| 一種零紋波直流互感器設(shè)計(jì) |
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1 引言
采用逆變器實(shí)施矢量控制的方法控制交流電動(dòng)機(jī)時(shí)，最通用的技術(shù)是必須用定子電流獲得轉(zhuǎn)矩，而定子電流應(yīng)是交流電流。為了控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，該交流電流的頻率應(yīng)從0Hz變化到幾百Hz。為了檢測零頻(0Hz)電流，傳感器必須具有一種檢測直流電流的功能。同時(shí)，為了求得瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，傳感器的檢測速度應(yīng)足夠高。為此目的，傳感器檢測電流應(yīng)從0Hz直流到幾百kHz的交流，并在溫度變化和電磁噪聲條件下具有足夠高的精度和可靠性。在這些方面的應(yīng)用中，使用了霍爾效應(yīng)電流傳感器，但這種傳感器也存在一些缺陷，如磁心的磁軛存在著磁滯現(xiàn)象，這就會(huì)造成電動(dòng)機(jī)控制時(shí)的轉(zhuǎn)矩紋波，同時(shí)，在某些情況下，可能會(huì)造成瞬態(tài)響應(yīng)的不夠充分。不過，這些問題是可以通過使用高速飽和電抗器型直流互感器加以克服，如圖1所示，借助于內(nèi)部磁心的互感磁通量的變化，可以檢測出精確的直流電流。再則，在這類電路中，至少需要3個(gè)低頻變壓器才能構(gòu)成該飽和電抗器型直流互感器。鑒于此，也必然要增加電路的復(fù)雜性和相應(yīng)地增大了體積，增加了設(shè)備的成本費(fèi)用。
為了解決上述這些問題，本文提出了一種直流互感器電路：它由2個(gè)與二相時(shí)鐘脈沖同步的具有飽和磁心的多諧振蕩器組成。以前已見過關(guān)于三相時(shí)鐘脈沖基本原理的報(bào)道。那是一種要求有三個(gè)飽和磁心的使其電路變得更為復(fù)雜。在本文中，作者提出了使用元件數(shù)量最少的二相(反相)電路原理，同時(shí)闡述了它們的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)實(shí)際檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)它們具有大的動(dòng)態(tài)范圍和快速響應(yīng)特性等優(yōu)勢，尤其適合用逆變器的電動(dòng)機(jī)控制。文章對(duì)其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了理論分析并給出了實(shí)驗(yàn)與檢測結(jié)果。
2 電路分析
以前提出的設(shè)計(jì)是在多諧振蕩器中按感應(yīng)電壓的幅度檢測直流電流的基本原理與方法，通過對(duì)這種原理的延伸擴(kuò)展，研究開發(fā)出了本文提出的零紋波直流互感器。這種直流互感器的基本原理。電路中，二個(gè)晶體管磁心多諧振蕩器#1和#2由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路產(chǎn)生的二相脈沖激勵(lì)，由此可以產(chǎn)生二相感應(yīng)電壓，如圖3 所示。由圖可見，根據(jù)不同匝數(shù)的繞組，每個(gè)多諧振蕩器產(chǎn)生不對(duì)稱的感應(yīng)電壓，借助邏輯OR電路輸出。由于二個(gè)開關(guān)晶體管之間的換向造成的低谷值輸出，將通過整流輸出疊加的方法進(jìn)行消除。
其變壓器有N1、N2和Ne三個(gè)繞組，為了簡化、方便制造，在此設(shè)定N1=2N2，以便具有不對(duì)稱的電壓值。為了在高頻時(shí)渦流增大的狀態(tài)下使測量值的誤差最小，因此使用了第三個(gè)繞組Ne。
兩組多諧振蕩器由相位差為180°的交流電壓二個(gè)相位時(shí)鐘脈沖開關(guān)轉(zhuǎn)換。由于磁心沿小磁滯回線確定時(shí)鐘頻率，因此，每個(gè)多諧振振蕩器的轉(zhuǎn)換是通過飽和磁心的飽和狀態(tài)和時(shí)鐘脈沖交替產(chǎn)生的。由于二個(gè)晶體管由時(shí)鐘脈沖交替轉(zhuǎn)換，因此，繞組N1的感應(yīng)電壓是非對(duì)稱的，故直流輸入電流Iin可按幅度變化測得。在這種狀態(tài)下，為適宜在小磁滯回線工作，時(shí)鐘脈沖頻率應(yīng)高于Vce/4ΦN1。式中，Φ為磁心的飽和磁通。根據(jù)圖4所示電路，我們對(duì)有關(guān)輸出電壓 Vo進(jìn)行分析，由于基極電阻Rb》Rc，而且，Rb》Re。
