變頻器及電流傳感器的應(yīng)用

1、什么是變頻器u 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。u我們現(xiàn)在使用的變頻器主要是采用交流直流交流方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)。u變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變頻，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。變頻器的應(yīng)用u調(diào)速變頻器主要應(yīng)用于交流電動機(jī)（異步電機(jī)或同步電機(jī)）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是公認(rèn)的交流電動機(jī)最理想、最有前途的調(diào)速方案。u節(jié)

2、能應(yīng)用變頻調(diào)速，可以大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機(jī)在最切能的轉(zhuǎn)速下運行。u應(yīng)用行業(yè)工業(yè)鍋爐工業(yè)窯爐各種電動機(jī)風(fēng)機(jī)泵壓縮機(jī)氣體分離設(shè)備汽車變頻器的分類u根據(jù)變流環(huán)節(jié)不同分類： 交-直-交變頻器：先將頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率任意可調(diào)的三相交流電。 交-交變頻器：把頻率固定的交流電直接轉(zhuǎn)換成頻率任意可調(diào)的交流電（轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同）。 u根據(jù)直流電路的儲能環(huán)節(jié)（濾波方式）分類： 電壓型變頻器：其儲能元件為電容器。中、小容量變頻器以電壓型變頻器為主。 電流型變頻器：其儲能元件為電感線圈。u根據(jù)電壓的調(diào)制方式分類： 脈寬調(diào)制（PWM）變頻器：電壓的大小是通過調(diào)節(jié)脈沖占空比來

3、實現(xiàn)的。中、小容量的通用變頻器幾乎全都采用此類變頻器。 脈幅調(diào)制（PAM）變頻器：電壓的大小是通過調(diào)節(jié)直流電壓幅值來實現(xiàn)的。變頻器的分類u根據(jù)輸入電源的相數(shù)分類： 三進(jìn)三出變頻器：變頻器的輸入側(cè)和輸出側(cè)都是三相交流電。絕大多數(shù)變頻器都屬此類。 單進(jìn)三出變頻器：變頻器的輸入側(cè)為單相交流電，輸出側(cè)是三相交流電。家用電器里的變頻器均屬此類，通常容量較小。 u變頻器產(chǎn)品應(yīng)用分類低壓變頻器：(110V，220V，380V) 中壓變頻器：(500V，660V，1140V)高壓變頻器：(3KV，3.3KV，6KV，6.6KV，10KV）工作原理u電動機(jī)的基本特性：電動機(jī)的基本特性：電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能

4、的主要電氣設(shè)備。電動機(jī)的主要參數(shù)有：電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩；電壓、功率。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速方程是：N = 60 * f * (1-s) / p N：電動機(jī)的轉(zhuǎn)速； f：定子電源頻率； P：極對數(shù)；S：轉(zhuǎn)差率；電動機(jī)的調(diào)速方案： 1、改變電源頻率f；通過變頻器實現(xiàn)。 2、改變極對數(shù)p； 變極電動機(jī)。 3、改變轉(zhuǎn)差率s；轉(zhuǎn)子繞線電動機(jī)。工作原理u變頻器的基本特性：變頻器的基本特性：變頻器是將固定頻率、電壓的電源，變成頻率、電壓可變的電源變換裝置。電動機(jī)調(diào)速時，如果僅改變頻率而不改變電壓，電動機(jī)的磁通將飽和，導(dǎo)致電動機(jī)電流增大，電動機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，甚至燒毀。變頻器驅(qū)動電動機(jī)時，電壓、頻率要同時有規(guī)律的變化。變頻器是

5、電力電子技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)高速發(fā)展的結(jié)果。計算機(jī)技術(shù)：專用電動機(jī)控制芯片；DSP，單片機(jī)等；控制技術(shù)：矢量控制、參數(shù)自適應(yīng)、PWM技術(shù)、無傳感器速度辨識等；電力電子器件：晶閘管、功率場效應(yīng)管（MOSFET）、IGBT、IPM、PIM等。 IGBT：絕緣柵雙極晶體管；大功率變頻器使用； IPM；智能功率模塊；中等功率變頻器使用； PIM：功率集成模塊；小功率變頻器使用；工作原理u變頻器的主回路構(gòu)成：變頻器的主回路構(gòu)成：主回路的電路構(gòu)成：電源輸入整流橋啟動電阻母線電容逆變橋電源輸出。制動單元。u變頻器的控制回路構(gòu)成：變頻器的控制回路構(gòu)成：控制回路的電路構(gòu)成：鍵盤板控制板接口板驅(qū)動板電源板保

6、護(hù)板等。電流檢測的常見方法u電流互感 器初次級繞組通過鐵芯進(jìn)行電磁耦合，初次級電流比與匝比相同。用于測量40-20kHz的正弦波電流。缺點：不能用于有直流分量場合u分流器無法隔離根據(jù)直流電流通過電阻時在電阻兩端產(chǎn)生電壓u霍爾器件u光耦霍爾電流傳感器u霍爾效應(yīng)在外磁場中的載流導(dǎo)體會在與電流和外磁場垂直的方向上出現(xiàn)電荷分離而產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。u霍爾器件優(yōu)點:結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 霍爾電流傳感器的特點是可以實現(xiàn)電流的“無電位”檢測?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸

