保持列车运行；满足新技术需求

从低速城市交通到高速城际列车，牵引变流器是推进系统的一个关键要素，它将来自动力源（无论是导线架还是柴油发动机）的电力转化为驱动电机的动力。

牵引变流器包括一个整流器（如果与交流电源连接），或一个滤波器（如果直接与直流电网连接），以及一个用于驱动电机的逆变器。直流链路是整流器或直流电网与逆变器之间的连接。为了保证持续的性能，无论负载如何，都需要恒定的直流链路电压。要进行调节，对电压水平进行可靠的测量至关重要。完成这一任务的关键部件是电压传感器。

图 1：牵引驱动系统 

列车需要在恶劣的环境条件下运行，包括极端的温度、干燥度和湿度，这意味着牵引变流器及其组件承受着巨大的压力。此外，电力电子技术的发展在带来显著优势的同时，也意味着更多的限制因素对组件的性能产生了影响。对牵引变流器而言，这一技术革新的主要好处来自于半导体工业，其开关频率更高，有助于显著降低损耗，并使设计更加紧凑。缺点是磁场和共模扰动较大，电压传感器受到这些扰动的影响很大。

用于这些设备的旧技术已不再适用于新的、更苛刻的环境条件，因此，采用 LEM 成熟专利技术的 DVM 传感器是正确的解决方案。它对外部磁场的抗扰度极高，局部放电水平高于最大直流链路电压。DVM 设计紧凑，精度高，温度漂移极低，能够承受高共模 dv/dt 扰动，是直流链路电压测量的最佳选择。

LEM 基于 DVL 技术（2012 年成功推出）设计了一系列新的电压传感器。这就是 DVM 系列电压传感器，其额定电压测量范围从 600 VRMS 到 4200 VRMS（包括 6 个基准 - 图 2），是将电压测量范围扩大到 2000 VRMS 以上的一种方法，这也是 DVL 系列测量的最高额定电压。操作时，它们只需连接到测量电压，无需在一次侧插入额外的电阻器，标准直流电源范围为 ±13.5 V 至 ±26.4 V。

图 2：600 至 4200 VRMS 的 DVM 电压传感器系列 

当初级电压高于零时，传感器的最大消耗电流为 30 mA（最大内部消耗电流），加上输出电流（标称值通常为 50mA），此时设置为电流输出。

DVM 集 LEM 前几代产品的所有优点于一身，并符合所有新的 EMC 要求。该系列产品的设计符合 IRIS 和 ISO 9001 标准，与上一代莱姆产品相比，具有以下 4 项性能： 

• 耗电量低，约为 30 mA
• 频率带宽 12 千赫
• 安全绝缘 12 kV
• 温度精度极高

了解 DVM 系列

从图 3 左侧的初级侧开始（输入电压通常为 ±4.2 kV），第一级是一个分压器，将电源降至几伏，能够承受高 dv/dt，同时具有低热漂移。然后，Σ-Δ调制器将信号从模拟转换为 16 位数字输出。

随后，数字编码器产生一个单一的串行信号，通过一个单一的隔离通道传输数据。随后，放大器将信号馈送至初级变压器，以实现所需的电隔离。

最后，产品绝缘测试电压最高为 12 kV。

因此，变压器需要承受如此高的测试电压，同时还要保证绝缘层的使用寿命。

只有在初级和次级之间施加 5 kV 电压时，确保局部放电小于 10 皮科库仑，才能保证上述性能。DVM 就是为实现这一性能而专门设计的。

在次级侧，比特流通过数字滤波器进行解码和滤波。由于初级信号方波被变压器扭曲，因此在变压器的次级侧使用施密特触发器将其恢复为方波。然后将其送入解码器和数字滤波器，其功能是将数据位流解码为标准的数字值，可用于微控制器内的数模转换器。恢复后的输出信号与初级电压（高压）完全绝缘，是初级电压的精确代表。

通过修改由微控制器编程的增益，传感器可以轻松地适应不同的量程。这不需要改变变压器的设计或外壳中电路板的装配设计。微控制器通过软件消除偏移和调整增益，然后将信号从数字输出转换为模拟输出。微控制器将数据从数字滤波器传输到 12 位 D/A 转换器，传输时间约为 6 μs。然后，模拟输出电压经过滤波，并通过一个具有短路保护功能的电流发生器转换成电流（±75 mA 满量程）。

微控制器还对 DC/DC 转换器进行调节，从而产生内部次级调节电源电压。DVM 用户通常提供 ±24 V 或 ±15 V 直流电压，而直流/直流转换器可为初级侧的Σ-Δ转换器和数字编码器提供 +/- 5 V 和 +/- 3.3 V 的电压。

