變頻器中幾種典型的在線電壓電流檢測方案設(shè)計(jì)

1、變頻器中幾種典型的在線電壓電流檢測方案設(shè)計(jì)1 .刖3變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，其最主要的特點(diǎn)是具有高效率的驅(qū)動性能及良好的控制特性。簡單地說變頻器是通過改變電機(jī)輸入電壓的頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的。從電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可以看出，調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電壓的頻率f,即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n。目前幾乎所有的低壓變頻器均采用圖1所示主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)整旅器DC環(huán)節(jié)逆變?nèi)鹩?#187;部分3部分1部分2圖1電壓型受演器主回路部分1為整流器，作用是把交流電變?yōu)橹绷麟?，部?為無功緩沖直流環(huán)節(jié)，在此部分可以采用電容作為緩沖元件，也可用電感作為緩沖元件。部分3是逆變器部分，作用是把直流

2、電變?yōu)轭l率可調(diào)整的三相交流電。中間環(huán)節(jié)采用電容器的這種變頻器稱之為交直交電壓型變頻器，這種方式是目前通用型變頻器廣泛應(yīng)用的主回路拓?fù)?。本文將重點(diǎn)討論這種結(jié)構(gòu)在電壓、電流檢測設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問題。變頻器在運(yùn)行過程中為什么要對電壓、電流進(jìn)行檢測呢？這就需要從電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制特性上說起：三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是由電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過電流之間相互作用而產(chǎn)生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過大，磁回路飽和，嚴(yán)重時將燒毀電機(jī)。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生0變頻器運(yùn)行中，過載起動電流為額定電流的

3、1.21.5倍；過流保護(hù)為額定電流的2.43倍（根據(jù)不同性質(zhì)的負(fù)載要求選擇不同的過流保護(hù)點(diǎn)）；另外還有電流閉環(huán)無跳閘、失速防止等功能都與變頻器運(yùn)行過程中的電流有關(guān)。為了改善變頻器的輸出特性，需要對變頻器進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償，幾種常用的死區(qū)補(bǔ)償方法均需檢測輸出電流。電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中如果降低指令頻率過快，則電動狀態(tài)將變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，再生出來的能量貯積在變頻器的直流電容器中，由于電容器的容量和耐壓的關(guān)系，就需要對電壓進(jìn)行及時、準(zhǔn)確地檢測，給變頻器提供準(zhǔn)確、可靠的信息，使變頻器在過壓時進(jìn)行及時、有效的保護(hù)處理。同時變頻器上電過程、下電過程都需要判斷當(dāng)前直流母線電壓的狀態(tài)來判斷程序下一步的動作。鑒于電壓、電流檢

4、測的重要性，在變頻器設(shè)計(jì)中采用對電壓、電流進(jìn)行準(zhǔn)確、有效檢測的方法是十分必要的。下面分別就幾種方法進(jìn)行探討。2 .在線測量電壓的幾種方案設(shè)計(jì)變頻器的過電壓或欠電壓集中表現(xiàn)在直流母線的電壓值上。正常情況下，變頻器直流電壓為三相全波整流后的平均值。若以380V線電壓計(jì)算，則平均直流電壓。在過電壓發(fā)生時，直流母線的儲能電容將被充電，主電路內(nèi)的逆變器件、整流器件以及濾波電容等都可能受到損害，當(dāng)電壓上升至約800V左右時，變頻器過電壓保護(hù)功能動作；另外變頻器發(fā)生欠壓時（350V左右）也不能正常工作。對變頻器而言，有一個正常的工作電壓范圍，當(dāng)電壓超過或低于這個范圍時均可能損壞變頻器，因此，必須在線檢測母線

5、電壓，常用的電壓檢測方案有三種。1） ）變壓器方案圖2中，P為直流母線電壓正（+）,N為直流母線電壓負(fù)（-）。圖2變壓塞方黑原理明變頻器控制回路的電源電壓一般采用開關(guān)電源的方式來獲得，利用開關(guān)變壓器的特點(diǎn)，在副邊增加一組繞組N4（匝數(shù)根據(jù)實(shí)際電路參數(shù)決定）作為母線電壓的采樣輸出，開關(guān)變壓器的原邊電壓為母線電壓，而副邊輸出電壓隨著原邊輸入電壓的變化而線性地發(fā)生變化，這樣既能起到強(qiáng)弱電隔離作用又能起到降壓作用，把此采樣信號經(jīng)過處理可以送到DSP內(nèi)進(jìn)行A/D采樣實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)工作。2） 線性光耦方案鄭噥制嘉進(jìn)行信號處理P為直流母線電壓正（+）,N為直流母線電壓負(fù)（-）在這種方式中，光耦的初級接受一組待

6、測的摸擬電壓信號，次級輸出一對差動的電壓信號。輸入與輸出之間在一定范圍內(nèi)是一種線性的當(dāng)量關(guān)系。在設(shè)計(jì)應(yīng)用中必須分別給光耦的輸入、輸出端提供隔離的+5V電源，且運(yùn)放電路必須提供±15V電源，直流母線電壓經(jīng)過電阻分壓后接入光耦的輸入端，輸出信號線性地跟隨輸入信號地變化，光耦的輸出信號經(jīng)放大電路放大后提供給DSP進(jìn)行內(nèi)部處理。由于此光耦的線性范圍較小，因此輸入端電阻的配置必須使輸入信號在光耦的線性范圍內(nèi)。3） 電壓霍爾方案采用電壓霍爾對母線電壓進(jìn)行測量，按霍爾使用要求必須提供±15V電源，且電源電壓的誤差不超過±5%由于霍爾輸入端電流不超過10mA,可根據(jù)母線電壓的范圍

