近年来，随着经济迅速发展，我国城市现代化轨道交通进入一个高速发展时期，全国许多大中城市争相发展城市轨道交通以缓解日益严重的交通拥堵问题。在城市轨道交通车辆电力牵引系统中，交流传动技术应用越来越广泛，早已取代传统的直流传动技术成为当今的发展趋势。
检测与保护电路是交流传动控制系统重要组成部分，为了满足控制过程的需要并保证系统的安全可靠，检测和保护电路的设计显得尤为重要。本文主要是针对交流传动控制系统的需要，给出交流传动主电路的检测与保护电路设计方法。这个设计主要选取了适当的传感器对相关信号进行检测，通过软、硬件结合的方法，在危险情况下采取保护措施，从而保证传动控制系统的安全工作。
地铁车辆交流传动系统
地铁车辆传动系统可以分为直流传动和交流传动两种。随着半导体技术和控制技术的不断发展，地铁车辆的电传动系统已经由早期的凸轮调阻、斩波调压的直流牵引传动方式发展为交流传动方式。我国近年投入使用的地铁车辆基本上几乎都采用三相交流传动的牵引方式，先前的一些直流方式也已经改造成交流传动方式，如上海轨道交通1号线。
一般，地铁车辆主电路为变压变频(VVVF)逆变器控制的交流传动系统，如图1所示。
列车通过受电弓从直流1500V电网受流，经受电弓、主保险丝、高速断路器、主熔断器、主开关、滤波电抗器等设备送入到逆变器，经逆变器逆变后输出电压频率可调的三相交流电，给交流牵引电机供电，最终通过接地电刷经由车体、转向架形成电流回路。整个交流传动系统的牵引控制单元一般采用微机控制，其优点是可靠性高，并能实现系统的自动检测与故障诊断，同时也为车辆的安全运行、维护检修以及保养提供了极大便利。
检测与保护电路设计
作为一个完备的控制系统，检测和保护电路是必不可少的。因为传动系统控制的需要，必须对系统中的一些参数进行检测，通过这些量值来控制各设备的工作状态，并且在非正常情况下对主电路关键环节提供各种保护动作，以确保列车的正常运行，提高列车的安全性。为了保证交流传动系统正常工作以及判别系统是否处于正常工作状态，系统关键参数值的监控是最重要的任务。
在列车运行过程中，系统中可能存在各种过电压、过电流、过热等故障及危险，如逆变单元、牵引电机输入过压、过流，IGBT过热、电机定子过热等。如果对这些危险情况听之任之，将造成严重的后果，因此必须采用相应的监测和保护措施。一般对传动系统的检测包括：直流侧线路电压、线路电流，逆变器功率器件(多为IGBT)结温，牵引电机电流、电压、温度等多个方面。在检测中，使用适当灵敏度与精度的传感器等来进行实时、连续监控，由检测信号来进行相关的保护或者控制。传动系统的检测及保护电路的总体构成如图2所示。
1 直流侧检测与保护电路
在牵引传动系统中，功率模块的损坏大多数情况下都与过电流有直接或间接的关系，因此电流检测与保护电路的设计非常关键。虽然传动主电路中串联有熔断器以防止过电流，但是在过电流故障中，当出现过电流或短路电流时，由于熔断丝起作用的时间较长，很多情况下在熔断丝还没有起保护作用之前，电路元器件就已经被损坏。因此，为保护功率器件以及其他元器件，在实际过电流故障中对过流的保护要求非常迅速，通常当出现过电流时，在极短的时间内必须封锁开关管驱动信号，因此一般通过硬件保护电路来进行过流保护。在当今的逆变器中多采用IGBT集成驱动器，所谓智能功率模块(IPM)，即可以实现对电力电子器件的短路、过电流保护，欠电压监测等功能，同时还可将故障信号反馈给主控单元。但由于高压的存在，为了保护元器件、保证电路正常工作，还必须在系统设计中加入电压检测与过电压保护电路。
检测电路可使用霍尔电流传感器，其具有测量电流大、测量频率宽、响应快、精度高等优点，且因其为非接触式测量，可以实现高压隔离，能够适用于高压测量场合。
由于大多微控制器内置的模／数转换器只能采集电压信号，因此传感器输出与其电源的参考地之间必须接入一个高精度电阻，用以将采集的电流信号转化为相应的电压信号。同时，AD口输入电压一般在0～5V之间，而采集的电流值为交流量，所以还要进行偏移转化将其变为单极性。过流检测及保护电路原理图如图3所示。由主电路中串入的霍尔传感器将采集到的直流电流信号经Rm转换为电压信号，经过电压跟随器，分成检测与保护两路。检测端将电压信号直接送到微控制器AD采样通道。而保护端则将采样电压信号送入LM393比较器，需要采取保护的电流上下阀值分别由RPI、RP2分压电阻来设置，可以根据系统具体需要的保护等级来设定。当其高于参考电压信号，即输入电流大干安全值时，比较器输出低电平信号，将此信号作为保护信号输入到微控制器的外部中断引脚，以中断等方式，迅速发出控制信号，产生保护动作。反之，当输入电流小于最低要求时，也会产生中断信号，进入相应的保护措施。二极管D1、D2组成限幅电路保证了AD模块输入在5V之内。
