CN111220837A - 宽频带pwm变频器输出电压检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频带PWM变频器输出电压检测器，包括多抽头隔离变压器(1)、可切换低通滤波器(2)及万用表(5)；变频器(3)的输出端通过电缆(6)与多抽头隔离变压器(1)的输入端连接，可切换低通滤波器(2)包括滤波电阻选择回路(21)和滤波电容选择电路(22)，多抽头隔离变压器(1)的输出端与滤波电阻选择回路(21)的输入端连接，滤波电阻选择回路(21)的输出端与滤波电容选择电路(22)的输入端连接，滤波电容选择电路(22)的输出端通过可拆卸跨接线(4)与万用表(5)连接，或滤波电容选择电路(22)的输出端直接作为对外输出端。本发明能适应变频器工作频率在0‑300Hz宽频范围内的输出电压基波，能有效提高检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子检测设备，尤其涉及一种宽频带PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)变频器输出电压检测器。
背景技术
变频调速技术广泛应用于不同行业、不同领域，电机转速是根据工艺要求设置的，有些电机需长期工作在低频段，如0-20Hz；有些电机需长期工作在中频段，如40-60Hz；有些电机需长期工作在高频段，如250-300Hz。目前市场上95％以上变频器均为交直交电压源型变频器，采用PWM脉宽调制技术，其输出电压除了基波正弦波外，还含有与开关频率相关的高次谐波分量。
交直交电压源型变频器输出频率与PWM开关频率有关，PWM开关频率越高，变频器输出谐波降低，但功率器件的开关损耗增加，不利于变频器安全运行。PWM 变频器输出电压的检测通常有四种方法，如霍尔PT法、分流电阻降压法、根据 PWM调制率来计算变频器输出电压法及用万用表检查法。
(1)少数高性能变频器采用霍尔PT来检测交流输出电压，霍尔PT检测的输出电压信号通过A/D转换进入变频器控制系统，通过软硬件滤波后来获得变频器输出基波电压。实用新型专利CN206431196U公开了一种对抽油机变频器输出交流电参数测量装置，霍尔电压传感器的输出通过滤波电路、AD转换器和单片机数字滤波后，得到变频器输出基波电压。由于霍尔PT价格昂贵，霍尔PT法需要配置工作电源，所以绝大多数变频器均不采用这种方式。
(2)部分变频器采用分流电阻降压后来检测变频器输出电压，发明专利CN101187678B公开了一种通过分压电阻降压法来检测变频器输出电压，通过电阻分压法把变频器输出电压进行衰减，再通过三级滤波电路与两级电压比较放大器后，进入原变频器控制系统，来对变频器输出电压的基波幅值进行检测。发明专利CN102169137A公开了一种高压变频器输出电压信号处理方法及测量装置，它的检测原理是通过电阻分压法把变频器输出电压进行衰减，再通过差分放大、隔离、滤波后，进入变频器控制系统后，通过数字化处理后来实现对变频器输出电压基波幅值的检测。由于取样电压与主回路不隔离，需增加隔离变换电路，再通过A/D转换及软件滤波后，来获得变频器输出基波电压，但分压电阻随环境温度、湿度变化，影响检测精度。
(3)部分变频器制造厂家为了节约成本，不采用任何电压检测器件，而是根据PWM调制率、直流母线电压等参数来计算变频器输出基波电压，即它不是实时检测变频器输出电压，而是实时计算变频器输出电压给定。它的缺点是不能正确反应变频器输出电压实际值，尤其当变频器控制系统失常或功率器件回路异常时，变频器输出实际电压并不跟随交流电压给定，即这种电压检测方式存在一定缺陷。
(4)采用指针万用表和数字万能表来测量变频器输出电压，这种方式不能作为变频器在线控制用，只能作为变频器工厂调试、交流电机调试或故障处理时用。由于变频器输出电压谐波含量大，对测量仪表干扰大，检测误差比较大，即不能用万用表来直接测试变频器输出基波电压有效值。
