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1、http:/ 1、引言控制系统反馈量检测的精确程度，从某种意义上说，很大程度上决定了控制系统所能达到的控制品质。检测电路是变频调速系统的重要组成部分，它相当于系统的“眼睛和触觉”。检测与保护电路设计的合理与否，直接关系到系统运行的可靠性和控制精度。2、变频器常用检测方法和器件2.1 电流检测方法电流信号检测的结果可以用于变频器转矩和电流控制以及过流保护信号。电流信号的检测主要有以下几种方法。（1）直接串联取样电阻法：这种方法简单、可靠、不失真、速度快，但是有损耗，不隔离，只适用于小电流并不需要隔离的情况，多用于只有几个KVA的小容量变频器中。（2）电流互感器法：这种方法损耗小，与主电路隔离，使
2、用方便、灵活、便宜，但线性度较低，工作频带窄(主要用来测工频)，且有一定滞后，多用于高压大电流的场合。如图1所示。图1 电流互感器示意图图1中，R为取样电阻，取样信号为US=I2R=I1R/m 式1上式中，m为互感器绕组匝数。电流互感器测量同相的脉冲电流IP时，副边也要用恢复二极管整流，以消除原边复位电流对取样信号的影响，如图2(a)所示。在这种电路中，互感器磁芯单向磁化，剩磁大，限制了电流测量范围，可以在副边加上一个退磁回路，以扩展其测量范围，如图2(b)所示。图2 电流互感器及范围扩展电流互感器检测后一般要通过整流后再用电阻取样，如图2(a)。由于主回路电流会有尖峰，如图3(a)，这种信号
3、用于峰值电流控制和保护都会有问题。随着脉宽的减小，前沿后斜坡峰值可能比前沿尖峰还低，就会造成保护电路误动作，所以要对电流尖峰进行处理。处理的方法见图3(b)，和RS并联一个不大的电容CS，再加一个合适的RC参数，就能有效地抑制电流尖峰。如图3(c)所示。（3）霍尔传感器法：它具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点。其原理如图4所示。图4 霍尔电流检测方法图4中，IP为被测电流，这是一种磁场平衡测量方式，精度比较高，若LEM的变流比为1:m，则取得电压US也符合式(1)。在通用变频器中霍尔传感器已成为电流检测的主力。2.2 霍尔传感器工作原理 随着现代工业的不断
4、进步，不同场合对通用变频器的性能要求有所不同，但均体现出了高性能化的趋势。如新一代的高性能矢量控制变频器具有极强的功能，能实现快速动态响应，而它的实现依赖于变频器各检测电路中的传感器的性能。传统传感器在某些场合下已无法胜任，LEM传感器的作用与传统的电流互感器相同，它将普通互感器与霍尔器件、电子电路有机结合起来，既有普通互感器测量范围宽的特点，又有电子电路反应速度快的优点，它在通用变频器检测与保护电路中的应用有助于提高调速系统的控制性能及可靠性。（1）LEM电流传感器 LEM电流传感器是利用霍尔效应的闭环电流传感器，是一种模块化的有源电子传感器，它把普通互感器与霍尔器件、电子电路有机地结合起来
5、，既发挥了普通互感器测量范围宽的优势，又利用了电子电路反应速度快的长处，可以对直流、交流、脉动电流进行测量。图5是LEM电流传感器的原理图。 图5 LEM电流传感器原理图LEM模块的工作原理是磁场平衡式的，即通过次级线圈的电流所产生的磁场补偿被测电流所产生的磁场，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。其具体工作过程为：当被测回路有电流（ip）流过时，在导体周围产生一个强磁场，这一磁场被聚磁环聚集，并作用于霍尔器件输出一信号，这一信号经放大器放大并输入到功率放大器中，这时相应的功率管的导通压降改变，从而获得一个补偿电流（is），流经多匝导线产生一磁场（Hs），由于其与被测电流所产生的磁场（Hp