微控制器右侧的最后一个模块是电压电流转换器，适用于偏好电流输出（额定电压下通常为 50 mA）的客户，以符合电磁兼容性（EMC）规定。阻抗较低的电流输出不易受到外部电磁场的干扰。此外，还提供额定电压为 10 V 的电压输出版本，以及用于单极测量的 4 至 20 mA 输出版本。

图 3：DVM 技术： 绝缘数字技术的工作原理 

DVM 在环境温度下的典型精度为 VPN 的 ±0.5%，在 -40°C 至 85°C 的工作温度范围内，温度漂移非常小，典型精度仅为 VPN 的 ±1%。25°C 时的初始偏移最大为 50μA，在工作温度范围内的最大漂移可能为 ±100μA（典型值）。线性度仅为±0.1%。

DVM 传感器对 VPN 电压阶跃的典型响应时间（定义为 VPN 的 90%）为 48μs（最大 60μs）。由于响应时间快，因此在 -3 dB 时的带宽为 12 kHz。

LEM 设计的新产品与前几代 LEM 电压传感器（LV 100 系列）兼容，性能更优越。其重要特点和功能包括：功能和性能 100% 兼容，精度和温度稳定性更高，从而大大简化了改造工作。

DVM 系列与底座安装占地面积 100% 兼容，但在外形尺寸上略有不同，如主连接和辅助连接位置。由于采用了全新设计，DVM 高度降低了 30%，总体积减少了 25%，重量减轻了 56%！(图 4） 

图 4：DVM 外形与 LV 100 伏特电压对比 

由于在印刷电路和机械设计中采用了高度集中的内部电子设计，因此在缩小尺寸的同时，DVM 对外界干扰或高电压变化的抗扰度并没有降低（图 5）。

图 5：DVM 4000 在 6 kV/us 的 dv/dt 条件下的典型共模行为（施加 4200 V 电压）： 只有 0.5% 的 VPN 产生误差，恢复时间小于 50μs。

在施加 6 kV/us 和 4200 V 电压的共模条件下，使用 DVM 4000 时，VPN 的误差限制在 0.5%，恢复时间小于 50μs，而在相同测试条件下，使用等效的 LV 100-VOLTAGE 时，误差可达 18%，恢复时间为 500μs。

由于 DVM 的寄生电容较低，动态共模的影响几乎被抵消（包括在精度中）（图 5），这是一个重要的特性，因为 IGBT 和 MOSFET SIC 等新技术可在初级和次级之间提供更高的 dv/dt。出于安全考虑，次级通常与地相连。初级是差分电压的测量，但电压可以浮动。初级上的电位变化会在次级上引起扰动，这种扰动无法被滤除，否则会缩短响应时间，因此初级和次级之间的寄生电容必须在传感器设计中尽可能减小到最低。

上一代电压传感器 LV 100-VOLTAGE 型号基于闭环模式下的霍尔效应技术，使用磁路，因此对外部磁场更加敏感，而 DVM 不使用磁路。

DVM 可根据输入电压轻松调整输入隔离器的尺寸，并可根据客户的规格要求调整二次侧的任何连接方式，如连接器、屏蔽电缆、端子（螺纹螺栓、M4、M5、插入式、UNC 等）。

DVM 型号的设计和测试符合牵引和工业应用的最新全球公认标准。铁路应用中的 EN 50155 标准 “机车车辆上使用的电子设备 ”是电气、环境和机械参数的参考标准。它保证了产品在铁路环境中的整体性能。在工业领域，IEC 61800 适用于驱动应用，IEC 62109 适用于太阳能应用，IEC 61010 适用于安全应用。

如前所述，我们对 DVM 的机械设计给予了特别关注，以确保在高电压率下出现低水平的局部放电。消除局部放电的电压（> 5kV）越高越好，因为在正常规定功能期间不会发生放电。局部放电水平定义为 10 pC。

随着电压的升高，产品中通常处于相反电位的两点之间会发生局部破坏性放电。维持放电水平会使产品的绝缘性能随着时间的推移而降低，最终影响产品质量，直至产品失效。这些放电发生在一个称为点燃电压的电平上，通常在降低外加电压（消隐电压）达到 10 皮科库仑时放电消失。通常消隐电压总是低于点燃电压。

为确保产品的长寿命，目标当然是使消隐电压高于正常工作电压率。

当产品被定义为测量 600 至 4200 VRMS 的额定电压时，由于 5 kV 的消隐电压，使用 DVM 可以确保这一点。

为估算故障率，我们进行了加速测试，包括温度循环以及根据标准对产品进行的全面鉴定。由于采用了与数字技术相结合的绝缘变压器这一创新设计，DVM 型号可确保最高 5kV 峰值的高压应用的绝缘和局部放电水平。