几乎所有变频器，无论采用霍尔PT法、分流电阻降压法或根据PWM调制率来计算变频器输出电压法，都须利用原变频器自身的处理器对输出电压进行处理后才得到输出基波电压的有效值。万用表检测法也只在工频段能比较准确地检测变频器基波电压，但在其它频率段，检测误差较大。有极个别开发的变频器输出电压专用检测装置，需要专用硬件回路，以及由单片机或处理器组成的数字处理回路，它只适用于某特定类型变频器，不适用于工作在0-300赫兹宽频范围内的其它型号变频器。
由于绝大多数交流电机工作在0-75Hz，所以绝大多数通用变频器的最高输出频率为75Hz；少数区域电机需工作在300Hz，相应地专用变频器的最高输出频率也要达到300Hz。目前，市场上没有一款变频器输出电压检测器能够适应变频器工作频率在0-300赫兹这样宽频范围内的变化，且与原变频器控制系统没有关系。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽频带PWM变频器输出电压检测器，能适应变频器工作频率在0-300Hz宽频范围内的输出电压基波，能有效提高检测精度。
本发明是这样实现的：
一种宽频带PWM变频器输出电压检测器，包括多抽头隔离变压器、可切换低通滤波器及万用表；变频器的输出端通过电缆与多抽头隔离变压器的输入端连接，可切换低通滤波器包括滤波电阻选择回路和滤波电容选择电路，多抽头隔离变压器的输出端与滤波电阻选择回路的输入端连接，滤波电阻选择回路的输出端与滤波电容选择电路的输入端连接，滤波电容选择电路的输出端通过可拆卸跨接线与万用表连接，或滤波电容选择电路的输出端直接作为对外输出端。
所述的滤波电阻选择回路包括若干个滤波电阻及其电阻切换开关，滤波电阻与其电阻切换开关串联连接成滤波电阻选择单元电路，若干组滤波电阻选择单元电路并联设置构成滤波电阻选择回路。
所述的电缆为三芯电缆，电缆的一芯线作为接地线，且接地线的一端与变频器的接地端子连接，接地线的另一端与多抽头隔离变压器的铁芯接地端子连接；电缆的两芯线作为测试线，且测试线的第一内接线端子通过第一熔断器与变频器的U相端子或铜排连接，测试线的第二内接线端子与变频器的W相端子或铜排连接，多抽头隔离变压器的二次侧E端输出与滤波电阻选择回路的电阻切换开关输入侧连接。
所述的滤波电容选择电路包括若干个滤波电容及其电容切换开关，滤波电容的一端与其电容切换开关串联连接成滤波电容选择单元电路，若干组滤波电容选择单元电路并联设置构成滤波电容选择电路。
所述的滤波电阻选择回路的H端输出通过第二熔断器与第一对外输出端口连接；所述的滤波电容选择回路的滤波电容的另一端与第二对外输出端口连接。
所述的多抽头隔离变压器的铁芯材料为冷轧硅钢片，额定磁通密度为1.5T。
所述的滤波电阻选择回路的H端输出与滤波电容选择电路的输入侧连接，滤波电阻选择回路的H端输出通过第三熔断器经第一可拆卸跨接线与万用表的测试孔V连接；所述的滤波电容选择回路的滤波电容的另一端通过第二可拆卸跨接线与万用表的测试孔COM连接。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明能根据变频器实际工作频率范围和滤波参数推荐表灵活切换滤波器参数，可检测0-300Hz宽频范围内的输出电压基波，且输出电压检测精度可达± (1.5％+3)，频率检测精度可达±(0.1％+4)；如果选择高精度万用表，检测精度还可以提高。
2、本发明的对外输出信号可供部分变频器的输出电压检测用，也可以去上位监控系统，实现对变频器输出电压的监控。
3、本发明能够适应变频器工作频率在0-300Hz的宽频范围内变化，且与原变频器控制系统没有关系，可用于检测低压变频器工作频率在0-300Hz范围内变化时的基波电压与频率，且有效提高检测精度，可应用在变频器调试及故障处理中。
4、本发明不需要工作电源，无需微处理器和软件滤波，成本低，结构简单，方便携带，具有较大的商业推广应用前景。
附图说明
图1是RC低通滤波器的电路图；