6、）方向相反而使霍尔器件输出的信号逐渐减小，最后当is所产生的磁场与ip所产生的磁场相等时，is不再增加，这时霍尔器件就达到了零磁通检测。上述平衡过程是在极短的时间内完成的，是一个动态平衡过程，即被测电流任何变化都会破坏这一平衡磁场，而一旦磁场失去平衡，霍尔器件就会有信号输出，经放大器放大后，立即有相应的电流流过次级线圈进行补偿，因此，从宏观上看，次级补偿电流的安匝数在任何时间都与主电流的安匝数一样。在实际应用中，可通过测量电阻Rm（通常为外接）上的电压间接求出被测电流的大小。由以上工作原理可知LEM电流传感器实质是一个“电流磁电压”变换器，其作用与传统的电流互感器基本相同，与普通传感器相比较，
7、它又具有许多自身的特性和优势。它有良好的输入输出间电隔离，原级电路与次级电路之间的绝缘电压一般为212kV（特殊要求下可达2050kV），可以有效地保护副边的测量设备和人身安全。传感器内部采用闭环结构，可以不失真地传递从0Hz（直流）至100kHz频带内的任何波形电流，响应速度快（小于1ms）。跟踪速度di/dt高于50A/ms，而普通互感器响应时间为1020ms，不能满足系统对谐波进行实时检测并补偿的要求。因为是补偿式测量，所以具有很高的准确度和线性度。测量精度优于1%原级额定电流，其线性度优于0.1 %。另外，由于传感器磁路几乎是零磁通工作，动态变化时又是快速补偿，所以传感器是无电感性器件
8、。过载能力强，当原边电流超负荷时，模块达到饱和，可自动保护。LEM电流传感器着这些特性已经使其已成为电流检测的主力。（2）LEM电压互感器LEM电压传感器工作原理与其电流传感器相似，也是一种应用霍尔原理的闭环电流传感器。与应用LEM电流传感器有所不同的是，用电压传感器测量电压时，应在传感器原边回路上串联一外部电阻（R0）。所串联的外部电阻的大小是由用户根据原边电流与被测电压成一定的比值来确定的，LEM电压传感器的原理如图6所示。 图6 LEM电压传感器原理图LEM电压传感器具有精度高、线性度好、低温漂、抗外界干扰能力强、共模抑制比高、反应速度快、频带宽等特点。2.3 电压检测方法电压信号检测的
9、结果可以用于变频器输出转矩和电压控制以及过压、欠压保护信号。电压信号的检测可用电阻分压、线性光耦、电压互感器或霍尔传感器等方法。 （1）电阻分压法:用电阻网络将高压进行分压，得到按比例缩小的低电压。该方法使用简单，但其精度受外界环境(主要是温度)影响较大，且不能实现隔离，如果作为模拟反馈量进行a/d转换，需要加入隔离放大器。该方法适用于低压系统。(2) 电压互感器法:与电流互感器类似，只能用于检测交流电压，适用于高压系统中。(3) 霍尔电压传感器法:原理与霍尔电流传感器类似，如图7所示。图7 霍尔电压检测方法(4) 线性光耦法霍尔电压传感器具有反应速度快和精度高的特点，但是在小功率的变频器中，
10、采用霍尔传感器的成本昂贵，而采用高性能的光耦则可降低成本。像HP公司生产的线性光耦HCNR200/201等具有很高的线性度和灵敏度，可精确地传送电压信号。图8是一个用HCNR200/201测量电压的实际电路，光耦实际上起直流变压器的作用。图8中，原边运放采用的是单电源供电的LM2904，副边运放采用精密运放OP07。在测量直流高压时，应先采用电阻分压降压，以得到一个未经隔离的低压直流信号，然后经过线性光耦隔离将其变换成与之成正比的直流电压送入A/D转换测量。图8 高压直流电压线性光耦测量电路另外，完全可以利用光耦的线性和隔离功能结合直接串联分流器测量电流。2.4 转速检测方法变频调速系统的主要
