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The Application of LEM Sensor in Detection and Protection Circuit of Inverter
李 珂１ 侯傳晶２ 張承慧１
（１山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 濟(jì)南 250061）
（２中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院 東營(yíng) 257061）
摘要：隨著不同工藝場(chǎng)合對(duì)現(xiàn)代通用變頻器性能需求的不斷提高，其控制和保護(hù)電路對(duì)檢測(cè)反饋信號(hào)的要求也越來(lái)越高。LEM傳感器具有測(cè)量頻率范圍寬、反應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度和線(xiàn)性度高等特點(diǎn)。本文介紹了LEM傳感器原理、特性及其在通用變頻器檢測(cè)及保護(hù)中的應(yīng)用，給出了由LEM傳感器組成的幾種檢測(cè)與保護(hù)電路。這些檢測(cè)與保護(hù)電路可直接用于變頻器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，使用效果良好。
關(guān)鍵詞：LEM傳感器 變頻器 檢測(cè)與保護(hù)
1 引言
在通用變頻器中，檢測(cè)電路的主要作用是將變頻器和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)反饋至微處理器，并由微處理器按照規(guī)定的算法處理后為各部分電路提供控制信號(hào)或保護(hù)信號(hào)，以達(dá)到控制變頻器輸出和保護(hù)變頻器及電動(dòng)機(jī)的目的。用于采集反饋信號(hào)的傳感器性能和精確程度，很大程度上決定了控制系統(tǒng)的品質(zhì)，測(cè)量精度的提高將可能提高整個(gè)系統(tǒng)的控制性能。因此，各種信號(hào)的傳感器是變頻調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分，它相當(dāng)于系統(tǒng)的“眼睛和觸覺(jué)”。
隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷進(jìn)步，不同場(chǎng)合對(duì)通用變頻器的性能要求有所不同，但均體現(xiàn)出了高性能化的趨勢(shì)。如新一代的高性能矢量控制變頻器具有極強(qiáng)的功能，能實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而它的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于變頻器各檢測(cè)電路中的傳感器的性能。傳統(tǒng)傳感器在某些場(chǎng)合下已無(wú)法勝任，LEM傳感器的作用與傳統(tǒng)的電流互感器相同，它將普通互感器與霍爾器件、電子電路有機(jī)結(jié)合起來(lái)，既有普通互感器測(cè)量范圍寬的特點(diǎn)，又有電子電路反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，它在通用變頻器檢測(cè)與保護(hù)電路中的應(yīng)用有助于提高調(diào)速系統(tǒng)的控制性能及可靠性。
2 LEM傳感器的工作原理及特性
2.1 LEM電流傳感器
LEM電流傳感器是利用霍爾效應(yīng)的閉環(huán)電流傳感器，是一種模塊化的有源電子傳感器，它把普通互感器與霍爾器件、電子電路有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，既發(fā)揮了普通互感器測(cè)量范圍寬的優(yōu)勢(shì)，又利用了電子電路反應(yīng)速度快的長(zhǎng)處，可以對(duì)直流、交流、脈動(dòng)電流進(jìn)行測(cè)量。圖1是LEM電流傳感器的原理圖。
圖1 LEM電流傳感器原理圖
LEM模塊的工作原理是磁場(chǎng)平衡式的，即通過(guò)次級(jí)線(xiàn)圈的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使霍爾器件始終處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。