图2是本发明宽频带PWM变频器输出电压检测器的原理图；
图3是本发明宽频带PWM变频器输出电压检测器的电路图。
图中，1多抽头隔离变压器；2可切换低通滤波器，21滤波电阻选择回路， 22滤波电容选择电路；3变频器；4可拆卸跨接线，41第一可拆卸跨接线，42第二可拆卸跨接线；5万用表；6电缆；R滤波电阻，C滤波电容；L1第一内接线端子，L2第二内接线端子；X1第一对外输出端口，X2第二对外输出端口；F0第一熔断器，F1第二熔断器，F2第三熔断器；S电容切换开关，S0第一控制开关，S1 第二控制开关，S2第三控制开关，S3第四控制开关，S4第五控制开关，S5第六控制开关，S6第七控制开关，S7第八控制开关；K电阻切换开关，K8第九控制开关，K9第十控制开关，K10第十一控制开关，K11第十二控制开关，K12第十三控制开关，K13第十四控制开关。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参见附图1，Ui是低通滤波器输入电压，U0是低通滤波器输出电压，
电路的传递函数是指输出电压与输入电压有效值的比值，是角频率ω的函数。
ω＝0时，T(ω)＝1，
ω＝1/8RC时，T(ω)＝0.992，
ω＝1/RC时，T(ω)＝0.707，
ω＝∞时，T(ω)＝0，
从以上分析可知，当低通滤波频率为输入信号角频率的5倍以上时，高频信号经过低通滤波后可以忽略，输出电压近似等于输入基波电压。
因此，本发明采用多抽头隔离变压器1将变频器3输出电压隔离变换成低压，请参见附图2，本发明可以覆盖目前市场上低压变频器输出电压从0-690伏。由于变频器输出频率在0-300Hz可调，需设置一组低通滤波器来滤除高次谐波分量，通过选择开关的灵活组合切换来选择滤波器参数。
请参见附图2及附图3，一种宽频带PWM变频器输出电压检测器，包括多抽头隔离变压器1、可切换低通滤波器2及万用表5；变频器3的输出端通过电缆 6与多抽头隔离变压器1的输入端连接，可切换低通滤波器2包括滤波电阻选择回路21和滤波电容选择电路22，多抽头隔离变压器1的输出端与滤波电阻选择回路 21的输入端连接，滤波电阻选择回路21的输出端与滤波电容选择电路22的输入端连接，滤波电容选择电路22的输出端通过可拆卸跨接线4与万用表5连接，或滤波电容选择电路22的输出端直接作为对外输出端。
所述的滤波电阻选择回路21包括若干个滤波电阻R及其电阻切换开关K，滤波电阻R与其电阻切换开关K串联连接成滤波电阻选择单元电路，若干组滤波电阻选择单元电路并联设置构成滤波电阻选择回路21。
所述的滤波电容选择电路22包括若干个滤波电容C及其电容切换开关S，滤波电容C的一端与其电容切换开关S串联连接成滤波电容选择单元电路，若干组滤波电容选择单元电路并联设置构成滤波电容选择电路22。
所述的电缆6为三芯电缆，电缆6的一芯线作为接地线，且接地线的一端与变频器3的接地端子连接，接地线的另一端与多抽头隔离变压器1的铁芯接地端子连接；电缆6的两芯线作为测试线，且测试线的第一内接线端子L1通过第一熔断器F0与变频器3的U相端子或铜排连接，测试线的第二内接线端子L2与变频器3的W相端子或铜排连接，多抽头隔离变压器1的二次侧E端输出与滤波电阻选择回路21的电阻切换开关K输入侧连接。
所述的多抽头隔离变压器1的铁芯材料为冷轧硅钢片，额定磁通密度选定为1.5T，以保证该变压器工作在0-300Hz宽频范围时，变压器磁通不饱和。
所述的滤波电阻选择回路21的H端输出有三路，第一路与滤波电容选择电路22的输入侧连接，第二路通过第二熔断器F1与对外输出端口X1连接；第三路通过第三熔断器F2后，经第一可拆卸跨接线41与万用表5的测试孔V连接。
所述的多抽头隔离变压器1的二次侧G端输出有三路，第一路与滤波电容选择回路22中的电容一端连接；第二路与对外输出端口X2连接；第三路通过第二可拆卸跨接线42与万用表5的测试孔COM连接。
