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LEM傳感器在電梯變頻器中的應用
萊姆電子（中國）有限公司

　　摘要：本文介紹了一個變頻器設置傳感器的方案，分析了設置傳感器的類型、位置、目的和需求，并提供了相應傳感器的類型和參數。最后給出了傳感器的信號接收回路的簡圖。
　　關鍵詞：電流傳感器電壓傳感器 PWM變頻器

引言
　　電梯行業是一個自上世紀90年代就開始飛速發展的行業。二十年以來，電梯技術更迭迅速，客戶對電梯的裝潢、舒適性、價格、環境保護等方面提出了越來越高越來越多樣化的要求，整個電梯產業正向著系統越來越穩定、運行越來越平穩、成本越來越低廉、控制越來越精確的方向發展。隨著電力電子技術的迅猛發展，PWM變頻器在電梯中應用越來越廣泛。為確保電梯的安全性和舒適性，PWM變頻器的保護和運行狀態監測顯得尤為重要。由于電梯可能被安裝在世界各地，各個地方的環境各不相同，在不同環境下讓PWM變頻器能良好運行成為PWM變頻器設計時考慮的重要方面，因此對變頻器的電壓電流等物理量進行實時監測也成為電梯變頻器設計時必須考慮的一點。以下介紹一個變頻器為保護和精確控制設置而選擇傳感器的方案，這是一個試驗方案，到目前為止運行良好。
PWM變頻器檢測點具體分析和設置
我們設計的PWM變頻器其拓撲如下圖所示：

　　　　　　　　　　　　　　　圖一變頻器系統拓撲

　　為保護IGBT模塊，系統需要在主回路直流側檢測流入IGBT的電流，當某一相出現過流或短路時，控制回路能夠在足夠短的時間內關閉IGBT模塊，以防止模塊燒毀或爆炸。同時為了保護電容系統需要檢測主回路直流側的電容，當電壓出現異常時能夠通知控制系統關閉逆變器以檢查問題。同時系統需要檢測輸入電動機的電流用于控制電機。通常情況下由于三相平衡，電機電流檢測只需要檢測兩相，另一相電流由計算得出。
　　因此在這個變頻器中一共需要三個電流傳感器，圖一中三個橢圓環表示檢測位置。其檢測點A用于保護電容和IGBT模塊，檢測點B和C是為精確控制電機而設置的。
　　根據控制程序和控制電路的設定，A點的電壓被控制在一定的范圍之內。當電動機處于電動狀態時，電壓會降低；而當電動機處于再生狀態時，A點的電壓將上升。如果A點的電壓達到某一限定值，控制電路將IGBT 7開通，將電能釋放到再生電阻上，如果再生電阻的上消耗的功率能夠滿足設計要求，此時的A點的電壓將回落，回落至一定的電壓后控制電路將IGBT 7關閉。
　　由上可知檢測點A的電壓是一個直流脈動電壓。檢測A點電壓有如下兩個目的：
　�。�1）檢測主回路電容是否存在異常。
　　主回路電容可能會因為設計失誤電容容量不足或者長期運行導致電容容量下降，而電容容量下降到一定程度時可能會影響變頻器正常運行，因此檢測電容是否正常十分重要。電容容量過小會使主回路直流側的電壓在電容充電過程中上升得非常快，控制電路在檢測A點電壓過程中就可以大致判斷電容容量是否正常，如果不正常就停止變頻器運行。
　�。�2）主回路電壓異常升高時保護主回路電容和IGBT模塊
主回路電壓出現異常大致有以下兩種情況：
　�、買GBT 7出現異常，無法正常開通或關斷IGBT，或者由于再生電阻的接線錯誤無法及時釋放電動機再生運行時產生的能量，致使主回路的電壓異常升高。
　�、谧冾l器輸入電源電壓出現異常升高。
變頻器輸入電源電壓升高也會導致主回路直流側電壓升高，控制回路在接受到異常的電壓信號以后可以及時地關斷變頻器。
　　根據以上的目的我們可以對該點的電壓傳感器提出以下的要求
　　（1）高精度。
通常AC 380V輸入的逆變器在直流側的工作電壓會被設定到500V至700V之間。而主回路直流側電壓波動直接影響電容發熱和壽命，10V和20V的電壓波動會給電容壽命帶來很大的差別。而該電壓傳感器直接控制電容上的紋波電壓，因此傳感器需要很高的精度。
　�。�2）高速度
電壓異常升高時升高的速度可能非�？欤虼诵枰粋€足夠快的傳感器及時把電壓信息傳遞給控制電路。
　�。�3）低溫度漂移。
電梯可能被安裝在世界各地，工作環境大不相同，因此傳感器應在不同的工作溫度情況下都能提供較高的精度。
　　（4）允許在較高的溫度下正常運行
　　逆變器是一個發熱量較高的部件。出于安裝和制造方便，該傳感器會被安裝在離IGBT模塊、電容、散熱器很近的溫度較高的部位，當外界環境溫度在40℃以上時溫度會更高，傳感器應能在這樣惡劣的環境下正常工作。