其具體工作過(guò)程為：當(dāng)被測(cè)回路有電流（ip）流過(guò)時(shí)，在導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集，并作用于霍爾器件輸出一信號(hào)，這一信號(hào)經(jīng)放大器放大并輸入到功率放大器中，這時(shí)相應(yīng)的功率管的導(dǎo)通壓降改變，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流（is），流經(jīng)多匝導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生一磁場(chǎng)（Hs），由于其與被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)（Hp）方向相反而使霍爾器件輸出的信號(hào)逐漸減小，最后當(dāng)is所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與ip所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，is不再增加，這時(shí)霍爾器件就達(dá)到了零磁通檢測(cè)。上述平衡過(guò)程是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的，是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，即被測(cè)電流任何變化都會(huì)破壞這一平衡磁場(chǎng)，而一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就會(huì)有信號(hào)輸出，經(jīng)放大器放大后，立即有相應(yīng)的電流流過(guò)次級(jí)線(xiàn)圈進(jìn)行補(bǔ)償，因此，從宏觀上看，次級(jí)補(bǔ)償電流的安匝數(shù)在任何時(shí)間都與主電流的安匝數(shù)一樣。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)測(cè)量電阻Rm（通常為外接）上的電壓間接求出被測(cè)電流的大小。
圖2 LEM電壓傳感器原理圖
由以上工作原理可知LEM電流傳感器實(shí)質(zhì)是一個(gè)“電流—磁—電壓”變換器，其作用與傳統(tǒng)的電流互感器基本相同，與普通傳感器相比較，它又具有許多自身的特性和優(yōu)勢(shì)。它有良好的輸入輸出間電隔離，原級(jí)電路與次級(jí)電路之間的絕緣電壓一般為2～12kV（特殊要求下可達(dá)20～50kV），可以有效地保護(hù)副邊的測(cè)量設(shè)備和人身安全。傳感器內(nèi)部采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，可以不失真地傳遞從0Hz（直流）至100kHz頻帶內(nèi)的任何波形電流，響應(yīng)速度快（小于1ms）。跟蹤速度di/dt高于50A/ms，而普通互感器響應(yīng)時(shí)間為10～20ms，不能滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并補(bǔ)償?shù)囊蟆Ｒ驗(yàn)槭茄a(bǔ)償式測(cè)量，所以具有很高的準(zhǔn)確度和線(xiàn)性度。測(cè)量精度優(yōu)于1%原級(jí)額定電流，其線(xiàn)性度優(yōu)于0.1 %。另外，由于傳感器磁路幾乎是零磁通工作，動(dòng)態(tài)變化時(shí)又是快速補(bǔ)償，所以傳感器是無(wú)電感性器件。它的過(guò)載能力強(qiáng)，當(dāng)原邊電流超負(fù)荷時(shí)，模塊達(dá)到飽和，可自動(dòng)保護(hù)。LEM電流傳感器著這些特性已經(jīng)使其已成為電流檢測(cè)的主力。
2.2 LEM電壓傳感器
LEM電壓傳感器工作原理與其電流傳感器相似，也是一種應(yīng)用霍爾原理的閉環(huán)電流傳感器。與應(yīng)用LEM電流傳感器有所不同的是，用電壓傳感器測(cè)量電壓時(shí)，應(yīng)在傳感器原邊回路上串聯(lián)一外部電阻（R0）。所串聯(lián)的外部電阻的大小是由用戶(hù)根據(jù)原邊電流與被測(cè)電壓成一定的比值來(lái)確定的，LEM電壓傳感器的原理如圖2所示，具體工作工程不再贅述。
LEM電壓傳感器具有精度高、線(xiàn)性度好、低溫漂、抗外界干擾能力強(qiáng)、共模抑制比高、反應(yīng)速度快、頻帶寬等特點(diǎn)。
3 LEM傳感器在通用變頻器檢測(cè)與保護(hù)中的應(yīng)用
在通用變頻器中，檢測(cè)電路把變頻器和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)反饋至微處理器以控制變頻器輸出，而保護(hù)電路則是變頻器安全可靠運(yùn)行的“生命線(xiàn)”，其主要作用是檢測(cè)信號(hào)判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)了異常。保護(hù)電路的主要任務(wù)是完成瞬時(shí)過(guò)電流、對(duì)地短路、過(guò)電壓、欠電壓、變頻器過(guò)載、散熱片過(guò)熱、控制電路異常等多種保護(hù)。下面介紹LEM傳感器在變頻器檢測(cè)與保護(hù)中的應(yīng)用。
圖3 通用變頻器用電流檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)電路
