| 一種零紋波直流互感器設計 |
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1 引言
采用逆變器實施矢量控制的方法控制交流電動機時，最通用的技術是必須用定子電流獲得轉矩，而定子電流應是交流電流。為了控制電動機的轉速，該交流電流的頻率應從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，為了求得瞬時轉矩，傳感器的檢測速度應足夠高。為此目的，傳感器檢測電流應從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。在這些方面的應用中，使用了霍爾效應電流傳感器，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象，這就會造成電動機控制時的轉矩紋波，同時，在某些情況下，可能會造成瞬態響應的不夠充分。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個低頻變壓器才能構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雜性和相應地增大了體積，增加了設備的成本費用。
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個與二相時鐘脈沖同步的具有飽和磁心的多諧振蕩器組成。以前已見過關于三相時鐘脈沖基本原理的報道。那是一種要求有三個飽和磁心的使其電路變得更為復雜。在本文中，作者提出了使用元件數量最少的二相(反相)電路原理，同時闡述了它們的靜態和動態特性。根據實際檢測結果，發現它們具有大的動態范圍和快速響應特性等優勢，尤其適合用逆變器的電動機控制。文章對其靜態和動態特性進行了理論分析并給出了實驗與檢測結果。
2 電路分析
以前提出的設計是在多諧振蕩器中按感應電壓的幅度檢測直流電流的基本原理與方法，通過對這種原理的延伸擴展，研究開發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，二個晶體管磁心多諧振蕩器#1和#2由雙穩態觸發電路產生的二相脈沖激勵，由此可以產生二相感應電壓，如圖3 所示。由圖可見，根據不同匝數的繞組，每個多諧振蕩器產生不對稱的感應電壓，借助邏輯OR電路輸出。由于二個開關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行消除。
其變壓器有N1、N2和Ne三個繞組，為了簡化、方便制造，在此設定N1=2N2，以便具有不對稱的電壓值。為了在高頻時渦流增大的狀態下使測量值的誤差最小，因此使用了第三個繞組Ne。
兩組多諧振蕩器由相位差為180°的交流電壓二個相位時鐘脈沖開關轉換。由于磁心沿小磁滯回線確定時鐘頻率，因此，每個多諧振振蕩器的轉換是通過飽和磁心的飽和狀態和時鐘脈沖交替產生的。由于二個晶體管由時鐘脈沖交替轉換，因此，繞組N1的感應電壓是非對稱的，故直流輸入電流Iin可按幅度變化測得。在這種狀態下，為適宜在小磁滯回線工作，時鐘脈沖頻率應高于Vce/4ΦN1。式中，Φ為磁心的飽和磁通。根據圖4所示電路，我們對有關輸出電壓 Vo進行分析，由于基極電阻Rb》Rc，而且，Rb》Re。
其(a)項保證了輸入電流Iin和輸出電壓Vo之間的線性關系，而其(b)項表征由Re、Rb和Rc以及Fe參數而引起的誤差分量。還應該說明的是，式(1)是在以下的假設條件下獲得的公式，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，③晶體管的C-E飽和電壓忽略不計，④晶體管由截止到導通狀態的轉換時間忽略不計。以上假設條件之①對保證直流互感器具有足夠精度十分重要。
3 直流互感器的動態特性分析
影響直流互感器動態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、二極管以及運算放大器的虛假電容。為了確定寄生電容Ce的值，可將一個已知測定值的電容器Cx并聯連接到輸出端，使用固有頻率外推法，結果測得的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小電容量(1或2毫微法)的電容器。
再則，包括渦流阻抗在內的電阻值Re，對高頻動態特性也是一個支配性影響因素。
R是電路的總內阻值，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 檢測與評估
為便于得到靜態I-V特性和動態開關響應特性，我們使用一原型電路完成了實驗、檢測與評估，圖6~圖8所示為實驗檢測的結果。在原形電路設計中，選用了具有3kHz時鐘頻率的鈷(Co)基非晶合金磁心，互感器的初級繞組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電壓，其二個波形相差180°。對輸出電壓Vo的特性而言，可以觀察到其小的紋波，該紋波是因為磁心的實際磁滯回線偏離了理想的矩形特性而產生的，故該紋波可通過優化選擇磁心而降低。圖7所示為靜態I-V關系曲線。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態范圍，而且其零電壓誤差可以通過圖4中的偏置電壓VB加以補償。關于動態特性，圖8示出了本文提出的直流互感器檢測到的瞬時接通時的動態瞬時響應波形，同時將該數據所得曲線與使用阻抗電流分流器測得的數據曲線進行了比較，從中可見，該直流互感器具有優良的動態響應特性，同時可見該直流互感器的響應時間在3kHz時鐘頻率時為2μs。
5 小結
文章提出了一種為保證電路具有高線性度、高速響應和零紋波輸出特性的直流互感器的設計原理，這種直流互感器的截止頻率遠高于時鐘頻率。檢測結果表明，該直流互感器可以用于高速響應的功率電子設備。檢測評估證明了在寬頻率范圍內，它的靜態和動態特性都是令用戶滿意的。 |
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