆变器运转或停止快速的方法，防止过电压。④瞬时停电保护，对于毫秒级内的瞬时断电，控制电路工作正常。但瞬时停电如果达数10ms以上时，通常不仅控制电路误动作，主电路也不供电，所以检测出后使逆变器停止运转。⑤接地过电流保护，逆变器负载接地时，为了保护逆变器，要有接地过电流保护功能。但为了保证人身安全，需要装设漏电保护断路器。⑥冷却风机异常，有冷却风机的装置，当风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检测出异常后停止逆变电器工作。(2)异步电动机的保护①过载保护，过载检测装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度检出器，或者利用装在逆变器内的电子热保护来检出过热。动作过频时，应考虑减轻电动机负荷，增加电动机及逆变器的容量等。②超速保护，逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转(3)其他保护①防止失速过电流，加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行(失速)。所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。对于恒速运转中的过电流，有时也进行同样的控制。②防止失速再生过电压，减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为防止再生过电压电路保护动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止不能运转(失速)。

　　单向DC/DC变换器的功率传输路径上存在二极管器件，只能实现能量的单方向传递，难以满足直流不间断电源系统、电动汽车等需要功率双向流动的电池储能技术应用场合。电池储能技术正成为目前电力电子技术研究和应用的热点。

　　双向DC/DC变换器实现直流变换器的双象限运行。运行过程中，双向变换器的输入、输出电压极性不变，输入、输出电流极性可变，从而实现了能量的双向传输。在功能上相当于2个单向DC/DC变换器，是典型的“一机两用”设备[1-2]。

　　双向DC/DC变换器由于功率流动的双向性，在电池储能方面得到越来越多的关注。本文设计了一台基于双向直流变换器的电池储能装置，输入额定电压为30V，实现对5节串联的18650型、容量2000～3000mAh锂离子电池充/放电控制。经过合理设计，样机控制精度高，实现功率双向流动自动切换，双向效率均高于94%。

　　2 方案论证与比较

　　2.1 主电路拓扑的选择

　　锂离子电池充电基本过程是先恒流再恒压[3]。因此，充电电路应能满足恒流源、恒压源的分别实现与切换。由于电池电压常小于充电电源电压或负载额定电压，因此充/放电电路应能分别实现降压、升压变换。

　　双向变换器拓扑有多种类型。双向全桥变换器拓扑结构如图1所示。其能量双向传递由隔离变压器及其两侧的全桥逆变、全桥整流环节共同完成，具有电气隔离、传输功率大等特点，多见于大功率应用场合，但开关管数量多，结构与控制较复杂，变换器效率较非隔离式低，且增加了成本。

图1 双向全桥变换器拓扑结构

　　双向DC/DC变换器拓扑结构如图2所示。能量向右传递时，工作在Buck模式，开关管VT1工作，VT2截止;能量向左传递时，工作在Boost模式，开关管VT2工作，VT1截止[4-5]。该拓扑具有效率高、结构简单，开关器件少，输入、输出非隔离等特点，不引入变压器使得装置重量、体积、成本更具优势，通常适用于小功率场合，在能量分配系统中得到应用[6-8]。

图2 双向DC/DC变换器拓扑结构

　　由于本文设计的双向DC/DC变换器样机功率较小，结合整机效率高、结构简单易于维护等要求，故采用图2拓扑，并引入同步整流技术以提升效率，引入数字控制以增加其灵活性。电池充电时，开关管VT1与VT2构成同步Buck，电感电流方向从左至右，实现降压;电池放电时，两只开关管构成同步Boost，电感电流方向从右至左，实现升压。

　　2.2 驱动与微控制器的选择

　　本文采用芯片IR2110作为双向DC/DC变换器的驱动。IR2110驱动器体积小、集成度高、响应快、驱动能力强，高端驱动采用外部电容自举上电，且自带死区时间[9]。本次设计中恰可利用其高、低端分别驱动图2中VT1、VT2两只开关管。微控制器选用dsPIC30F4011。该单片机采用改进的哈佛结构，内嵌DSP引擎，4个10位D/A，6个可实现互补输出的PWM输出通道[10]，具备较强的数字信号处理能力，能够满足设计需要。

　　2.3.1 功率双向流动的自动切换

　　由于输入、输出电压极性不变，功率双向流动的实现依靠电流极性改变，即电感电流沿某一方向逐渐减小至反向增大的变化过程。

　　输入、输出电压固定时，通过改变互补工作的两只开关管占空比可以改变电感充/放电时间，实现电感平均电流的变化与某一功率传输方向上电感储能的增减，从而达到前述电感电流变化的过程。

　　以电流由图2中1、2端口流向3、4端口为正方向。稳态工作时，电感电流在一个开关周期内上升量与下降量相等;充电时，减小VT1管占空比，即减少导通时间，增加关断时间，则一个周期内电感电流下降量多于上升量，可实现电感平均电流的下降，呈电池由充电向放电转换的趋势;放电时，减小VT2管占空比，则电感平均电流沿反方向逐渐减小，呈电池由放电向充电转换的趋势。充电(Buck)模式向放电(Boost)模式切换时电感电流与VT1管占空比如图3所示;放电(Boost)模式向充电(Buck)模式切换时电感电流与VT2管占空比如图4所示。