3.1電流檢測(cè)過(guò)流保護(hù)電路
變頻器電流檢測(cè)信號(hào)可以用于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流控制以及過(guò)流保護(hù)。其檢測(cè)方法主要有直接串聯(lián)取樣電阻法，電流互感器法等，考慮到控制性能的要求，此處選用基于LEM電流傳感器的方法。變頻器驅(qū)動(dòng)的負(fù)載―電動(dòng)機(jī)不同于其它負(fù)載（如電熱爐、電解、電鍍等），它是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，既有電氣行為又有機(jī)械旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)帶來(lái)的電氣和機(jī)械沖擊問(wèn)題歷來(lái)是工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)，無(wú)論是電氣絕緣破損還是機(jī)械故障都可能使變頻器因過(guò)電流而損壞，過(guò)電流故障從來(lái)就是變頻器最常見(jiàn)的故障，也是損壞變頻器最主要的原因。輸出短路、電機(jī)繞組破損、機(jī)械負(fù)載堵轉(zhuǎn)、電機(jī)加速過(guò)快、開(kāi)關(guān)器件失效、干擾造成的誤導(dǎo)通等都能導(dǎo)致變頻器過(guò)電流。
過(guò)流保護(hù)最簡(jiǎn)單的方法是熔斷器保護(hù)法，但這種保護(hù)動(dòng)作慢，不能實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)，尤其是不能直接保護(hù)IGBT、MOSFET等熔通達(dá)時(shí)間小的高性能器件。因此須配置電子式保護(hù)電路，其結(jié)構(gòu)組成主要包括電流檢測(cè)、過(guò)流處理和封鎖開(kāi)關(guān)管脈沖等幾個(gè)部分。
圖3給出了變頻器的電流檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)電路。其工作原理為：U、V兩相電流檢測(cè)信號(hào)來(lái)自輸出端的LEM電流傳感器，經(jīng)首級(jí)運(yùn)放A6和A5放大后送入二級(jí)運(yùn)放A8和A7。這兩相電流通過(guò)A9疊加獲得W相電流信號(hào)，然后獲取的三相電流信息送控制器實(shí)現(xiàn)調(diào)速策略。每一相電流輸出到兩個(gè)比較器，比較器正反相輸入端的參考電壓分別為+10V和-10V。當(dāng)三相電流正常時(shí)其對(duì)應(yīng)的電壓在±10V之間，六個(gè)比較器相與后輸出為1，此信號(hào)經(jīng)三極管反相后送入由多諧振蕩器D4528組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，-Q輸出為0，比較器A17、A18輸出信號(hào)也應(yīng)為0，保護(hù)電路不動(dòng)作。一旦過(guò)流，比較器相與后輸出信號(hào)為0，D4528 的輸入信號(hào)（5腳）為1，其輸出經(jīng)單穩(wěn)延時(shí)后才變?yōu)?，通過(guò)三極管VT2放大后去關(guān)閉IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并通知CPU發(fā)出過(guò)電流報(bào)警信號(hào)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用是避免一些干擾信號(hào)或瞬間尖峰電流造成的保護(hù)電路誤動(dòng)作，保證變頻器正常工作。
3.2電壓檢測(cè)與保護(hù)電路
通用變頻器中的電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)主要有直流側(cè)電壓檢測(cè)和輸出側(cè)電壓檢測(cè)。盡管我們經(jīng)常假設(shè)變頻器直流側(cè)電壓是不變的，但事實(shí)上它一直是波動(dòng)的。交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、負(fù)載瞬變、整流器功率器件的斷續(xù)導(dǎo)電、或者輸入電源缺相等等都會(huì)引起直流電壓變化。實(shí)際上，無(wú)論是對(duì)主電路器件及電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，還是對(duì)直流側(cè)和交流輸出電壓的計(jì)量和顯示，乃至高性能控制策略的實(shí)施都經(jīng)常需要直流電壓的瞬時(shí)值或有效值。例如近年來(lái)人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)性能優(yōu)越的矢量控制對(duì)直流側(cè)電壓和負(fù)載的擾動(dòng)十分靈敏，當(dāng)裝置運(yùn)行在弱磁條件下時(shí)，直流側(cè)電壓的降低可能導(dǎo)致電流失控和失去磁場(chǎng)的方位，幾乎所有的解決方案都需要精密檢測(cè)直流電壓，因此合理設(shè)計(jì)直流電壓檢測(cè)電路是非常重要。變頻器直流側(cè)電壓的檢測(cè)可采用電阻分壓、電壓互感器、線(xiàn)性光耦等，若選用LEM電壓傳感器則能進(jìn)一步提高控制品質(zhì)。