电缆6可采用长2米、截面积为1.5mm2、额定电压为1KV的三芯电缆。电缆6的接地线一端与变频器3的接地端子连接，另一端与多抽头隔离变压器1的铁芯接地端子连接；电缆6的两测试线的一端可通过测试绝缘夹或类似万用表表棒与变频器3的U相和W相端子或铜排连接，另一端分别固定连接在多抽头隔离变压器1的第一内接线端子L1和第二内接线端子L2上。第一内接线端子L1经额定电流为1A的插入式熔断器F0保护后与多抽头隔离变压器1的一次侧绕组一端相连，第二内接线端子L2与多抽头隔离变压器1的一次侧绕组的另一端相连。
多抽头隔离变压器1将变频器输出电压隔离变换成低压，可以覆盖目前市场上低压变频器输出电压从0-690伏。多抽头隔离变压器1一次侧绕组抽头有四挡，可测量A档230V、B档400V、M档500V、N档690V等4挡，默认连接在690V 档位上，二次侧额定电压为10V。
由于变频器输出频率在0-300Hz可调，需设置一组低通滤波器来滤除高次谐波分量，通过电容切换开关S和电阻切换开关K的灵活组合切换来选择滤波器参数以匹配0-300Hz宽频。滤波电阻选择回路21可采用6档高精密滤波电阻R，通过第九选择开关K8选择接通/分断200欧姆的滤波电阻R，通过第十选择开关K9 选择接通/分断400欧姆的滤波电阻R，通过第十一选择开关K10选择接通/分断 600欧姆的滤波电阻R，通过第十二选择开关K11选择接通/分断800欧姆的滤波电阻R，通过第十三选择开关K12选择接通/分断1000欧姆的滤波电阻R，通过第十四选择开关K13选择接通/分断2000欧姆的滤波电阻R。
滤波电容选择电路22可采用7档低容差、高精密进口滤波电容C，通过第一选择开关S0选择接通/分断0.1μf的滤波电容C，通过第二选择开关S1选择接通/ 分断0.15μf的滤波电容C，通过第三选择开关S2选择接通/分断0.22μf的滤波电容C，通过第四选择开关S3选择接通/分断0.33μf的滤波电容C，通过第五选择开关S4选择接通/分断0.47μf的滤波电容C，通过第六选择开关S5选择接通/分断1μf 的滤波电容C，通过第七选择开关S6选择接通/分断2.2μf的滤波电容C，通过第八选择开关S7选择接通/分断4.7μf的滤波电容C。通过第一选择开关S0、第二选择开关S1、第三选择开关S2、第四选择开关S3、第五选择开关S4、第六选择开关S5、第七选择开关S6和第八选择开关S7的不同组合，可选择0.43μf、0.47μf、 0.55μf、0.62μf、0.65μf、0.69μf、0.7μf、0.79μf、0.8μf、0.84μf、1.15μf、1.22μf等的滤波电容C。
根据变频器3实际输出电压的频率范围，通过表1所示的最佳滤波参数推荐表，通过滤波电阻选择回路21与滤波电容选择回路22组成的可切换低通滤波器2 来选择对应最佳滤波参数，来比较准确地检测宽频带变频器3的输出电压。
表1：0-300Hz低通滤波器参数推荐表
由滤波电阻选择回路21与滤波电容选择回路22组成的可切换低通滤波器2 滤波后的H端经额定电流为1A的第三熔断器F2保护后，与第一可拆卸跨接线41 的一端相连，G端与第二可拆卸跨接线42的一端相连,第一可拆卸跨接线41、第二可拆卸跨接线42的另一端分别与某品牌UT39C万用表5的V、COM两个测试孔相连。UT39C+万用表5可在线显示经过降压后的基波电压的幅值与频率，乘以实际选择的变压器抽头变比，便可获得变频器实际输出基波电压，实现基波电压、频率的检测，结构简单、携带方便。此外，如果拆除可拆卸跨接线4，则该UT39C+ 万用表5可作为一独立万用表，用于外部电压、电流、电阻、电容、二极管或晶体管的测试。
由滤波电阻选择回路21与滤波电容选择回路22组成可切换低通滤波器2滤波后的H端经额定电流为1A的第二熔断器F1保护后与第一对外输出端口X1相连；G端与第二对外输出端口X2相连，既可供部分变频器的外置式输出电压检测用，也可以去上位监控系统，实现对变频器输出电压的监控。
