بخشی از مقاله
چکیده -
سرعت و ولتاژ کنترل اتلاف-سنسور به سنجش جریان نیاز دارد که کنترل صحیح با هزینه پائین، اختلال و پیچیدگی را ایجاد می نماید. سنجش جریان موتور برای رفع تحریف گشتاوری و دستیابی به گشتاور همسان لازم می باشد. متداول ترین شیوه تخمین جریان درج مشاهده مقاومت در مسیر جریان نامشخص می باشد. این شیوه باعث اتلاف زیاد برق در برونداد بالای جریان می گردد.
مقاومت به تغییرات دما و تلرانس بستگی دارد. استفاده از شیوه تنظیم خودکار جهت رفع تأثیر نامناسب دمای حرارتی، تلرانس اجزاء و اختلال ارجحیت دارد. در این مقاله، با استفاده سنجش جریان مبنی بر فیلتر تنظیم خودکار این مسئله بررسی میشود. اما شیوه جریان مشاهده شده موجود در فیلتر پائین است و با اختلال قابل کاهش می باشد و برای کنترل جریان مورد تأیید نیست. بنابراین می توان از شیوه ترکیبی برای بهبود SNR استفاده کرد.
-1 مقدمه
سنجش جریان کاربردهای زیادی برای تجهیزات برق الکترونیکی و موتور دارد. از سنجش جریان جهت کنترل، محافظت، نظارت، و اهداف مدیریت برق استفاده می شود. پارامترهایی مانند هزینه پائین، صحت، سنجش جریان بالا، نیازهای ایزولاسیون، پهنای باند فرکانس گسترده، خطی بودن و پایداری با تغییرات دما، امنیت بالا نسبت به dv/dt ، تلاش اندک، زمان سریع واکنش، و سازگاری با پروسه ادغام جهت اطمینان از عملکرد بالای سنسورهای جریان مورد نیاز می باشند.
متداول ترین شیوه مشاهده جریان درج یک مقاومت سنسور در جریانات برونداد بالا می باشد. گزینه های دیگر سنجش صحیح و کم اتلاف در این پایان نامه مطرح گردیده اند.
-1-1 تکنیک حسگر جریان با استفاده از مقاومت داخلی یک القاگر و فیلتر
طرز فکر اولیه این تکنیک از مشاهده جریان مبنی بر مقاومت با استفاده از مقاومت سنسور خارجی نشأت یافته است. در فرکانس های بالاتر، اندوکتانس مقاومت Rsense معادل پارازیت آشکار می گردد. بنابراین، برای خنثی سازی اندوکتانس پارازیتی ضرورت دارد. مدار مشابه با Rsense در این مورد در شکل1 نشان داده شده است
شکل :1 مدار مشابه با Rsense
در فرکانس های پائینتر، ولتاژ Vsense متناسب با جریان Isense است. در فرکانس های بالاتر، تقویت k به دلیل اندوکتانس پارازیتی افزایش میابد. یک صافی پائین گذر مناسب، که می تواند فعال یا انفعالی باشد، جهت جبران تقویت k لازم می باشد. در صورت استفاده از یک صافی پائین گذر CfRf، ولتاژ از صافی VCf عبور میکند که با معادله 2 نشان داده شده است.
همانطور که در بخش قبل اشاره شد، القاگر مارپیچی دارای DCR یا مقاومت داخلی Rl می باشد. استفاده از DCR القاگر L به عنوان Rsense و خود القاگر L به عنوان القاگر پارازیتی در مورد بالا امکانپذیر می باشد. بنابراین، در تکنیک حسگر جریان موجود در صافی از مقاومت Rl القاگر L و صافی انفعالی Cf Rfنشان داده شده در شکل2، جهت حسگر صحیح جریان استفاده می شود. مجموع امپدانس صافی R f Cf شبیه به مجموع امپدانس L و RL است. این تکنیک در حال حاضر به دلیل صحت، کاهش اتلاف، و باند گسترده بالا مناسب است. مزیتهای دیگر این تکنیک شامل: سنجش مداوم جریان، هزینه پائین، ذخیره فضای PCB، و بهبود کارائی برق میشوند.
شکل :2 تکنیک حسگر جریان موجود در صافی
این تکنیک سیگنال جریان IL را با خازن حسگر Cf ولتاژ - Vcf - تشخیص می دهد.
