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变频器中几种典型的在线电压电流检测方案设计

1.  前言
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置, 其最主要的特点是具有高效率的驱动性能及良好的控制特性。简单地说变频器是经过改变电机输入电压的频率来改变电机转速的。从电机的转速公式  能够看出, 调节电机输入电压的频率f, 即可改变电机的转速n。当前几乎所有的低压变频器均采用图1所示主电路拓扑结构。

部分1为整流器, 作用是把交流电变为直流电, 部分2为无功缓冲直流环节, 在此部分能够采用电容作为缓冲元件, 也可用电感作为缓冲元件部分3是逆变器部分, 作用是把直流电变为频率可调整的三相交流电。中间环节采用电容器的这种变频器称之为交直交电压型变频器, 这种方式是当前通用型变频器广泛应用的主回路拓扑。本文将重点讨论这种结构在电压、 电流检测设计中应注意的一些问题。变频器在运行过程中为什么要对电压、 电流进行检测呢? 这就需要从电机的结构和控制特性上说起:
①三相异步电动机的转矩是由电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的, 在额定频率下, 如果电压一定而只降低频率, 那么磁通就过大, 磁回路饱和, 严重时将烧毁电机。因此, 频率与电压要成比例地改变, 即改变频率的同时控制变频器输出电压, 使电动机的磁通保持一定 避免弱磁和磁饱和现象的产生。
②变频器运行中, 过载起动电流为额定电流的1.2~1.5倍; 过流保护为额定电流的2.4~3倍( 根据不同性质的负载要求选择不同的过流保护点) ; 另外还有电流闭环无跳闸、 失速防止等功能都与变频器运行过程中的电流有关。
③为了改进变频器的输出特性, 需要对变频器进行死区补偿, 几种常见的死区补偿方法均需检测输出电流。
④电动机在运转中如果降低指令频率过快, 则电动状态将变为发电状态运行, 再生出来的能量贮积在变频器的直流电容器中, 由于电容器的容量和耐压的关系, 就需要对电压进行及时、 准确地检测, 给变频器提供准确、 可靠的信息, 使变频器在过压时进行及时、 有效的保护处理。同时变频器上电过程、 下电过程都需要判断当前直流母线电压的状态来判断程序下一步的动作。
鉴于电压、 电流检测的重要性, 在变频器设计中采用对电压、 电流进行准确、 有效检测的方法是十分必要的。下面分别就几种方法进行探讨。
2.在线测量电压的几种方案设计
变频器的过电压或欠电压集中表现在直流母线的电压值上。正常情况下, 变频器直流电压为三相全波整流后的平均值。若以380V线电压计算, 则平均直流电压 。在过电压发生时, 直流母线的储能电容将被充电, 主电路内的逆变器件、 整流器件以及滤波电容等都可能受到损害, 当电压上升至约800V左右时, 变频器过电压保护功能动作; 另外变频器发生欠压时( 350V左右) 也不能正常工作。对变频器而言, 有一个正常的工作电压范围, 当电压超过或低于这个范围时均可能损坏变频器, 因此, 必须在线检测母线电压, 常见的电压检测方案有三种。
1)变压器方案
图2中, P为直流母线电压正( +) ,
N为直流母线电压负( -) 。

变频器控制回路的电源电压一般采用开关电源的方式来获得, 利用开关变压器的特点, 在副边增加一组绕组N4( 匝数根据实际电路参数决定) 作为母线电压的采样输出, 开关变压器的原边电压为母线电压, 而副边输出电压随着原边输入电压的变化而线性地发生变化, 这样既能起到强弱电隔离作用又能起到降压作用, 把此采样信号经过处理能够送到DSP内进行A/D采样实现各种保护工作。
2)   线性光耦方案

　　P为直流母线电压正( +) , N为直流母线电压负( -) 。
在这种方式中, 光耦的初级接受一组待测的摸拟电压信号, 次级输出一对差动的电压信号。输入与输出之间在一定范围内是一种线性的当量关系。在设计应用中必须分别给光耦的输入、 输出端提供隔离的+5V电源, 且运放电路必须提供±15V电源, 直流母线电压经过电阻分压后接入光耦的输入端, 输出信号线性地跟随输入信号地变化, 光耦的输出信号经放大电路放大后提供给DSP进行内部处理。
由于此光耦的线性范围较小, 因此输入端电阻的配置必须使输入信号在光耦的线性范围内。
3)   电压霍尔方案

