摘要：準確地在線測量直流母線電壓、電流及輸出的三相電流信號，是設計高性能變頻器產品的必備條件之一，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，并給出了相應的實驗結果。【   TEL:15515598858】
1.  前言
    變頻器是利用電力半導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速的。從電機的轉速公式  可以看出，調節電機輸入電壓的頻率f，即可改變電機的轉速n。目前幾乎所有的低壓變頻器均采用圖1所示主電路拓撲結構。
        
    部分1為整流器，作用是把交流電變為直流電，部分2為無功緩沖直流環節，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，作用是把直流電變為頻率可調整的三相交流電。中間環節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用的主回路拓撲。本文將重點討論這種結構在電壓、電流檢測設計中應注意的一些問題。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構和控制特性上說起：
①三相異步電動機的轉矩是由電機的磁通與轉子內流過電流之間相互作用而產生的，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象的產生。
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（根據不同性質的負載要求選擇不同的過流保護點）；另外還有電流閉環無跳閘、失速防止等功能都與變頻器運行過程中的電流有關。
③為了改善變頻器的輸出特性，需要對變頻器進行死區補償，幾種常用的死區補償方法均需檢測輸出電流。
④電動機在運轉中如果降低指令頻率過快，則電動狀態將變為發電狀態運行，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系，就需要對電壓進行及時、準確地檢測，給變頻器提供準確、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前直流母線電壓的狀態來判斷程序下一步的動作。
鑒于電壓、電流檢測的重要性，在變頻器設計中采用對電壓、電流進行準確、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計
    變頻器的過電壓或欠電壓集中表現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 。在過電壓發生時，直流母線的儲能電容將被充電，主電路內的逆變器件、整流器件以及濾波電容等都可能受到損害，當電壓上升至約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（-）。
                     
    變頻器控制回路的電源電壓一般采用開關電源的方式來獲得，利用開關變壓器的特點，在副邊增加一組繞組N4（匝數根據實際電路參數決定）作為母線電壓的采樣輸出，開關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，把此采樣信號經過處理可以送到DSP內進行A/D采樣實現各種保護工作。
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（-）。    
    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是一種線性的當量關系。在設計應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，光耦的輸出信號經放大電路放大后提供給DSP進行內部處理。
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。
3)電壓霍爾方案 
                 

3在線測量電流的幾種方案設計
    實時對變頻器輸出電流檢測的目的主要是防止過電流發生時損壞變頻器，以及為死區補償、無跳閘電流閉環控制提供實際反饋值。如果電流檢測不準確、誤差過大，而變頻器又只能根據其內部的測量結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用霍爾效應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、脈動以及各種不規則波形的電流。由于閉環霍爾電流傳感器的響應時間小于 ,因此出現短路時，霍爾輸出電流信號經采樣電阻轉換成電壓信號及時送到DSP，在IGBT 10us短路安全時間內封鎖PWM驅動信號輸出，使IGBT得到可靠的保護。當然，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，直流側霍爾用來檢測橋臂直通故障，對響應指標有較高要求，輸出側兩相電流檢測用來完成死區補償、無跳閘電流閉環、過載、過流電流檢測。圖6.中的三霍爾方案二去掉了直流側霍爾，直通保護通過智能驅動光耦來保證，輸出側三霍爾除實現圖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線性光耦隔離、放大后送到DSP，經DSP內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。這種用法普遍應用在小功率變頻器中。采樣電阻值的選擇應兼顧比較小的功耗和比較大的精度這兩個因素。
4變頻器設計中對電壓電流傳感器性能指標要求
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，系統的電磁干擾（EMI）日益嚴重，相應的抗干擾設計技術(即電磁兼容EMC)已經變得越來越重要，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，甚至傳感器發熱損壞。
c) 溫度特性要求：工作環境溫度要求-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，且性能穩定。
f) 響應時間要求：不同系列電壓電流傳感器的響應時間是不同的，一般選用響應時間較小的傳感器，如Tr ≤1μS。
    通過在實際使用、對比發現，對電流的檢測還是因為霍爾器件的應用原理簡單、信號處理方便、器件本身又具有一系列的獨特優點，使其在變頻器中得到了廣泛地應用。而隨著變頻器向高電壓、大功率方向的發展，電壓檢測越來越偏重于應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,可根據母線電壓的范圍及長時間工作發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電阻R5、R6采樣轉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：