三相电流测量的制作方法

三相电流测量


背景技术：

1.由三相逆变器供电的电机(例如电动马达)的高效操作通常需要控制由所述逆变器产生的个别相电流。个别相电流的测量是控制所述相电流，及保护电子电源开关及电负载免受过电流引起的损坏的初始步骤。


技术实现要素：

2.本文中公开一种使用两个电流传感器来提供三个个别相电流的测量的电流测量电路。在一个实例中，一种电流测量电路包含第一电流传感器、第二电流传感器及电流计算电路系统。所述第一电流传感器耦合到第一导体、第二导体及第三导体。所述第二电流传感器耦合到所述第二导体及所述第三导体。所述第一导体传导第一相电流，所述第二导体传导第二相电流，且所述第三导体传导第三相电流。电流计算电路系统耦合到所述第一电流传感器及所述第二电流传感器，且经配置以：基于所述第一电流传感器的输出及所述第二电流传感器的输出来提供所述第一相电流的测量；基于所述第一电流传感器的输出及所述第二电流传感器的输出来提供所述第二相电流的测量；及基于所述第一电流传感器的输出及所述第二电流传感器的输出来提供所述第三相电流的测量。在所述电流测量电路的一些实施方案中，所述第一电流传感器包括关于所述第一导体、所述第二导体及所述第三导体的2:1:1的匝比，且所述第二电流传感器包括关于所述第二导体及所述第三导体的1:1的匝比。
3.在另一实例中，一种电流测量电路包含第一导体、第二导体、第三导体、第一电流传感器、第二电流传感器及电流计算电路系统。所述第一导体经配置以传导三相电流中的第一相电流。所述第二导体经配置以传导所述三相电流中的第二相电流。所述第三导体经配置以传导所述三相电流中的第三相电流。所述第一电流传感器耦合到所述第一导体、所述第二导体及所述第三导体。所述第二电流传感器耦合到所述第二导体及所述第三导体。所述电流计算电路系统耦合到所述第一电流传感器及所述第二电流传感器，且经配置以通过将逆克拉克变换应用于所述第一电流传感器的输出及所述第二电流传感器的输出来确定所述第一相电流、所述第二相电流及所述第三相电流。在所述电流测量电路的一些实施方案中，所述第一电流传感器经配置以提供关于所述第一导体、所述第二导体及所述第三导体的2:1:1的匝比，且所述第二电流传感器经配置以提供关于所述第二导体及所述第三导体的1:1的匝比。
4.在进一步实例中，一种用于测量电流的方法包含在第一电流传感器中测量三相电流中的第一相电流、第二相电流及第三相电流的总和，及在第二电流传感器中测量所述三相电流中的所述第二相电流及所述第三相电流的总和。所述方法还包含通过将逆克拉克变换应用于由所述第一电流传感器测量的所述电流的所述总和及由所述第二电流传感器测量的所述电流的所述总和来确定所述第一相电流、所述第二相电流及所述第三相电流。所述方法的一些实施方案还包含在所述第一电流传感器中分别以2:1:1的比测量所述第一相电流、所述第二相电流及所述第三相电流。
附图说明
5.对于各种实例的详细描述，现在将参考附图，其中：
6.图1展示使用比较器以识别第三相上的过电流的电流测量电路的框图；
7.图2展示根据本描述的包含用以个别地测量三相电流中的每一相电流的两个电流传感器的实例电流测量电路的框图；
8.图3展示根据本描述的图2的两个电流传感器中的相电流的实例求和；
9.图4展示根据本描述的在包含两个电流传感器的电流测量电路中检测过电流状况的实例；
10.图5及6展示根据本描述的导体相对于电流传感器中的传感器元件的实例布置；及
11.图7展示根据本描述的用于使用两个电流传感器以个别地测量三相电流中的每一相电流的电流测量的方法的流程图。
具体实施方式
12.在本描述中，术语“耦合(couple/couples)”意指间接或直接的有线或无线连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可通过直接连接或通过经由其它装置及连接的间接连接。而且，在本描述中，陈述“基于”意指“至少部分地基于”。因此，如果x基于y，那么x可为y及任何数目个其它因素的函数。
13.一些逆变器及其它电机控制系统包含应用单独传感器以测量驱动电机的相电流中的每一者的电流测量电路。在此类系统中，电流测量电路包含三个电流传感器，其中每一电流传感器测量由逆变器产生的三相电流中的一个相电流。然而，为了降低成本，一些系统测量三相电流中的仅两者且基于平衡负载(例如，电动马达)中的电流的总和等于零来计算第三相电流。在此类系统中，因为未提供电流传感器以测量第三相电流，所以连接到第三相的功率装置(例如，绝缘栅极双极晶体管或碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管)无法被保护免受接地故障(过电流状况)。
14.为了将接地故障及过电流保护提供到功率装置，包含仅两个电流传感器的一些系统应用离散比较器以检测第三相上的故障。图1展示使用比较器以识别第三相上的过电流的系统100的框图。在系统100中，控制电路102产生被提供到驱动器电路106的脉宽调制信号104。驱动器电路106产生用于驱动晶体管110的栅极驱动信号108。晶体管110输出三相电流112、114、116以驱动马达118。