采用本发明对一台某品牌SINAMICS S120变频器(型号为 SL3210-1PE22-7UL0)带一台3.7KW的交流异步电机进行调试，电机额定频率为 60Hz，额定电压为400V。变频器采用V/F控制方式，电机在60Hz以下保持额定磁通，60Hz以上保持额定电压不变，电机弱磁运行。SINAMICS S120变频器的U 相、W相及接地端子通过电缆6与多抽头隔离变压器1的第一内接线端子L1、第二内接线端子L2、接地端子连接，多抽头隔离变压器选400V档。阻容吸收参数切换选择参照表1，电机运行频率从5Hz开始一直到变化到205Hz，具体测试结果如表2所示。
表2：3.7KW交流电机在(5-200)Hz运行时的测试数据
UT39C+万用表测量交流电源的精度为±(1％+3)，从表2检测数据分析来看，在(5-200)Hz范围内稳定运行时，本电压检测器检测的基波电压有效值与 SINAMICS S120变频器计算的基波电压有效值几乎一致，整体检测精度在±1％内，最大正偏差为1.22％，最大负偏差为-1.17％，具有较高检测精度，实用性很强。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种宽频带PWM变频器输出电压检测器，其特征是：包括多抽头隔离变压器(1)、可切换低通滤波器(2)及万用表(5)；变频器(3)的输出端通过电缆(6)与多抽头隔离变压器(1)的输入端连接，可切换低通滤波器(2)包括滤波电阻选择回路(21)和滤波电容选择电路(22)，多抽头隔离变压器(1)的输出端与滤波电阻选择回路(21)的输入端连接，滤波电阻选择回路(21)的输出端与滤波电容选择电路(22)的输入端连接，滤波电容选择电路(22)的输出端通过可拆卸跨接线(4)与万用表(5)连接，或滤波电容选择电路(22)的输出端直接作为对外输出端。
2.根据权利要求1所述的宽频带PWM变频器输出电压检测器，其特征是：所述的滤波电阻选择回路(21)包括若干个滤波电阻R及其电阻切换开关K，滤波电阻R与其电阻切换开关K串联连接成滤波电阻选择单元电路，若干组滤波电阻选择单元电路并联设置构成滤波电阻选择回路(21)。
3.根据权利要求1或2所述的宽频带PWM变频器输出电压检测器，其特征是：所述的电缆(6)为三芯电缆，电缆(6)的一芯线作为接地线，且接地线的一端与变频器(3)的接地端子连接，接地线的另一端与多抽头隔离变压器(1)的铁芯接地端子连接；电缆(6)的另两芯线作为测试线，且测试线的第一内接线端子L1通过第一熔断器F0与变频器(3)的U相端子或铜排连接，测试线的第二内接线端子L2与变频器(3)的W相端子或铜排连接，多抽头隔离变压器(1)的二次侧E端输出与滤波电阻选择回路(21)的电阻切换开关K输入侧连接。
4.根据权利要求1所述的宽频带PWM变频器输出电压检测器，其特征是：所述的滤波电容选择电路(22)包括若干个滤波电容C及其电容切换开关S，滤波电容C的一端与其电容切换开关S串联连接成滤波电容选择单元电路，若干组滤波电容选择单元电路并联设置构成滤波电容选择电路(22)。
5.根据权利要求1或2或4所述的宽频带PWM变频器输出电压检测器，其特征是：所述的滤波电阻选择回路(21)的H端输出通过第二熔断器F1与第一对外输出端口X1连接；所述的滤波电容选择回路(22)的滤波电容C的另一端与第二对外输出端口X2连接。
6.根据权利要求1所述的宽频带PWM变频器输出电压检测器，其特征是：所述的多抽头隔离变压器的铁芯材料为冷轧硅钢片，额定磁通密度为1.5T。
7.根据权利要求1所述的宽频带PWM变频器输出电压检测器，其特征是：所述的滤波电阻选择回路(21)的H端输出与滤波电容选择电路(22)的输入侧连接，滤波电阻选择回路(21)的H端输出通过第三熔断器F2经第一可拆卸跨接线(41)与万用表(5)的测试孔V连接；所述的滤波电容选择回路(22)的滤波电容C的另一端通过第二可拆卸跨接线(42)与万用表(5)的测试孔COM连接。
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