Application of LEM Sensors In an Inverter
上海新時達電氣有限公司   成愛軍 201802

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

 關(guān)鍵詞：電流傳感器  PWM變頻器

      能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎，對于社會、經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價格的影響，中國能源利用效率比發(fā)達國家低很多。特別是作為能源消耗大戶之一的電機在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國電機的總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的80%。我國各類在用電機中，80%以上為0.55-220kW以下的中小型異步電動機。我國在用電機拖動系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當于發(fā)達國家50年代水平。因此，在國家“十一五”計劃中，電機系統(tǒng)節(jié)能方面的投入將高達500億元左右，所以變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場需求。
　　傳感器在變頻器中起作極為重要的作用，它不盡要參與電流的運算，而且是變頻器保護系統(tǒng)中的重要部分，以下介紹一種變頻器電流傳感器的使用方案，已經(jīng)在我公司的iAStar 電梯專用變頻器中應用，并取得了良好的效果。

   我們設計的變頻器其主回路如圖1所示：

 

                                  圖1  變頻器主回路示意圖

 

       圖中三個橢圓環(huán)表示檢測位置，因此在這個變頻器中一共需要三個電流傳感器，分別稱它們?yōu)閁,V,W，是為精確控制電機而設置的。之所以不采用兩個傳感器的方法，是為了對一些特殊的情況而設計的。這些傳感器的主要作用是：檢測變頻器的輸出電流，這些電流用于精確控制電動機。傳感器給出的電流值送入電機閉環(huán)控制系統(tǒng)，用來檢測當前電機的運行狀況，同時控制系統(tǒng)根據(jù)該電流值對系統(tǒng)進行修正，以更好的控制電機。

     當系統(tǒng)檢測到任意一個傳感器的電流超出設定范圍時，這種情況通常是電機過載或輸出短路造成的，這時候三個電流電流傳感器的電流值相加往往不為零，所以我們使用了三個傳感器。出現(xiàn)電流異常時，變頻器的控制回路馬上停止PWM波的輸出，關(guān)斷IGBT，從而保護IGBT和電機不受損壞。

這三個傳感器在安裝位置上可以遠離IGBT等發(fā)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）高精度

  要精確控制電動機，電流的反饋信號應該足夠準確。

（2）高速度

  速度也應該足夠快，至少能讓控制系統(tǒng)采樣時能夠得到足夠的采樣信號。

（3）低溫度漂移。

 電梯可能被安裝在世界各地，工作環(huán)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(fā)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(huán)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(huán)境下正常工作。

      和開環(huán)傳感器相比，閉環(huán)電流傳感器有精度高、響應時間短、溫度漂移低、線性度好等優(yōu)點，其缺點是成本較高。為提高控制精度，我們采用的電流傳感器均為閉環(huán)電流傳感器。電流傳感器的選擇跟變頻器的IGBT模塊選擇有關(guān)。假設我們選擇100A的IGBT模塊，可以把過流設置在100A至120A之間。根據(jù)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(nèi)，如果控制回路響應速度足夠快就能夠避免IGBT模塊因長時間過流而燒毀。該傳感器需在印刷電路板安裝，可工作于-40~85℃的環(huán)境。LA 200-P是閉環(huán)電流傳感器，其輸出是電流，且輸出有正有負，不能被控制芯片DSP識別，故采用如下的電路，其原理圖如圖2所示：

圖2  電流傳感器的應用電路

      先將電流變換成電壓信號，后跟一個跟隨器使輸出電壓不隨負載的變化而改變，再使用絕對值電路將正負電壓變成DSP的識別電壓（0~3.3V），最后將得到的信號送到DSP。

正常時DSP的信號在0~1.5V之間，當不正常時，DSP的輸入信號有可能達到3V或以上，這時DSP就關(guān)斷IGBT輸出信號，保護IGBT和負載。

    本方案選用的傳感器均為LEM公司的產(chǎn)品。該公司在傳感器行業(yè)遙遙領(lǐng)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(yī)療等行業(yè)，相比其他傳感器公司的產(chǎn)品有技術(shù)領(lǐng)先成本低廉種類多樣等優(yōu)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(fā)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(tǒng)可靠而良好運行提供了快速準確的電壓電流信息。

[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

成愛軍，上海新時達電氣有限公司工程師，從事變頻器系統(tǒng)開發(fā)。通信方式：上海新時達電氣有限公司研發(fā)二部 郵編201802 電話(021)39127564。Email: c_a_j@tom.com。