變頻器電壓電流典型檢測(cè)方法
1. 前言
變頻器最主要的特點(diǎn)是具有高效率的驅(qū)動(dòng)性能及良好的控制特性。簡(jiǎn)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)。
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(cè)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(duì)電壓、電流進(jìn)行檢測(cè)呢?這就需要從電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制特性上說起:
①三相異步電動(dòng)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(shí)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(shí)控制變頻器輸出電壓,使電動(dòng)機(jī)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(yùn)行中,過載起動(dòng)電流為額定電流的1.2~1.5倍;過流保護(hù)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(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)。
?、蹫榱烁纳谱冾l器的輸出特性,需要對(duì)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(cè)輸出電流。
④電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中如果降低指令頻率過快,則電動(dòng)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(duì)電壓進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè),給變頻器提供準(zhǔn)確、可靠的信息,使變頻器在過壓時(shí)進(jìn)行及時(shí)、有效的保護(hù)處理。同時(shí)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(dòng)作。
鑒于電壓、電流檢測(cè)的重要性,在變頻器設(shè)計(jì)中采用對(duì)電壓、電流進(jìn)行準(zhǔn)確、有效檢測(cè)的方法是十分必要的。
2.在線測(cè)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(shí),直流母線的儲(chǔ)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(shí),變頻器過電壓保護(hù)功能動(dòng)作;另外變頻器發(fā)生欠壓時(shí)(350V左右)也不能正常工作。對(duì)變頻器而言,有一個(gè)正常的工作電壓范圍,當(dāng)電壓超過或低于這個(gè)范圍時(shí)均可能損壞變頻器,因此,必須在線檢測(cè)母線電壓,常用的電壓檢測(cè)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(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(hào)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
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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(jí)接受一組待測(cè)的摸擬電壓信號(hào),次級(jí)輸出一對(duì)差動(dòng)的電壓信號(hào)。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(hào)線性地跟隨輸入信號(hào)地變化,光耦的輸出信號(hào)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(hào)在光耦的線性范圍內(nèi)。
3)電壓霍爾方案
采用電壓霍爾對(duì)母線電壓進(jìn)行測(cè)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(zhǎng)時(shí)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(hào)經(jīng)電阻R5、R6采樣轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)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(shí)采樣計(jì)算。根據(jù)母線電壓檢測(cè)范圍的不同可選取不同耐壓等級(jí)的電壓霍爾傳感器。
表1為三種不同測(cè)量方案的對(duì)照表:
3在線測(cè)量電流的幾種方案設(shè)計(jì)
實(shí)時(shí)對(duì)變頻器輸出電流檢測(cè)的目的主要是防止過電流發(fā)生時(shí)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(cè)不準(zhǔn)確、誤差過大,而變頻器又只能根據(jù)其內(nèi)部的測(cè)量結(jié)果來進(jìn)行保護(hù)和計(jì)算,就會(huì)形成誤動(dòng)作。因此對(duì)電流的檢測(cè)就必須及時(shí)、準(zhǔn)確,常用的電流檢測(cè)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(cè)量直流、交流、脈動(dòng)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(shí)間小于 ,因此出現(xiàn)短路時(shí),霍爾輸出電流信號(hào)經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)及時(shí)送到DSP,在IGBT 10us短路安全時(shí)間內(nèi)封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shí)選擇電流霍爾元件時(shí),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(cè)橋臂直通故障,對(duì)響應(yīng)指標(biāo)有較高要求,輸出側(cè)兩相電流檢測(cè)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(cè)。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(dòng)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)行輸出缺相檢測(cè)。
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(jìn)行采樣,把得到的電壓信號(hào)經(jīng)線性光耦隔離、放大后送到DSP,經(jīng)DSP內(nèi)部處理對(duì)變頻器進(jìn)行保護(hù),具體電路可參考電壓測(cè)量中線性光耦的電路,只是輸入信號(hào)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(gè)因素。
4變頻器設(shè)計(jì)中對(duì)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(duì)供電電源的精度及干凈度要求較高,否則容易引起測(cè)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(jì)中采用線性度≤±0.1%F.S,線性范圍要大于測(cè)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(shí)間要求:不同系列電壓電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間是不同的,一般選用響應(yīng)時(shí)間較小的傳感器,如Tr ≤1μS。
隨著變頻器向高電壓、大功率方向的發(fā)展,電壓檢測(cè)越來越偏重于應(yīng)用霍爾或線性光耦的方法來檢測(cè)。