15.电流传感器120测量相电流112，且电流传感器122测量相电流116。为了降低成本，未提供电流传感器以测量相电流114。代替地，比较器电路126将跨电阻器124的电压与阈值进行比较以识别过多电流流动(过电流状况)。比较器电路126将故障信息提供到控制电路102，但未将相电流114的测量提供到控制电路102。
16.图2展示根据本描述的包含用以测量三相中的电流的两个电流传感器的实例电流测量电路200的框图。虽然系统100使用两个电流传感器来提供三相电流中的仅两者的测量，但电流测量电路200使用两个电流传感器(例如，不超过两个电流传感器)以提供三相电流的测量。电流测量电路200包含电流传感器204、电流传感器206、电流计算电路系统208、导体212、导体214及导体216。导体212将由三相电流产生电路202产生的第一相电流传导到三相负载210。导体214将由三相电流产生电路202产生的第二相电流传导到三相负载210。
导体216将由三相电流产生电路202产生的第三相电流传导到三相负载210。在各种实施方案中，三相负载210是电动马达或任何其它电路/电机。在一些实施方案中，三相电流产生电路202包含系统100的控制电路102、驱动器电路106及晶体管110。在一些实施方案中，三相电流产生电路202是对三相负载210直接供电的电网。
17.电流传感器204耦合到导体212、导体214及导体216。电流传感器204感测第一、第二及第三相电流的总和。电流传感器204的一些实施方案包含磁芯218及耦合到磁芯218的传感器元件220。在电流传感器204的一些实施方案中，传感器元件220是霍尔传感器或磁通门或任何其它电流传感器。导体212、导体214及导体216以2:1:1匝比绕磁芯218缠绕。即，针对绕磁芯218的导体214及导体216的每一匝，存在绕磁芯218的导体212的两匝。导体212在与导体214及导体216绕磁芯218缠绕的方向相反的方向上绕磁芯218缠绕。因此，在电流传感器204中，导体212中的电流流动是在相对于导体214及导体216中的电流流动方向的相反方向上。
18.传感器元件220检测由第一、第二及第三相电流在磁芯218中或气隙中产生的磁通量。电流传感器204包含耦合到传感器元件220的信号调节电路系统222。信号调节电路系统222的一些实施方案包含将传感器元件220的输出作为信号230驱动到电流计算电路系统208的放大器。信号调节电路系统222的一些实施方案包含用以数字化传感器元件220及/或其它数字电路，例如电压频率转换器、电压脉宽调制转换器、编码器电路系统、传输器/驱动器电路系统等的输出的模数转换器。因此，在电流传感器204的各种实施方案中，包括传感器元件220的输出的信号230作为模拟信号或数字信号被提供到电流计算电路系统208。鉴于电流传感器204的所描述配置，信号230可被表达为：
[0019]vα
＝f{{0.666i
u-0.333i
v-0.333iw}
[0020]
其中：
[0021]iu
是第一相电流(导体212中的电流)；
[0022]
iv是第二相电流(导体214中的电流)；且
[0023]iw
是第三相电流(导体216中的电流)。
[0024]
电流传感器206耦合到导体214及导体216。电流传感器206感测第二及第三相电流的总和。电流传感器206的一些实施方案包含磁芯224及耦合到磁芯224的传感器元件226。在电流传感器206的一些实施方案中，传感器元件226是霍尔传感器或磁通门传感器。导体214及导体216以1:1匝比绕磁芯218缠绕。即，针对绕磁芯224的导体214的每一匝，存在绕磁芯224的导体216的一匝。导体214在与导体216绕磁芯224缠绕的方向相反的方向上绕磁芯224缠绕。因此，在电流传感器206中，导体214中的电流流动是在相对于导体216中的电流流动方向的相反方向上。
[0025]
电流传感器206包含耦合到传感器元件226的信号调节电路系统228。信号调节电路系统228的一些实施方案包含将传感器元件226的输出作为信号232驱动到电流计算电路系统208的放大器。信号调节电路系统228的一些实施方案包含用以数字化传感器元件226及/或其它数字电路(例如电压频率转换器、电压脉宽调制转换器、编码器电路系统、传输器/驱动器电路系统等)的输出的模数转换器。因此，在电流传感器206的各种实施方案中，包括传感器元件226的输出的信号232作为模拟信号或数字信号被提供到电流计算电路系统208。鉴于电流传感器206的所描述配置，信号232可被表达为：
[0026]vβ
＝f{0.57737(i
v-iw)}
[0027]
电流传感器204及电流传感器206经配置以利用克拉克变换以将三相电流转换成两相。克拉克变换矩阵被表达为：