采用电压霍尔对母线电压进行测量, 按霍尔使用要求必须提供±15V电源, 且电源电压的误差不超过±5%, 由于霍尔输入端电流不超过10mA,可根据母线电压的范围及长时间工作发热的要求配置输入端电阻, 此电压霍尔的输入、 输出已隔离, 因此霍尔的输出电流信号经电阻R5、 R6采样转换成电压信号后再进行处理( 如滤波、 放大等) 可直接引入DSP, 进行实时采样计算。根据母线电压检测范围的不同可选取不同耐压等级的电压霍尔传感器。
表1为三种不同测量方案的对照表:                                    表1.
名称
测量电压
范围
响应时间
检测精度
所需电源组数
价格
隔离电压
变压器方案
< 2400V
< 100ms
0.3%
---
便宜
2400V/50HZ/1min
线性光耦
方案
< 2500V
< 10us
0.1%
4组
适中
2500V/50HZ/1min
电压霍尔
方案
< 2500V
< 40us
±0.6%FS
2组
高
2500V/50HZ/1min
3在线测量电流的几种方案设计
实时对变频器输出电流检测的目的主要是防止过电流发生时损坏变频器, 以及为死区补偿、 无跳闸电流闭环控制提供实际反馈值。如果电流检测不准确、 误差过大, 而变频器又只能根据其内部的测量结果来进行保护和计算, 就会形成误动作。因此对电流的检测就必须及时、 准确, 常见的电流检测电路有二种。
1)   电流霍尔方案

霍尔电流传感器是应用霍尔效应原理的新一代电流传感器, 能在电隔离条件下测量直流、 交流、 脉动以及各种不规则波形的电流。由于闭环霍尔电流传感器的响应时间小于 ,因此出现短路时, 霍尔输出电流信号经采样电阻转换成电压信号及时送到DSP, 在IGBT 10us短路安全时间内封锁PWM驱动信号输出, 使IGBT得到可靠的保护。当然, 同电压霍尔一样, 必须提供电流霍尔正常工作所要求的电源电压, 且电源电压误差不超过±5%。同时选择电流霍尔元件时, 线性范围必须满足IGBT最大工作电流的范围。三电流霍尔方案中, 直流侧霍尔用来检测桥臂直通故障, 对响应指标有较高要求, 输出侧两相电流检测用来完成死区补偿、 无跳闸电流闭环、 过载、 过流电流检测。图6.中的三霍尔方案二去掉了直流侧霍尔, 直通保护经过智能驱动光耦来保证, 输出侧三霍尔除实现图5中两霍尔功能外, 还可进行输出缺相检测。

2)   线性光耦方案
变频器输出电流经低阻值、 低感抗、 高精度的采样电阻进行采样, 把得到的电压信号经线性光耦隔离、 放大后送到DSP, 经DSP内部处理对变频器进行保护, 具体电路可参考电压测量中线性光耦的电路, 只是输入信号端稍有不同。这种用法普遍应用在小功率变频器中。采样电阻值的选择应兼顾最小的功耗和最大的精度这两个因素。
4变频器设计中对电压电流传感器性能指标要求
a) 电磁兼容( EMC) 要求:
随着变频器等电力电子装置的广泛使用, 系统的电磁干扰( EMI) 日益严重, 相应的抗干扰设计技术(即电磁兼容EMC)已经变得越来越重要, 这就要求电压、 电流传感器自身抗干扰能力要强。
b) 供电电源要求:
±15V±5%, 在实际应用中对供电电源的精度及干净度要求较高, 否则容易引起测量输出不准, 甚至传感器发热损坏。
c) 温度特性要求 工作环境温度要求-10~+70℃, 随着温度的升高, 要求传感器的输出受温度的影响越小越好。
d) 线性度要求 : 不同系列电压电流传感器的线性度是不同的, 在高性能变频器设计中采用线性度≤±0.1%F.S, 线性范围要大于测量电流的最大值。
e) 体积要求: 体积越小越好, 且性能稳定。
f) 响应时间要求: 不同系列电压电流传感器的响应时间是不同的, 一般选用响应时间较小的传感器, 如Tr ≤1μS。
5 实验波形对比及结论:
在直流母线电压PN约为300V时, 分别用变压器方案、 线性光耦方案、 电压霍尔方案测试直流母线电压, 各测试波形如下图所示:

在上电后, 电流霍尔原边直接加60A直流电流时观察霍尔原、 副边信号波形如图10所示:

 上电后, 观察加速过程中电流霍尔原副边信号波形如图11所示:

经过在实际使用、 对比发现, 对电流的检测还是因为霍尔器件的应用原理简单、 信号处理方便、 器件本身又具有一系列的独特优点, 使其在变频器中得到了广泛地应用。而随着变频器向高电压、 大功率方向的发展, 电压检测越来越偏重于应用霍尔或线性光耦的方法来检测。