Application of LEM Sensors In an Inverter
上海新時(shí)達(dá)電氣有限公司   成愛(ài)軍 201802

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

 關(guān)鍵詞：電流傳感器  PWM變頻器

      能源工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)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(jià)格的影響，中國(guó)能源利用效率比發(fā)達(dá)國(guó)家低很多。特別是作為能源消耗大戶之一的電機(jī)在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國(guó)電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)6000億千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的80%。我國(guó)各類(lèi)在用電機(jī)中，80%以上為0.55-220kW以下的中小型異步電動(dòng)機(jī)。我國(guó)在用電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家50年代水平。因此，在國(guó)家“十一五”計(jì)劃中，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方面的投入將高達(dá)500億元左右，所以變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)將有非常巨大的市場(chǎng)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(yùn)算，而且是變頻器保護(hù)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(yīng)用，并取得了良好的效果。

   我們?cè)O(shè)計(jì)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(gè)橢圓環(huán)表示檢測(cè)位置，因此在這個(gè)變頻器中一共需要三個(gè)電流傳感器，分別稱它們?yōu)閁,V,W，是為精確控制電機(jī)而設(shè)置的。之所以不采用兩個(gè)傳感器的方法，是為了對(duì)一些特殊的情況而設(shè)計(jì)的。這些傳感器的主要作用是：檢測(cè)變頻器的輸出電流，這些電流用于精確控制電動(dòng)機(jī)。傳感器給出的電流值送入電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，用來(lái)檢測(cè)當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)行狀況，同時(shí)控制系統(tǒng)根據(jù)該電流值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修正，以更好的控制電機(jī)。

     當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到任意一個(gè)傳感器的電流超出設(shè)定范圍時(shí)，這種情況通常是電機(jī)過(guò)載或輸出短路造成的，這時(shí)候三個(gè)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(gè)傳感器。出現(xiàn)電流異常時(shí)，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(hù)IGBT和電機(jī)不受損壞。

這三個(gè)傳感器在安裝位置上可以遠(yuǎn)離IGBT等發(fā)熱量較大的部件。這樣我們可以對(duì)該傳感器提出以下要求：

（1）高精度

  要精確控制電動(dòng)機(jī)，電流的反饋信號(hào)應(yīng)該足夠準(zhǔn)確。

（2）高速度

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

（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(yīng)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(yùn)行

  逆變器是一個(gè)發(fā)熱量較高的部件。出于安裝和制造方便，該傳感器會(huì)被安裝在離IGBT模塊、電容、散熱器很近的溫度較高的部位，當(dāng)外界環(huán)境溫度在40℃以上時(shí)溫度會(huì)更高，傳感器應(yīng)能在這樣惡劣的環(huán)境下正常工作。

      和開(kāi)環(huán)傳感器相比，閉環(huán)電流傳感器有精度高、響應(yīng)時(shí)間短、溫度漂移低、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)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(shè)我們選擇100A的IGBT模塊，可以把過(guò)流設(shè)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(cè)量200A的電流，采用±15V雙電源供電，測(cè)量200A電流時(shí)輸出100mA的電流，25℃時(shí)的誤差為±0.4%，撿測(cè)90A電流的時(shí)候其響應(yīng)速度被控制在了1μs之內(nèi)，如果控制回路響應(yīng)速度足夠快就能夠避免IGBT模塊因長(zhǎng)時(shí)間過(guò)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(fù)，不能被控制芯片DSP識(shí)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(yīng)用電路

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

正常時(shí)DSP的信號(hào)在0~1.5V之間，當(dāng)不正常時(shí)，DSP的輸入信號(hào)有可能達(dá)到3V或以上，這時(shí)DSP就關(guān)斷IGBT輸出信號(hào)，保護(hù)IGBT和負(fù)載。

    本方案選用的傳感器均為L(zhǎng)EM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(gè)半壟斷的地位。LEM公司為全世界傳感器市場(chǎng)提供了各種各樣的傳感器，被廣泛應(yīng)用于電力電子、機(jī)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(lèi)多樣等優(yōu)勢(shì)。這是我們?cè)诒痉桨钢羞x擇LEM傳感器的原因。目前本方案仍處于開(kāi)發(fā)階段。由于安裝位置的不同，設(shè)置在A點(diǎn)的兩個(gè)傳感器工作溫度大致在30~80℃之間，而設(shè)置在B、C點(diǎn)的傳感器工作溫度在10~60℃之間，從試驗(yàn)的情況來(lái)看各個(gè)傳感器工作良好，為系統(tǒng)可靠而良好運(yùn)行提供了快速準(zhǔn)確的電壓電流信息。

[1] 吳金宏、倪向陽(yáng)、吳昊，霍爾電流電壓傳感器/變送器模塊的性能及應(yīng)用，國(guó)外電子元器件，2001 No.01

作者簡(jiǎn)介

成愛(ài)軍，上海新時(shí)達(dá)電氣有限公司工程師，從事變頻器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。通信方式：上海新時(shí)達(dá)電氣有限公司研發(fā)二部 郵編201802 電話(021)39127564。Email: c_a_j@tom.com。