在直流侧电压检测与保护电路中，需要对逆变器外部的直流网压、中间的直流环节电压、再生制动时制动斩波器IGBT的两端电压等电压检测以及采取相应的保护措施。基于霍尔磁平衡式传感器具有响应速度快，测量精度高等优点，所以电压信号采集电路也可选用霍尔磁平衡式电压传感器。
对直流高电压的检测可以采用LEM公司的LV100系列霍尔传感器，根据测量电压范围，可以选定具体的型号为LV100-1500。其采集及处理电路与电流信号电路完全相同，也采用图3所示方法，只是要注意的是霍尔电压传感器与电流传动器的不同使用方法。
经过霍尔传感器采集到的电流信号由Rm转换成0～5V的电压信号，由电压跟随器分成两路，一路作为电压值信号采集量同样送入到微控制器AD采样通道，另一路则连接成过电压与欠电压保护电路，通过与过电压、欠电压设定值进行比较。过电压与欠电压的设定值同样由RP1、RP2分压电阻来设置。采样值与保护参考值经比较器比较后，分别送出过电压、欠电压信号到微控制器，由微控制器产生中断信号，迅速采取保护措施。
2 电机定子电流、电压检测电路
根据异步电动机的控制要求，定子电流检测的精度和实时性是整个控制系统精度的关键，因此对电流检测要精度高、速度快。微控制器芯片AD转换器对高瞬态响应的电流传感器输出的电机定子电流信号进行转换，依此对逆变器进行控制。对此，同样可采用霍尔电流传感器来对电机定子电流进行检测，能很好满足系统的要求。电流检测电路如图4所示。
例如，采用LEM公司的电流传感 器LT508-S6(LT208-S7)，其输出为电流信号，当采样电流为500A时，输出电流为100mA，采样值与输出值成线性关系。如图4所示，取样电阻Rl为50Ω，R2=R3，经过运算放大器，可以使输出电压处在0～5V之间。
对电机的电压检测，可选用霍尔电压传感器。如采用LEM电压传感器AV100-1500，其构成的电压采样电路同样可采用如图4所示设计方法。
该型号传感器当原边电压达到1500V时，副边输出电流有效值为50mA。同样须经串联取样电阻转换为-电压信号，为了使Rl电压传感器输出电压信号范围在-5V～+5V之间，电阻值选择为100Ω。经过调理，最终输入到微控制器的电压在0～5V之间。
3 温度检测与过热保护电路
为了避免系统中元件及设备因温度过高而发生工作异常或损毁等故障，系统中需要设置过热检测及保护电路。
测量温度有多种方式，如用热敏电阻、温度开关等检测方法。本方案主要针对IGBT过热与牵引电机过热来进行设计，采用3线制Pt100铂电阻设计温度传感器，其体积小巧轻薄，易于埋设在相应的检测位置，并且测量准确度高、复现性和稳定性好、能够灵敏实时地反映温度变化。
由Pt100构成的测量放大电路分为立式电桥电路、差分电路和放大电路。如图5所示，将温度传感器导线一端接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上。当桥路平衡时，铂电阻的导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，消除了导线线路电阻带来的测量误差，测量准确度高。当被测温度变化时，Pt100的阻值发生变化，两桥臂中间点产生的电位经过差分电路输出其差值，经过反相放大，分成两路信号。其中一路用于输入到微控制器的AD采集通道，由输出电压和铂电阻温度一电阻之间线性关系即可获得被测的温度。另一路则与设定的保护参考值进行比较，向微控制器反馈保护信号，当反应温度信号的电压值超过设定的保护参考值时，比较器输出高电平，触发中断，采取相应保护措施，保证设备的安全。
结语
作为控制系统重要部分，检测与保护电路的设计至关重要。我们选用了相应的传感器，对检测和保护电路进行了设计。本设计应用在我单位牵引控制实验平台上。检测保护电路与传动系统主控电路集成一体，成为主控单元，与传感器之间通过插件形式连接。实验台用于地铁车辆交流传动模拟实验，所设计的检测与保护电路保障了实验台的正常运行。本文的设计经验为地铁车辆交流传动系统检测与保护电路设计方法提供参考。