圖4 直流電壓檢測(cè)與保護(hù)電路
通用變頻器直流電壓檢測(cè)及保護(hù)電路如圖4所示，直流電壓經(jīng)LEM電壓傳感器變?yōu)槿觞c(diǎn)信號(hào)（其接線(xiàn)圖見(jiàn)圖5），輸出信號(hào)經(jīng)放大處理后分別送至四個(gè)比較器A1~A4的正相輸入端與四個(gè)參考電壓A、B、C、D比較，以完成過(guò)壓和欠壓保護(hù)并通知CPU發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。
比較器參考電壓取自電阻R51~R57組成的分壓器，10V標(biāo)準(zhǔn)電壓經(jīng)電阻分壓后取出四個(gè)不同的參考電壓分別送至四個(gè)比較器的反相輸入端，比較器的輸出信號(hào)經(jīng)光耦隔離、阻容濾波之后再經(jīng)施密特反向器關(guān)閉IGBT，同時(shí)送CPU進(jìn)行處理。
圖5 LEM電壓傳感器接線(xiàn)圖
正常狀態(tài)下，電壓取樣值處于B點(diǎn)和C點(diǎn)的電位之間，比較器A1、A2輸出0，A3、A4輸出1。經(jīng)過(guò)隔離、濾波、反向處理，最終的輸出在圖中由上到下為0011，這是正常工作信號(hào)。B、C間的電壓范圍較大，當(dāng)交流電源電壓在300~460V間變化時(shí)，變頻器正常工作。一旦交流電源電壓高于460V，電壓取樣隨即高于B點(diǎn)電壓，位于A、B電位之間，A1輸出0，A2、A3、A4輸出1，電路輸出過(guò)壓信號(hào)0111；而當(dāng)電源電壓降至300V以下，電壓取樣立即低于C點(diǎn)電壓，處于C、D電位之間，A1、A2、A3輸出0，A4輸出1，此時(shí)電路輸出欠壓信號(hào)0001。這樣，變頻器便發(fā)出過(guò)壓或欠壓預(yù)報(bào)警信號(hào)，并按預(yù)定的控制順序關(guān)機(jī)。
變頻器輸出交流電壓的控制與檢測(cè)也是很重要，特別是目前引起人們關(guān)注的無(wú)速度傳感器矢量控制算法，要求必須精確測(cè)量輸出電壓。限于篇幅所限，不再詳細(xì)給出。
4．結(jié)束語(yǔ)
通用變頻器的檢測(cè)與保護(hù)電路直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠和控制精度，是變頻器必不可少的組成部分。其中，傳感器的選擇是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。本文介紹了LEM電流、電壓傳感器的工作原理和主要特性，并給出了其在通用變頻器檢測(cè)及保護(hù)中的應(yīng)用。實(shí)踐證明，LEM傳感器在檢測(cè)精度、響應(yīng)速度、可靠性等方面具有的優(yōu)點(diǎn)是普通傳感器無(wú)與倫比的。論文給出的電路可直接用于變頻器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，有較好的實(shí)用價(jià)值。
實(shí)際上，凡是需要檢測(cè)直流、交流、脈動(dòng)電流、電壓及其用這些測(cè)量值進(jìn)行控制的系統(tǒng)，均可采用LEM傳感器，因此，LEM電流傳感器在各種電源、變頻器、電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等電氣設(shè)備中都具有良好的應(yīng)用前景。
作者簡(jiǎn)介：
李珂，男，1979年生，博士研究生。主要研究興趣是電力電子與電力傳動(dòng)、控制理論與應(yīng)用。
通訊地址：山東大學(xué)南校區(qū)控制學(xué)院 33#信箱
電話(huà)：（0531-88392822-802）
Email：sdunilike@mail.sdu.edu.cn
侯傳晶，男，1980年生，碩士研究生。主要研究興趣是控制理論與應(yīng)用，檢測(cè)技術(shù)。
張承慧，男，1963年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向是智能控制、電力電子技術(shù)、電機(jī)與控制。
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狀 態(tài)：
離線(xiàn)
公司簡(jiǎn)介
產(chǎn)品目錄
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萊姆電子（中國(guó)）有限公司
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