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。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（異步電機或同步電機）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是公認的交流電動機最理想、最有前途的調(diào)速方案。u節(jié)

2、能應(yīng)用變頻調(diào)速，可以大大提高電機轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機在最切能的轉(zhuǎn)速下運行。u應(yīng)用行業(yè)工業(yè)鍋爐工業(yè)窯爐各種電動機風機泵壓縮機氣體分離設(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電動機的基本特性：電動機的基本特性：電動機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能

4、的主要電氣設(shè)備。電動機的主要參數(shù)有：電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩；電壓、功率。電動機的轉(zhuǎn)速方程是：N = 60 * f * (1-s) / p N：電動機的轉(zhuǎn)速； f：定子電源頻率； P：極對數(shù)；S：轉(zhuǎn)差率；電動機的調(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。 3、改變轉(zhuǎn)差率s；轉(zhuǎn)子繞線電動機。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。電動機調(diào)速時，如果僅改變頻率而不改變電壓，電動機的磁通將飽和，導致電動機電流增大，電動機發(fā)熱嚴重，甚至燒毀。變頻器驅(qū)動電動機時，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)，計算機技術(shù)、控制技術(shù)高速發(fā)展的結(jié)果。計算機技術(shù)：專用電動機控制芯片；DSP，單片機等；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、位置重復精度高（可達m級）。采用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達.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)強度。電流增大后，磁芯可能達到飽和；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。當然，也可采取一些改進措施來降低這些影響，例如選擇飽和磁感應(yīng)強度高的磁芯材料；制成多層磁芯；采用多個霍爾元件來進行檢測等等?；魻栯娏鱾鞲衅髁愦磐ㄊ剑ㄒ卜Q為磁平衡式或反饋補償式）-閉環(huán)模式l將霍爾器件的輸出電壓進行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個電流通過補償線圈，并令補償線圈產(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?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，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)定過流故障標準。 過流保護報警信號典型響應(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過流保護有有無無帶寬帶寬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，風機、水泵、空氣壓縮機等大功率設(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變頻調(diào)速的需求，高壓變頻器的潛在市場高達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