　　通常情況下在A點檢測電流也是必須的。設置在A點的電流傳感器用于實時檢測主回路直流側的電流，當后端短路時（電動運行時監測流入IGBT模塊的電流，再生運行時檢測流入再生電阻的電流）該傳感器應該能及時地把電流信號傳送給控制電路。
　　因為設計原因（比如死區時間設置得不夠長）或者一些外部因素（比如說天氣惡劣導致結露）使上下橋臂出現瞬時短路時，在A點會出現一個很大的電流，這個電流經過IGBT模塊會導致模塊急劇發熱而損壞模塊甚至爆炸。因此在A點的電流傳感器需要能夠及時響應母線上的電流變化，以供控制電路及時關斷模塊
　　因此我們可以對該點的電流傳感器提出以下的要求
　　（1）較高精度
　　為避免IGBT在系統出現問題時因傳感器的誤差而無法及時保護，或者系統在正常運行時因傳感器的誤差使得保護電路誤動作，A點電流互感器需要有較高的精度。
　�。�2）高速度
　　當IGBT出現過流時，傳感器是否能快速響應該電流并及時把信號傳送給控制電路成為保護IGBT模塊不受損害的關鍵。一個高速的傳感器可以避免成為保護系統的速度瓶頸。
　�。�3）低溫度漂移
　　（4）允許在較高的溫度下正常運行

　　設置在B點和C點的電流傳感器用于精確控制電動機。傳感器給出的電流值送入電機閉環控制系統，用來檢測當前電機的運行狀況，同時控制系統根據該電流值對系統進行修正，以更好的控制電機。這兩個傳感器在安裝位置上可以遠離IGBT等發熱量較大的部件。這樣我們可以對該傳感器提出以下要求：
　　（1）較高精度，較高速度
要精確控制電動機，電流的反饋信號應該足夠準確，速度也應該足夠快，至少能讓控制系統采樣時能夠得到足夠的采樣信號。
　�。�2）低溫度漂移

　　根據以上要求，選擇A點的電壓傳感器為LEM的CV3-1000。該電壓傳感器具有原副邊的屏蔽層，能大大降低IGBT逆變器高速開關信號所產生的干擾。CV3-1000采用±15V雙電源供電，輸出-10~10V，可測量1000V電壓，測量電壓頻率可達500kHz（1000V時），25℃時的誤差為±0.2%（1000V），溫度漂移被控制在5mV，允許工作溫度為-40℃~85℃，完全符合電梯變頻器的使用要求。使用CV3-1000傳感器的后續電路就十分簡單（如圖二所示）。其中REF1為IGBT 7開通時的參考電壓，REF2為IGBT 7關斷時的參考電壓，REFC用于檢測電容容量是否足夠。
　　為了能夠檢測電容容量，我們給電容提供了一個充電回路，在變頻器尚未開始工作時就以一定的電流給電容充電，同時檢測電容的電壓，如果電壓升高過快則由控制系統輸出錯誤信號。

　　　　　　　　　　　　　圖二 A點電壓傳感器后續電路簡圖

　　A點的電流傳感器的選擇根變頻器的IGBT模塊選擇有關。如果我們選擇100A的IGBT模塊，可以把過流設置在100A至120A之間。根據要求選擇LEM LA 200-P電流傳感器。該傳感器可以測量200A的電流，采用±15V雙電源供電，測量200A電流時輸出100mA的電流，25℃時的誤差為±0.4%，撿測90A電流的時候其響應速度被控制在了1μs之內，如果控制回路響應速度足夠快就能夠避免IGBT模塊因長時過流而燒毀。該傳感器需在印刷電路板安裝，可工作于-40~85℃的環境。LA 200-P是閉環電流傳感器，和開環傳感器相比有精度高、響應時間短、溫度漂移低，線性度好等優點，其缺點是成本較高。使用LA 200-P傳感器的后續電路簡圖如圖三所示。其中REF3為主回路過流時的參考電壓。

　　　　　　　　　　　　圖三 A點電流傳感器后續電路簡圖

　　設置在B點和C點的電流傳感器的選擇需要根據電動機的電流大小，并且需要考慮電機啟動或者發生異常時出現大電流時可以正常檢測，不至于傳感器飽和。上面的100A逆變器可以選用LEM HAS 100-S電流傳感器。該傳感器使用±15V雙電源供電，可以測量100A電流，電流100A時輸出4V電壓，25℃時的誤差為±1%，響應時間在3μs以內。，可用于-10~80℃的環境。HAS 100-S是一個開環傳感器，體積小重量輕成本較低，精度基本能滿足使用需求。后續電電路如圖四所示。

　　　　　　　　　　圖四 B、C點的電流傳感器后續電路簡圖

　　本方案選用的傳感器均為LEM公司的產品。該公司在傳感器行業遙遙領先，幾乎處于一個半壟斷的地位。LEM公司為全世界傳感器市場提供了各種各樣的傳感器，被廣泛應用于電力電子、機器人、電梯、醫療等行業，相比其他傳感器公司的產品有技術領先成本低廉種類多樣等優勢。這是我們在本方案中選擇LEM傳感器的原因。目前本方案仍處于開發階段。由于安裝位置的不同，設置在A點的兩個傳感器工作溫度大致在30~80℃之間，而設置在B、C點的傳感器工作溫度在10~60℃之間，從試驗的情況來看各個傳感器工作良好，為系統可靠而良好運行提供了快速準確的電壓電流信息。

參考文獻
[1] 吳金宏、倪向陽、吳昊，霍爾電流電壓傳感器/變送器模塊的性能及應用，國外電子元器件，2001 No.01

作者簡介
孔喆，上海三菱電梯有限公司助理工程師，從事電梯電氣系統開發。通信方式：上海三菱電梯有限公司產品開發二部電氣科郵編200245 電話(021)64303030-3206。Email: kongzhe@smec-cn.com

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