ولتاژ Vcf با معادله زیر نشان داده شده است:
صافی موازی R f Cf به شیوه ای طراحی شده که 4 و 5 به شرح ذیل ایجاد شده اند:
صافی پائین گذر ثابت زمانی است. ایجاد - 4 - بسیار دشوار است. اما، ایجاد - 5 - ساده است چون گزینی فرکانس معمولا جهت چند هزار کیلوهرتز و مقاومت RL در میلی اهم mili-ohms می باشد.
در صورت ایجاد - 4 - و - 5 - ، القاگر جریان IL با معادله زیر نشان داده شده است:
شکل3 واکنش ولتاژ VCf و VRL در هنگامی که ثابت زمانی L و C مطابقت داشته باشند را نشان میدهد.
شکل :3 ولتاژ VCf و VRL در صورت C L
امکان عدم مطابقت ثابت های زمانی وجود خواهد داشت؛ یک زمان ثابت می تواند بیشتر یا کمتر از زمانهای دیگر به دلیل تلرانس اجزاء، تابعیت حرارتی RL و تغییر در القاگر به دلیل پیشقدر جریان dc باشد. شکل 4 واکنش ولتاژ VCf در وضعیت ثابت را نشان می دهد. هنگامی که سوئیچ s روشن است، جریان IL به نسبت - - L - - Vin Viut افزایش مییابد و خازن Cf شارژ می شود.
هنگامی که دیود چرخش آزاد روشن است و کلید s خاموش است جریان IL به میزان Vout L کاهش مییابد و خازن Cf تخلیه می شود. از طریق نسبت های شارژ و تخلیه، یافتن انحراف ولتاژ VCf امکانپذیر میگردد.
شکل :4 ولتاژ VCf در وضعیت ثابت
در صورتی که ثابت های زمانی L و C مطابقت نداشته باشند، مواجی ولتاژ مضاعف VCf بزرگتر یا کوچکتر از مواجی ولتاژ مضاعف در بین مقاومت RL ایجاد شده توسط جزء ac جریان IL میگردد. این مورد نسبت محل تلاقی ولتاژ VCf شکل4 را تغییر میدهد.
-2-1 صافی موجود در حسگر جریان با خنثی کردن حرارت
یک خطا در حسگر جریان موجود در صافی به دلیل تابعیت حرارت مقاومت RL مشاهده گردید. جهت کمینه سازی این خطا، مقاومت RCf در خازن Cf جهت خنثی کردن حرارت اضافه شده است، که بر طبق شکل 5 می باشد. RCf ترکیب مقاومت های Rg ، Re و RNTC است و RNCT دمای منفی ضریب-مشترک مقاوم است
مقاومت RCf نیز جهت کاهش تدریجی جریان تشخیص داده شده قابل استفاده می باشد.
شکل :5 صافی موجود در حسگر جریان با دمای شبکه خنثی شده
افزودن مقاومت RCf به مدار ثابت زمانی صافی را تغییر میدهد. ثابت زمانی صافی جدید با معادله زیر نشان داده شده است:
در صورت اضافه شدن RCf به مدار و تطبیق ثابت های زمانی L و C ، ولتاژ VCf با معادله - 8 - نشان داده شده است.
ولتاژ DC روی خازن صافی با ضریب - Rf RCf - RCf با وجود مقاومت RCf نشان داده شده در شکل6 تغییر سطح داده است.
شکل :6 ولتاژ VCf و VRL ، در صورت L C می باشد، و مقاومت RCf به مدار اضافه شده است
-3-1 صافی موجود در حسگر جریان با RL صحیح
در صورت استفاده از تکنیک حسگر جریان موجود در صافی جهت محافظت از جریان بیشتر، و ثابت زمانی L، که بزرگتر از ثابت زمانی C باشد، مدار محافظت از جریان بیشتر در کمتر از جریان مطلوب قابل حرکت میباشد. هنگامی که ثابت زمان کمتر از ثابت زمان باشد، واکنش مخالف وجود دارد. این مورد به دلیل واقعیت عدم صحت مقدار RL می باشد؛ که بزرگتر از مقدار مورد نظر است. به منظور بررسی تردید پارامتر RL؛ یک مدار حسگر جریان اصلاح شده جهت محافظت از جریان بیشتر در شکل 7 نشان داده شده است. طراحی مراحل این تکنیک در زیر ارائه گردیده است :
در صورتی که V1 ولتاژ در حال حرکت باشد، I1 جریان در حال حرکت است، جریان با معادله زیر نشان داده شده است:
به منظور دستیابی به مقدار فعلی RL، مقاومت سنسور مورد نظر Rsense به شرح ذیل قابل محاسبه است