7、及長時間工作發(fā)熱的要求配置輸入端電阻，此電壓霍爾的輸入、輸出已隔離，因此霍爾的輸出電流信號經(jīng)電阻R5、R6采樣轉(zhuǎn)換成電壓信號后再進(jìn)行處理（如濾波、放大等）可直接引入DSP,進(jìn)行實(shí)時采樣計(jì)算。根據(jù)母線電壓檢測范圍的不同可選取不同耐壓等級的電壓霍爾傳感器表1為三種不同測量方案的對照表：表1.名稱測量電壓范圍響應(yīng)時問檢測精度所需電源組數(shù)價格隔離電壓變壓器方案<2400V<100ms0.3%便宜2400V/50HZ/1min線性光耦力殺<2500V<10us0.1%4組適中2500V/50HZ/1min電壓霍爾力殺<2500V<40us±0.6%FS2組高

8、2500V/50HZ/1min3在線測量電流的幾種方案設(shè)計(jì)實(shí)時對變頻器輸出電流檢測的目的主要是防止過電流發(fā)生時損壞變頻器，以及為死區(qū)補(bǔ)償、無跳閘電流閉環(huán)控制提供實(shí)際反饋值。如果電流檢測不準(zhǔn)確、誤差過大，而變頻器又只能根據(jù)其內(nèi)部的測量結(jié)果來進(jìn)行保護(hù)和計(jì)算，就會形成誤動作。因此對電流的檢測就必須及時、準(zhǔn)確，常用的電流檢測電路有二種。1 )電流霍爾方案圖5三電流俳爾方霎原理圖霍爾電流傳感器是應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理的新一代電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈動以及各種不規(guī)則波形的電流。由于閉環(huán)霍爾電流傳感器的響應(yīng)時間小于，因此出現(xiàn)短路時，霍爾輸出電流信號經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號及時送到DSP,在I

9、GBT10us短路安全時間內(nèi)封鎖PWM驅(qū)動信號輸出，使IGBT得到可靠的保護(hù)。當(dāng)然，同電壓霍爾一樣，必須提供電流霍爾正常工作所要求的電源電壓，且電源電壓誤差不超過±5%同時選擇電流霍爾元件時，線性范圍必須滿足IGBT最大工作電流的范圍。三電流霍爾方案中，直流側(cè)霍爾用來檢測橋臂直通故障，對響應(yīng)指標(biāo)有較高要求，輸出側(cè)兩相電流檢測用來完成死區(qū)補(bǔ)償、無跳閘電流閉環(huán)、過載、過流電流檢測。圖6.中的三霍爾方案二去掉了直流側(cè)霍爾，直通保護(hù)通過智能驅(qū)動光耦來保證，輸出側(cè)三霍爾除實(shí)現(xiàn)圖5中兩霍爾功能外，還可進(jìn)行輸出缺相檢整流IGBT電路HCT-亙-圖萬一中.硫霍爾方案二圖2 ）線性光耦方案變頻器輸出電

10、流經(jīng)低阻值、低感抗、高精度的采樣電阻進(jìn)行采樣，把得到的電壓信號經(jīng)線性光耦隔離、放大后送到DSP，經(jīng)DSP內(nèi)部處理對變頻器進(jìn)行保護(hù)，具體電路可參考電壓測量中線性光耦的電路，只是輸入信號端稍有不同。這種用法普遍應(yīng)用在小功率變頻器中。采樣電阻值的選擇應(yīng)兼顧最小的功耗和最大的精度這兩個因素。4變頻器設(shè)計(jì)中對電壓電流傳感器性能指標(biāo)要求a）電磁兼容（EMC）要求：隨著變頻器等電力電子裝置的廣泛使用，系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）日益嚴(yán)重，相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)（即電磁兼容EMC）已經(jīng)變得越來越重要，這就要求電壓、電流傳感器自身抗干擾能力要強(qiáng)。b）供電電源要求：±15V±5%在實(shí)際應(yīng)用中對供電電

11、源的精度及干凈度要求較高，否則容易引起測量輸出不準(zhǔn)，甚至傳感器發(fā)熱損壞。c）溫度特性要求：工作環(huán)境溫度要求-10+70C,隨著溫度的升高，要求傳感器的輸出受溫度的影響越小越好。d）線性度要求：不同系列電壓電流傳感器的線性度是不同的，在高性能變頻器設(shè)計(jì)中采用線性度&±0.1%F.S,線性范圍要大于測量電流的最大值。e）體積要求：體積越小越好，且性能穩(wěn)定。f）響應(yīng)時間要求：不同系列電壓電流傳感器的響應(yīng)時間是不同的，一般選用響應(yīng)時間較小的傳感器，如Tr<1So5實(shí)驗(yàn)波形對比及結(jié)論：在直流母線電壓PN約為300V時，分別用變壓器方案、線性光耦方案、電壓霍爾方案測試直流母線電壓，

12、各測試波形如下圖所示：lekJL'SlopMP-湖口"T|Ijl|r.J1!,rlni|l1f1111IFit1Ildfillil1rl1IiTT"i1三.二一1：'-IV/dr23翎向4MlOOrriiCH55D0VCT即-0611:13.lil圖7變壓器方案下原副邊被形CURSOR類型副邊總壓信源巴一一一*3電壓前匚工2出4T知光標(biāo)1-啾喳MPos:l.Sfl&i廿11SVCHICHI/MIOOvm6-W0&12:13rRt.OiiSHs.CURSOF類型光翔輸出信號光耦輸入信號麗1.5058S0mV圖8線性光耦方案下原副邊波形霍爾輸出信號霍爾輸入信號在上電后，電流霍爾原邊直接加60A直流電流時觀察霍爾原、副邊信號波形如圖10所示：圖10電流霍爾方案下原副邊波形