摘要：準(zhǔn)確地在線測量直流母線電壓、電流及輸出的三相電流信號，是設(shè)計高性能變頻器產(chǎn)品的必備條件之一，本文通過對電壓、電流檢測方案比較、分析，提供了設(shè)計變頻器中具有很好參考價值的幾種實用電路，并給出了相應(yīng)的實驗結(jié)果。 　　關(guān)鍵詞：變頻器 電壓、電流檢測 　　Abstract：It is one of the necessary condition that accurately measure DC voltage 、current and output three phase current. In this paper, we compare and analysis the check project of voltage and current, provide several valuable reference circuits using inverter design and give corresponding experiment results. 　　Keywords： Inverter Voltage and Current detect 1. 前言 　　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輸入電壓的頻率來改變電機轉(zhuǎn)速的。從電機的轉(zhuǎn)速公式 可以看出，調(diào)節(jié)電機輸入電壓的頻率f，即可改變電機的轉(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)。 　　部分1為整流器，作用是把交流電變?yōu)橹绷麟姡糠?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)?。本文將重點討論這種結(jié)構(gòu)在電壓、電流檢測設(shè)計中應(yīng)注意的一些問題。變頻器在運行過程中為什么要對電壓、電流進行檢測呢？這就需要從電機的結(jié)構(gòu)和控制特性上說起： 　　①三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩是由電機的磁通與轉(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。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，使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。 　?、谧冾l器運行中，過載起動電流為額定電流的1.2～1.5倍；過流保護為額定電流的2.4～3倍（根據(jù)不同性質(zhì)的負(fù)載要求選擇不同的過流保護點）；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行過程中的電流有關(guān)。 　?、蹫榱烁纳谱冾l器的輸出特性，需要對變頻器進行死區(qū)補償，幾種常用的死區(qū)補償方法均需檢測輸出電流。 　?、茈妱訖C在運轉(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行及時、有效的保護處理。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、電流檢測的重要性，在變頻器設(shè)計中采用對電壓、電流進行準(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行探討。 2.在線測量電壓的幾種方案設(shè)計 　　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)（-[b]）。 　　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，在副邊增加一組繞組N4（匝數(shù)根據(jù)實際電路參數(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)進行A/D采樣實現(xiàn)各種保護工作。 2） 線性光耦方案 　　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） [b]電壓霍爾方案 　　采用電壓霍爾對母線電壓進行測量，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行處理（如濾波、放大等）可直接引入DSP，進行實時采樣計算。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. [/td][td=1,1,12%][/td][td=1,1,12%][/td][td=1,1,12%][/td][td=1,1,18%][/td][td=1,1,9%][/td][td=1,1,17%][/td][/tr][tr][td=1,1,15%][/td][td=1,1,12%][/td][td=1,1,12%][/td][td=1,1,12%][/td][td=1,1,18%][/td][td=1,1,9%][/td][td=1,1,17%][/td][/tr][tr][td=1,1,15%][/td][td=1,1,12%]< 2500V [/td][td=1,1,12%][/td][td=1,1,12%][/td][td=1,1,18%][/td][td=1,1,9%][/td][td=1,1,17%][/td][/tr][tr][td=1,1,15%][/td][td=1,1,12%]< 2500V [/td][td=1,1,12%][/td][td=1,1,12%][/td][td=1,1,18%][/td][td=1,1,9%][/td][td=1,1,17%][/td][/tr][/table][/align] 3 在線測量電流的幾種方案設(shè)計 實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)補償、無跳閘電流閉環(huán)控制提供實際反饋值。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)果來進行保護和計算，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） [b]電流霍爾方案 　　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IGBT 10us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。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，直通保護通過智能驅(qū)動光耦來保證，輸出側(cè)三霍爾除實現(xiàn)圖5中兩霍爾功能外，還可進行輸出缺相檢測。 2） 線性光耦方案 變頻器輸出電流經(jīng)低阻值、低感抗、高精度的采樣電阻進行采樣，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)部處理對變頻器進行保護，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。 b） 供電電源要求： ±15V±5%，在實際應(yīng)用中對供電電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～+70℃，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 ≤1μS。 5 實驗波形對比及結(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，各測試波形如下圖所示： [align=center] [/align]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： 上電后，觀察加速過程中電流霍爾原副邊信號波形如圖11所示： 　　通過在實際使用、對比發(fā)現(xiàn)，對電流的檢測還是因為霍爾器件的應(yīng)用原理簡單、信號處理方便、器件本身又具有一系列的獨特優(yōu)點，使其在變頻器中得到了廣泛地應(yīng)用。而隨著變頻器向高電壓、大功率方向的發(fā)展，電壓檢測越來越偏重于應(yīng)用霍爾或線性光耦的方法來檢測。 參考文獻： [1]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社.1998 [2]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000. [3]曾岳南，陳林康，胡杰和.新型全數(shù)子化PWM通用變頻器[J].電力電子技術(shù)，1999，33（6）：28-30. [4]周克亮，康勇，熊健.空間矢量法SPWM全數(shù)子化變頻器的研制[J].電力電子技術(shù)，1998，32（1）：14-16. 作者介紹： 王建淵 （1973——），男，博士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動、變頻器、開關(guān)電源 茍亞仙（1968——- ）女， 高級工程師，主要從事變頻器及電力電子裝置的設(shè)計 王建淵 電話：13609192409 email: wangjianyuan2003@163.com