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。【   TEL:15515598858】
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, 其比較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)洹１疚膶⒅攸c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。
②變頻器運行中，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)。
③為了改善變頻器的輸出特性，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。
④電動機在運轉(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。
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)（-）。
                     
    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)電壓霍爾方案 
                 

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)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比較大工作電流的范圍。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)兼顧比較小的功耗和比較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比較大值。
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。
    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。

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    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：