其(a)項(xiàng)保證了輸入電流Iin和輸出電壓Vo之間的線性關(guān)系，而其(b)項(xiàng)表征由Re、Rb和Rc以及Fe參數(shù)而引起的誤差分量。還應(yīng)該說明的是，式(1)是在以下的假設(shè)條件下獲得的公式，即①磁心的磁滯回線是理想的矩形特性，②變壓器的漏感忽略不計(jì)，③晶體管的C-E飽和電壓忽略不計(jì)，④晶體管由截止到導(dǎo)通狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間忽略不計(jì)。以上假設(shè)條件之①對(duì)保證直流互感器具有足夠精度十分重要。
3 直流互感器的動(dòng)態(tài)特性分析
影響直流互感器動(dòng)態(tài)特性的主要因素是耦合到磁心的電容值和電阻值。圖5所示為直流互感器的高頻等效電路，圖中Ce是互感器內(nèi)部的寄生電容，它包括了繞組的寄生電容和晶體管、二極管以及運(yùn)算放大器的虛假電容。為了確定寄生電容Ce的值，可將一個(gè)已知測定值的電容器Cx并聯(lián)連接到輸出端，使用固有頻率外推法，結(jié)果測得的Ce為600PF。然后，為了消除分布電容的影響，則在輸出端接入一個(gè)小電容量(1或2毫微法)的電容器。
再則，包括渦流阻抗在內(nèi)的電阻值Re，對(duì)高頻動(dòng)態(tài)特性也是一個(gè)支配性影響因素。
R是電路的總內(nèi)阻值，C是電路的總電容值。且C=Ce+Cx，R=Re//Rx;Ce為寄生電容值，Cx為輸出濾波器和其它器件的電容值，Re是渦流阻抗值，Rx是外部接入的電阻值。
4 檢測與評(píng)估
為便于得到靜態(tài)I-V特性和動(dòng)態(tài)開關(guān)響應(yīng)特性，我們使用一原型電路完成了實(shí)驗(yàn)、檢測與評(píng)估，圖6~圖8所示為實(shí)驗(yàn)檢測的結(jié)果。在原形電路設(shè)計(jì)中，選用了具有3kHz時(shí)鐘頻率的鈷(Co)基非晶合金磁心，互感器的初級(jí)繞組N1為10匝。圖6所示為輸出電壓Vo的波形，它存在著固有的零紋波，圖中還示出了來自二相多諧振蕩器的感應(yīng)電壓，其二個(gè)波形相差180°。對(duì)輸出電壓Vo的特性而言，可以觀察到其小的紋波，該紋波是因?yàn)榇判牡膶?shí)際磁滯回線偏離了理想的矩形特性而產(chǎn)生的，故該紋波可通過優(yōu)化選擇磁心而降低。圖7所示為靜態(tài)I-V關(guān)系曲線。從此曲線可以看出該直流互感器能提供良好的線性特性和大的動(dòng)態(tài)范圍，而且其零電壓誤差可以通過圖4中的偏置電壓VB加以補(bǔ)償。關(guān)于動(dòng)態(tài)特性，圖8示出了本文提出的直流互感器檢測到的瞬時(shí)接通時(shí)的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)響應(yīng)波形，同時(shí)將該數(shù)據(jù)所得曲線與使用阻抗電流分流器測得的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行了比較，從中可見，該直流互感器具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，同時(shí)可見該直流互感器的響應(yīng)時(shí)間在3kHz時(shí)鐘頻率時(shí)為2μs。
5 小結(jié)
文章提出了一種為保證電路具有高線性度、高速響應(yīng)和零紋波輸出特性的直流互感器的設(shè)計(jì)原理，這種直流互感器的截止頻率遠(yuǎn)高于時(shí)鐘頻率。檢測結(jié)果表明，該直流互感器可以用于高速響應(yīng)的功率電子設(shè)備。檢測評(píng)估證明了在寬頻率范圍內(nèi)，它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性都是令用戶滿意的。 |
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