图3 充电(Buck)模式向放电(Boost)模式切换时电感电流与VT1管占空比

图4 放电(Boost)模式向充电(Buck)模式切换时电感电流与VT2管占空比

　　2.3.2同步整流控制

　　本文引入同步整流技术，利用导通内阻小的POWERMOSFET代替二极管构成续流回路，因此两路开关管驱动信号互补。考虑两管同时导通可能带来的短路问题，两路驱动信号仍需设置一定死区时间。

　　2.3.3闭环控制

　　电池充电时，对充电电流、电池电压进行采样、反馈，实现闭环控制，可靠地实现恒流充电、过充保护等功能;电池放电时，通过输出电压闭环控制实现恒压输出。

　　闭环控制采用数字控制，具有硬件电路少、控制灵活、易于调试等优点。数字PID控制算法分为位置式PID算法和增量式PID算法。位置式PID算法需采用全量式输出，计算时要对差值进行累加，需要存储空间大，控制稳定性也不高。增量式PID控制算法是指数字控制器的输出只是控制量的增量，更加灵活、可靠。本控制系统采用增量式PI环控制。

　　3 硬件电路的设计

　　3.1 主电路的设计

　　本文设计双向变换器在电池充电时额定输入电压30V，放电时额定输出30V、1A。系统原理框图如图5所示。

　　Buck工作模式时，电感电流自左向右，电源经双向DC/DC变换器给电池充电，采样充电电流经过PI控制实现对电池的恒电流充电，采样电池电压实现过充保护。

　　Buck工作模式下，电流连续时临界电感量：

　　3.2 驱动电路设计

　　本文采用的IR2110典型驱动电路如图6所示。其可满足主电路拓扑中两只开关管不共地、VT1管需悬浮驱动的要求。

　　3.3 采样电路的设计

　　电压、电流采样信号处理电路分别如图7、图8所示。电流采样部分使用基于霍尔效应的线性电流传感器芯片ACS712-05B。

　　双向DC/DC变换器主要存在两种工作模式，略有不同，程序流程图如图9所示。

　　为避免开机时较大的冲击电流对电池造成冲击，导致电池保护(18650型锂电池自带过充等保护)动作，而不能正常充电，本文引入软启动控制，即设置合适初始占空比，逐渐将其调整至所需值，使电流得到递增，避免过冲(如果采用不自带保护的锂电池，开机软启动可以保护电池免受开机冲击电流)。

　　由于采用图2互补输出的PWM信号控制开关管VT1、VT2，因此在充电模式下控制VT1管，放电模式下控制VT2管，逐渐增大占空比，使其导通时间逐渐加长，以实现软启动，保证电流较平稳地增加。

　　4.3 数字增量式PI调节

　　本文闭环设计采用PI调节，利用比例环节加快响应速度、积分环节减小误差，从而提高控制精度。样机通过PI环调整输出占空比，实现对应量的闭环控制。电池充电或放电过程中，分别计算实测电流或实测电压与目标电流或目标电压的差值，经PI环计算占空比增量实现闭环控制，并且设计不同PI环来适应不同工作模式。

　　增量式PI控制的算法为：

　　(2)输入电压u=30V、输出电流2A时，效率可达94.8%。

　　(4)电池组电压达24.25V时开启过充保护，停止充电。

　　(5)软启动时段，充电电流如图11所示。由图11可见，本设计实现了充电电流递增，避免了启动时可能出现的电流尖峰，实现了软启动。

图11 软启动下充电电流

　　(3)软启动时段，电池放电电流波形如图13所示。由图13可以看出，电流递增平稳，无较大电流过冲，可实现放电工作状态的软启动。

图13 软启动下放电电流

　　(4)输出30V、1A时，VT2管GS、DS极间波形如图14所示。

　　5.4 功率双向流动自动切换

　　设计的锂电池双向储能装置采用双向Buck/Boost功率拓扑和全数字控制，效率高。不仅可以实现充电时对锂电池恒流充电，充电电流控制精度高，电源调整率好，放电时负载调整率好，而且能够实现充/放电的自动切换。通过软启动控制，实现了开机时对锂离子电池的软启动充电和放电。试验证明，样机控制和设计正确、有效，样机性能良好，工作稳定。

　　[1]童亦斌,吴峂,金新民,等.双向DC/DC变换器的拓扑研究[J].中国电机工程学报,):81-86.

　　[2]林方圆,苏建徽.锂电池化成用双向DC/DC变换器研究[J].电器与能效管理技术,-36,75.

　　[3]梁伟,王建华,卢刚.基于BQ24032的锂电池充电管理电路设计[J].兵工自动化,-40.

　　[5]刘士华,张文斌,索春光,等.半主动混合储能双向直流变换器的精确建模[J].电器与能效管理技术,-54.

　　[7]赵彪,于庆广,王立雯,等.用于电池储能系统并网的双向可拓展变流器及其分布式控制策略[J].中国电机工程学报,):244-251.

　　[8]刘赟甲,刘伟,闫涛,等.光储联合运行模式下的储能变流器及控制策略研究[J].电器与能效管理技术,-70.

　　[9]马瑞卿,刘卫国.自举式IR2110集成驱动电路的特殊应用[J].电力电子技术,-33.

　　[10]刘和平.dsPIC通用数字信号控制器原理及运用——基于dsPIC30F系列[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.