变频调速系统的模拟量输入输出电路隔离技术

    对于变频调速系统，速度检测通常采用测速发电机将速度信号变成电压信号Un，Un=αn（α为速度反馈系数）。电流检测通常采用电流互感器或霍尔效应电流检测器来实现，将电流信号变成电压信号Ui，Ui= βId (β为电流反馈系数)。若采用模／数转换电路，可直接将模拟电压信号接到的模拟输入端，如图3-20所示。模拟输入信号为测速发电机的输出电压，分压后将模拟输入电压Un限制为0～5V。
    图3-20    模／数口直接连接测速反馈电路    这种模拟输入电路的特点是结构简单，但存在不安全因素，测速发电机电枢电压高达100多伏，直接与变频器的模拟输入引脚相连，一方面会给变频器电路带来干扰，另一方面瞬时过电压会损坏单片机芯片。    考虑到变频调速系统的抗干扰能力及可靠性，需要将检测的模拟量Un、Ui与变频器电路之间隔离开来。模拟量隔离电路的方式有变压器隔离及光耦隔离两种。    (1)变压器隔离    采用变压器隔离的典型电路是隔离放大器，AD289隔离放大器的结构如图3-21 (a)所示。隔离放大器所需电源电压是DC 15V，DC 15V电源经振荡器加到变压器T1的初级绕组N1，T1的次级绕组N2、N3提供脉冲电压，经整流滤波后形成的控制电压分别供A2、A1放大器使用。T1的次级绕组N5、N4分别为调制器和解调器提供脉冲电压。很小的输入信号（毫伏级）经放大器A1放大后，再经调制器调制成交流信号。经变压器T2后，再经解调器还原成A1的输出电压，经A2放大，在⑨、⑩两端输出被放大的电压。    图3-21 (b)所示为AD289的图形符号，控制电源端⑥、⑦与信号输入端⑤、①及信号输出端⑨、⑩3个回路之间是相互隔离的，隔离耐压达2500V。如果检测电枢电流，电枢回路分流器(额定电压为75mV)两端的电压接信号输入端⑤、①，信号输出端⑩、⑨接变频器的模入端，可实现电枢回路的高压(约1000V)与变频器低压回路的隔离。
    图3-21    AD289隔离放大器的结构    (2)光耦隔离    光耦隔离的方法分为以下3种。    ①线性光耦隔离。精密线性光耦TIL300的应用电路如图3-22所示。TIL300是由红外发光二极管、隔离反馈光二极管和一个输出光二极管组成。该器件所采取的特殊技术是可补偿红外发光二极管时间和温度特性的非线性，使输出信号与红外发光二极管发出的光通量成线性变化。
    图3-22    TIL300的应用电路    令电流增益为K1=Ip1/If，正向增益为K2=Ip2/If，传输增益为K3=Ip2/Ip1= K2/K1，那么，图3-32所示电路的输出电压Uo为    (3-1)式中：Ui为输入的模拟量。    显然，传输电路的输出电压Uo与输入电压U的关系取决于传输增益K3，由于K3=K2/K1，即使K2、K3在If变化时不是线性变化的，但其比值K3可以做成线性。也就是说，图3-32所示电路的传输比是线性的，同时也达到了U1与Uo之间电气隔离的目的。    ②模／数转换后光耦隔离。模／数转换后光耦隔离方案也可以实现模拟量输入信号与变频器的输出端隔离。典型的产品如CKE公司的G-01AD模块，电路结构如图3-23所示。G-01AD模块为8通道模拟量输入模块。    在图3-23中，输入的模拟量经切换回路选通，然后进入放大器，经模／数转换后变成12位的二进制数字信号，再经12只光合器后进入CPU的数据总线。模／数转换电路与CPU之间的控制信号及输入切换电路的控制信号共8路，也是经8只光耦与CPU相连接。显然，8路模拟量输入信号与CPU之间经20只光耦相连接，输入信号与CPU之间没有任何电气连接：    ③U/F变换后光耦隔离。这种方案是将被检测的模拟量Ui经U/F变换电路转换成频率量F，经光耦隔离后连接到变频器的输入端。CPU通过检测频率的大小计算出对应的模拟量Ui。电路结构如图3-24所示。
    图3-23    模/数转换后光耦隔离结构示意图
    图3-24    U/F变换后光耦隔离结构示意图    对于一路模拟量输入电路，仅用一只光耦即可实现电气隔离。因此，这种方案具有体积小、造价低的特点。西门子公司的SIEMADYD全数字控制系统就采用这种方案。