7、點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)m級）。采用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá).55150。 霍爾電流傳感器u兩種工作模式直接測量式-開環(huán)模式零磁通模式-閉環(huán)模式 開環(huán)的傳感器是霍爾直放式原理，閉環(huán)的是磁平衡原理。所以閉環(huán)的在響應(yīng)時間跟精度上要比開環(huán)的好很多。開環(huán)和閉環(huán)都可以監(jiān)測交流電，一般開環(huán)的適用于大電流監(jiān)測，閉環(huán)適用于小電流監(jiān)測。往往開環(huán)的傳感器輸出的是電壓信號，閉環(huán)的輸出是電流信號。霍爾電流傳感器u直接測量式霍爾 -開環(huán)模式霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測電流值。這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，測量結(jié)果的精度和線性度都較高?？蓽y直流、交流和各種波

8、形的電流。但它的測量范圍、帶寬等受到一定的限制。在這種應(yīng)用中，霍爾器件是磁場檢測器，它檢測的是磁芯氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。電流增大后，磁芯可能達(dá)到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會隨之升高。這些都會對測量精度產(chǎn)生影響。當(dāng)然，也可采取一些改進(jìn)措施來降低這些影響，例如選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高的磁芯材料；制成多層磁芯；采用多個霍爾元件來進(jìn)行檢測等等?；魻栯娏鱾鞲衅髁愦磐ㄊ剑ㄒ卜Q為磁平衡式或反饋補(bǔ)償式）-閉環(huán)模式l將霍爾器件的輸出電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個電流通過補(bǔ)償線圈，并令補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場和被測電流產(chǎn)生的磁場方向相反，最終達(dá)到磁平衡。l這個平衡過程是自動建立的，是一個動態(tài)平衡

9、。建立平衡所需的時間極短。平衡時，霍爾器件處于零磁通狀態(tài)。磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度極低（理想狀態(tài)應(yīng)為0），不會使磁芯飽和，也不會產(chǎn)生大的磁滯損耗和渦流損耗。恰當(dāng)?shù)剡x擇磁芯材料和線路元件，可做出性能優(yōu)良的零磁通電流傳感器。光耦u光耦原理光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。u特點特點信號單向傳輸，輸入端與輸

10、出端完全實現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。發(fā)光LED管有壽命時限。ACS710分析u特性：專利放大與濾波設(shè)計技術(shù)，工業(yè)級噪音性能，高帶寬。小封裝，適用于有空間限制的場合。用于電流檢測的典型銅制路徑內(nèi)阻是 1 m，功率耗損很小。高隔離電壓。過流電壓輸入 (VOC 管腳)讓用戶能為此設(shè)備設(shè)定過流故障標(biāo)準(zhǔn)。 過流保護(hù)報警信號典型響應(yīng)時間小于2s。獨有的集成屏幕技術(shù)提供的對電流導(dǎo)體 dV/dt 信號和雜散電場的高抗擾能力濾波器引腳電容可調(diào)節(jié)帶寬。3-5.5V,單電源供電ACS710分析ACS710分析u典型應(yīng)用電路光耦HCPL-7840

11、分析ACS710 VS HCPL-7840ACS710ACS710HCPL-7840HCPL-7840外圍外圍簡單簡單 運放、分流電阻運放、分流電阻輸出輸出電壓信號電壓信號差分輸出差分輸出過流保護(hù)過流保護(hù)有有無無帶寬帶寬120KHz120KHz100KHz100KHz測量范圍測量范圍25A25A-200mV-200mVV V200mV200mV溫度范圍溫度范圍-40125-40125-4085-4085隔離電壓隔離電壓3000V3000VACAC2500V2500VACAC價格價格較低較低較高較高其他競爭對手u霍尼霍爾（美國）u萊姆（瑞士）u南京中旭u南京中霍u南京托肯u與Allegro相比體

12、積較大，非集成霍爾器件一般為正負(fù)電源供電測量范圍 大，最大可到幾千安培功能僅為測量用。變頻器的市場行情u市場潛力巨大，應(yīng)用前景廣闊。在我國，風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)等大功率設(shè)備為滿足運行中的最高功率要求，輸出功率經(jīng)常有很大的設(shè)計冗余。根據(jù)調(diào)查報告，我國變頻器市場至少在10年以后才能趨于飽和，總體市場潛力為1200億元至1800億元。按照目前平均每kW高壓變頻器約800元的價格估計，不考慮未來新增高壓電機(jī)變頻調(diào)速的需求，高壓變頻器的潛在市場高達(dá)812億元。u我國變頻器行業(yè)從2000年至2008年市場容量的平均年增長率在15%以上。2008年我國中低壓變頻器的市場容量約為111.8億元，其中低壓變頻器為97.7億元，中壓變頻器為14.1億元.變頻器的電流檢測方案現(xiàn)狀及方向u變頻器在中國的起步于2004，2005年，主要從中低壓的變