0 引言
在應用交流電動機(以下簡稱電機)構成的驅動系統(tǒng)中,需要設置與電流相關的保護措施,比如為了保護逆變電路的安全,需要通過獲取直流母線的電流以構成短路保護;為了保護電機,需要獲取電機的相電流以構成過流保護等。經典的方法是采用電流傳感器來得到電機相電流的信息,但這自然要增加成本,在精度不需要太高而又需要降低成本的情況下,通過直流母線單電流采樣來檢測電機相電流,是一種值得考慮的方法。
1 脈寬調制模式下逆變電路的變流分析
在現(xiàn)代交流驅動系統(tǒng)中,一般都采用互補輸出脈寬調制信號的方式來控制逆變電路功率開關器件的通斷,以調節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。互補輸出是指在逆變電路同一橋臂上下兩個開關器件的開關狀態(tài)剛好相反,即上橋臂器件導通時,下橋臂器件截止,或下橋臂器件導通時,上橋臂器件截止。
逆變電路的結構原理圖如圖1所示。
在圖1所示的三相逆變電路的結構圖中,開關變量有兩種狀態(tài),即0狀態(tài)和1狀態(tài)。當橋臂為1狀態(tài)時,上橋臂導通,下橋臂截止;當橋臂為0 狀態(tài)時,
下橋臂導通,上橋臂截止。如果三個橋臂的開關狀態(tài)用變量Sa、Sb、Sc表示,則可得到三相逆變電路的八種開關狀態(tài),如表1所列。
從表1可以看出,當(Sa、Sb、Sc)=(0、0、0)時,逆變電路上橋臂全部截止,下橋臂全部導通;當(Sa、Sb、Sc)=(1、1、1)時,上橋臂全部導通,下橋臂全部截止。在這兩種情況下,電機繞組沒有電流流過,于是將這
兩種狀態(tài)定義為無效狀態(tài),而將剩下的六種狀態(tài)定義為有效狀態(tài)。
以下是逆變電路的電流通路分析,為了更好地說明電流通路的變化,下面做四種典型情況的電流通路分析:第一種是有效狀態(tài)(1、0、0)的電流通路;
第二種是從有效狀態(tài)(1、0、0)到無效狀態(tài)(0、0、0)切換后的電流通路;第三種是從有效狀態(tài)(1、0、0)到另一種有效狀態(tài)(1、1、0)的切換過程中的電流通路;第四種是有效狀態(tài)(1、1、0)的電流通路。
第一種情況設(Sa 、Sb、Sc)的初始有效狀態(tài)為(1、0、0),V1、V4、V6導通,V2、V3、V5截止。此時的電流通路如圖2所示。從圖2可看出,電流從UDC正極→V1→電機A 相繞組→電機B、C 相繞組→V4、V6→UDC負極。交流電機A相電流即為直流母線的電流(圖中直流母線電流用IDC表示)。
第二種情況當(Sa 、Sb 、Sc)由(1、0、0)切換為(0、0、0)后,上橋臂全部截止,下橋臂全部導通。在V1截止后,整個逆變電路被關斷,但由于電機繞組具有感性負載的特性,電流不能突變,此時續(xù)流二極管D2會導通,逆變電路的電流通路如圖3所示。從圖3可看出,電流從電機A相繞組→電機B、C相繞組→V4、V6→D2→電機A相繞組,電流在電機內部流動,直流母線電流IDC為零。
第三種情況當(Sa 、Sb 、Sc)由(1、0、0)切換為(1、1、0)的過程中,會出現(xiàn)一個死區(qū)電流通路,時間非常短暫。所謂死區(qū)是指為了防止上下橋臂同時導
通而設置的一個非常短暫的過渡時間,稱為死區(qū)時間。在死區(qū)時間內,上下橋臂同時截止。所以,當(Sa、Sb、Sc)由(1、0、0)切換為(1、1、0)的過程中,V4截止,V3尚未導通,但續(xù)流二極管D3會導通,這時的電流通路如圖4所示。從圖4可看出,電流有兩條通路,通路1中電流從電機B相繞組→D3→V1→電機A相繞組→電機B相繞組,這條通路的電流在電機內部流動;通路2中電流從UDC正極→V1→電機A相繞組→電機C 相繞組→V6→UDC負極,這條通路的電流
就是直流母線電流IDC ,也是電機的C相電流。
第四種情況當(Sa、Sb、Sc)由(1、0、0)到(1、1、0)的切換結束后,V3導通,D3載止,此時V1、V3、V6導通,V2、V4、V5截止,電流通路如圖5 所示。從圖5可看出,電流從UDC正極→V1、V3→電機A、B 相繞組→電機C相繞組→V6→UDC負極,直流母線電流IDC 跟第三種情況一樣,還是電機的C相電流。[!--empirenews.page--]
2 直流母線電流到電機相電流的轉換
由互補脈寬調制方式下逆變電路的變流分析可知,在無效狀態(tài)(0、0、0)和(1、1、1)時,逆變電路直流母線的電流IDC為零,在其余六種有效狀態(tài)下,直流母線都有電流流過,而且等于電機的某相電流,因此可以通過對直流母線電流IDC的采樣來得到電機的相電流,圖6所示為利用電阻R 作為采樣電阻的直流母線單電流檢測原理圖,以此來得到電機的相電流。
表2 是根據(jù)SVPWM 的原理和逆變電路的變流分析,得到的直流母線電流與電機相電流的對應關系。通過表2,根據(jù)逆變電路的開關狀態(tài)、電機三相電流之間的關系,可以將各種開關狀態(tài)下的直流母線電流轉換成相應的電機相電流。
3 實驗結果分析
在實驗室中,用TI 公司的DSP TMS320FL2407作為實驗系統(tǒng)的核心控制器件,逆變電路以專業(yè)廠家的逆變模塊替代,逆變模塊的開關頻率為10 kHz,以500 W的交流異步電機作為實驗用電機。實驗中,在逆變模塊的每一種有效開關狀態(tài)下,DSP 都要采樣直流母線電流,而且每一次的采樣都對應電機的一相電流,并以兩個相鄰的直流母線采樣周期為基礎,通過電機三相電流瞬時值的關系ia+ib+ic =0,計算出第三相電流的瞬時值,以實現(xiàn)從直流母線電流到電機相電流的轉換,從而得到A、B、C三相電流的瞬時值。
在實驗室測試的波形如圖7 所示,圖7(a)所示為電機C 相電流的實際波形,圖7(b)為經過轉換之后的C相電流再經D/A轉換輸出后,在示波器上顯示的波形。
因為逆變模塊的開關頻率為10 kHz,因此直流母線電流的采樣周期為0.1 ms,而電機繞組的特性決定電機電流在0.1 ms 的時間內變化非常小,因此,通過這種轉換來得到電機相電流的方法是完全可行的。
4 結語
在對交流驅動系統(tǒng)的成本和體積都有限制的情況下,通過直流母線單電流采樣來檢測電機相電流是一種可行的方法,但這種方法跟直接使用高性能的電流傳感器相比,也確實存在一定的局限性。對于精度要求很高,尤其是要應用電流閉環(huán)控制的情況下,電機相電流檢測還是建議采用專業(yè)廠家的電流傳感器來完成,像LEM 系列及其它一些著名品牌的電流傳感器都是很好的選擇。