11、应用领域是电气传动系统，为实现诸如矢量控制等一类的高性能控制。系统中常常需要检测电机的转速，主要有2种方法:(1) 测速发电机:测速发电机工作可靠，价格低廉，但存在非线性和死区的问题，且精度较差。(2) 光电编码器:光电编码器与传动轴连接，它每转一周便发出一定数量的脉冲，用微处理器对脉冲的频率或周期进行测量，即可求得电机转速。光电编码器可以达到很高的精度，且不受外部的影响，可以用于高精度的控制中。采用光电脉冲编码器检测转速，通常有3种方法:a) m法:即测频法。在一定时间t内，对编码器输出的脉冲计数，从而得到与转速成正比的脉冲数m，若光电脉冲编码器一周输出p个脉冲，则转速为n60m/(pt)，
12、n的单位为r/min。该法适用于中高速检测，因为转速越高，一定时间内的脉冲数就越多，分辨率和精度就越高。b) t法:即测周期法，通过测量编码器发出脉冲的周期来计算电机转速。脉冲周期的测量是借助某一时钟频率确定的时钟脉冲来间接获得。若时钟频率为fc，测得的时钟脉冲数为m，则转速为n=60fc/(mp)，n的单位为r/min。该法与测频法相反，适用于较低转速。c) m/t法:结合了m法和t法各自的特点，由定时器确定采样周期t，定时器的定时开始时刻总与编码器的第一个计数脉冲前沿保持一致，在t时间内得到脉冲数m1，同时，另一个计数器对标准的时钟脉冲进行计数，当t定时结束时，只停止对编码器的计数，而t结
13、束后光电脉冲编码器输出第一个脉冲前沿时，才停止对标准时钟脉冲的计数，并得到计数值m2，其持续时间为td=t+t。其时序如图9所示。可以推导出此时转速可表示为n=60fsm1/(pm2)。图7 m/t法的时序m/t法是转速检测的较为理想的手段，可在宽的转速范围内实现高精度的测量，但其硬件和数据处理的软件相对复杂。3 电流检测与保护电路3.1 电流传感器检测的过流保护电路变频器驱动的负载电动机不同于其它负载(如电热炉、电解、电镀等)，它是将电能转换为机械能的装置，既有电气行为又有机械旋转运动，电机启动带来的电气和机械冲击问题历来是工程师们关注的焦点，无论是电气绝缘破损还是机械故障都可能使变频器因过
14、电流而损坏，过电流故障从来就是变频器最常见的故障，也是损坏变频器最主要的原因。那么变频器过电流的原因是什么呢？其实，输出短路、电机绕组破损、机械负载堵转、电机加速过快、逆变主开关器件失效、干扰造成的误导通(即直通)等都能导致变频器过电流。过流保护最简单的方法是熔断器保护法，但这种保护动作慢，不足以实现快速保护，尤其是不能直接保护IGBT、MOSFET等导通时间小的高性能器件。图10所示的检测电路中，有一些能检测各种过流信号，经处理后可送到ic控制芯片的保护端(shot down or close)，或直接封锁开关管的驱动脉冲，如图10(b)所示。图10 过流保护电路图10中的过流保护都是可以自
15、恢复的，也就是说，当过流现象消失后，也就不再保护。在实际电路中，过流一般都是不正常现象，或者说是故障。所以，过流保护应该是不可以自恢复的，需要停电排除故障后人工恢复逆变电路的工作。这种不可以自恢复的电路可以用反馈自锁或者用可控硅电路实现，如图11所示。图11 不可恢复的过流保护电路3.2 开关管过流状态自识别保护我们知道，开关管的导通压降是和导通电流有关的，当开关管过流时，其导通压降会明显上升。因此，我们可以通过检测开关管的导通压降，与正常值比较，并与截止状态相区别，从而识别出开关管的过流状态，以GTO为例，实际电路如图12所示。图12 GTO门极驱动和过流状态自识别保护电路图12中，要开通GTO时，a 点电位由低变高，O点出现一个正脉冲，T4导通， d 点变低，e 点变高， f 点变低，T5截止，T6导通，GTO导通。GTO导通后，d 点保持低电平。当发生过流时，d 点变高，当高于e 点时(设置的过流点)，f 变高，T5导通，T6截止，T7导通，GTO关断，实现过流保护。在许多开关管驱动芯片或