[0028][0029]
电流计算电路系统208耦合到电流传感器204及电流传感器206，且处理信号230及信号232以产生分别由导体212、导体214及导体216传导的第一、第二及第三相电流的测量。电流计算电路系统208的实施方案将逆克拉克变换应用于信号230及信号232以产生所述测量。由电流计算电路系统208应用的逆克拉克变换矩阵被表达为：
[0030][0031]
电流计算电路系统208的各种实例包含专用于实施逆克拉克变换的硬件电路系统，或包含执行存储在存储器中的指令以实施逆克拉克变换，或使用硬件及软件的组合来实施逆克拉克变换的处理器，例如微控制器或数字信号处理器。
[0032]
图3展示根据本描述的电流传感器204及电流传感器206中的相电流的实例求和。电流传感器204的输出是由导体212传导的第一相电流(iu)缩放0.6666、由导体214传导的第二相电流(iv)缩放-0.3333及由导体216传导的第三相电流(iw)缩放-0.3333的总和。电流传感器206的输出是第二相电流(iv)及负第三相电流(iw)的总和，其中所述总和缩放0.57737。
[0033]
图4展示电流测量电路电流测量电路200的过电流状况的检测的实例。如本文中所揭示，由电流计算电路系统208基于分别由电流传感器204及电流传感器206提供的信号230及信号232来产生图4中所说明的三相电流值(iu、iv及iw)。在约0.175秒的时间，从导体212汲取的电流(iu)增加以产生过电流状况。第一相电流(iu)的增加反映在由电流计算电路系统208产生的第一相电流(iu)值的增加的振幅中。
[0034]
虽然图2将电流传感器204及电流传感器206说明为包含导体212、导体214及导体216绕其缠绕的磁芯，但电流传感器204及电流传感器206的一些实施方案不包含磁芯。在此类实施方案中，导体212、导体214及导体216相对于传感器元件定位，使得在所述导体中流动的电流根据针对传感器元件检测的所期望方向及匝比来产生磁场。
[0035]
图5展示安置在距传感器元件220的相等距离处的导体212、导体214及导体216。在所述导体中，点表示第一方向上的电流流动且x表示与所述点的方向相反的方向上的电流流动。在导体212、导体214及导体216与传感器元件220等距的情况下，每一匝导体214及导体216需要两匝导体212以提供电流信号的所期望2:1:1比用于求和。
[0036]
图6展示在与导体214或导体216相比距传感器元件220不同距离处的导体212。导体212经安置成比导体214或导体216更靠近传感器元件220。导体214及导体216与传感器元件220等距。通过将导体212安置成更靠近传感器元件220(与导体214或216相比)，由于导体212中的电流流动而由传感器元件220检测到的磁场相对地强于由导体212或导体216中的电流流动所致的磁场。因此，通过将导体212定位成比导体214或导体216更靠近传感器元件220，电流传感器204的实施方案应用1:1:1的匝比以在不使用多匝导体212的情况下提供2:1:1信号比的等效物。
[0037]
图7展示根据本描述的用于使用两个电流传感器以个别地测量三相电流中的每一相电流的电流测量的方法700的流程图。尽管为方便起见循序地描绘，但所展示动作中的至少一些可按不同顺序执行及/或并行执行。另外，一些实施方案可执行所展示动作中的仅一些。方法700的操作是由电流测量电路200的实施方案执行。
[0038]
在框702中，电流传感器204测量分别在导体212、导体214及导体216中流动的第一相电流(iu)、第二相电流(iv)及第三相电流(iw)的总和。第一相电流(iu)、第二相电流(iv)及第三相电流(iw)按2:1:1的比缩放用于求和。第一相电流(iu)的流动是在第一方向上，且第二相电流(iv)及第三相电流(iw)的流动是在与第一方向相反的方向上。
[0039]
在框704中，电流传感器206测量分别在导体214及导体216中流动的第二相电流(iv)及第三相电流(iw)的总和。第二相电流(iv)及第三相电流(iw)按1:1的比缩放用于求和。第二相电流(iv)的流动是在第一方向上且第三相电流(iw)的流动是在与第一方向相反的方向上。
[0040]
在框706中，电流计算电路系统208将逆克拉克变换应用于信号230(由电流传感器204测量的电流的总和)及信号232(由电流传感器206测量的电流的总和)。逆克拉克变换产生第一相电流(iu)、第二相电流(iv)及第三相电流(iw)的个别测量作为输出。
[0041]
在框708中，应用框706中产生的第一相电流(iu)、第二相电流(iv)及第三相电流(iw)的个别测量以控制电机或其它三相电负载的操作。例如，如果所述相电流中的一者超过阈值，那么可减少提供到操作电机的电流。
[0042]
在权利要求书的范围内，在所描述实施例中修改是可能的，且其它实施例也是可能的。