257061）
摘要：隨著不同工藝場合對現(xiàn)代通用變頻器能需求的不斷提，其和保護(hù)電路對反饋信號的要求也越來越。LEM傳感器具有測量頻率范圍寬、反應(yīng)速度快、度和線度等特點。本文介紹了LEM傳感器原理、特及其在通用變頻器及保護(hù)中的應(yīng)用，給出了由LEM傳感器組成的幾種與保護(hù)電路。這些與保護(hù)電路可直接用于變頻器的設(shè)計和實現(xiàn)，使用效果良好。
關(guān)鍵詞：LEM傳感器 變頻器 與保護(hù)
1 引言
在通用變頻器中，電路的主要作用是將變頻器和電動機(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信號或保護(hù)信號，以達(dá)到變頻器輸出和保護(hù)變頻器及電動機(jī)的目的。用于采集反饋信號的傳感器能和程度，很大程度上決定了系統(tǒng)的品質(zhì)，測量的提將可能提整個系統(tǒng)的能。因此，信號的傳感器是變頻調(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”。
隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷進(jìn)步，不同場合對通用變頻器的能要求有所不同，但均體現(xiàn)出了化的趨勢。如的矢量變頻器具有強(qiáng)的功能，能實現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)，而它的實現(xiàn)依賴于變頻器各電路中的傳感器的能。傳統(tǒng)傳感器在某些場合下已無法勝任，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，既有普通互感器測量范圍寬的特點，又有電子電路反應(yīng)速度快的優(yōu)點，它在通用變頻器與保護(hù)電路中的應(yīng)用提調(diào)速系統(tǒng)的能及。
2 LEM傳感器的工作原理及特
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，既發(fā)揮了普通互感器測量范圍寬的優(yōu)勢，又利用了電子電路反應(yīng)速度快的長處，可以對直流、交流、脈動電流進(jìn)行測量。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平衡式的，即通過次線圈的電流所產(chǎn)生的磁場補(bǔ)償被測電流所產(chǎn)生的磁場，使霍爾器件始終處于零磁通的工作狀態(tài)。其具體工作過程為：當(dāng)被測回路有電流（ip）流過時，在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生個強(qiáng)磁場，這磁場被聚磁環(huán)聚集，并作用于霍爾器件輸出信號，這信號經(jīng)放大器放大并輸入到功率放大器中，這時相應(yīng)的功率管的導(dǎo)通壓降改變，從而獲得個補(bǔ)償電流（is），流經(jīng)多匝導(dǎo)線產(chǎn)生磁場（Hs），由于其與被測電流所產(chǎn)生的磁場（Hp）方向相反而使霍爾器件輸出的信號逐漸減小，zui后當(dāng)is所產(chǎn)生的磁場與ip所產(chǎn)生的磁場相等時，is不再增加，這時霍爾器件就達(dá)到了零磁通。上述平衡過程是在短的時間內(nèi)完成的，是個動態(tài)平衡過程，即被測電流變化都會破壞這平衡磁場，而旦磁場失去平衡，霍爾器件就會有信號輸出，經(jīng)放大器放大后，立即有相應(yīng)的電流流過次線圈進(jìn)行補(bǔ)償，因此，從宏觀上看，次補(bǔ)償電流的安匝數(shù)在時間都與主電流的安匝數(shù)樣。在實際應(yīng)用中，可通過測量電阻Rm（通常為外接）上的電壓間接求出被測電流的大小。
圖2 LEM電壓傳感器原理圖
由以上工作原理可知LEM電流傳感器實質(zhì)是個“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和優(yōu)勢。它有良好的輸入輸出間電，原電路與次電路之間的絕緣電壓般為2～12kV（特殊要求下可達(dá)20～50kV），可以地保護(hù)副邊的測量設(shè)備和人身。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)的波形電流，響應(yīng)速度快（小于1ms）。跟蹤速度di/dt于50A/ms，而普通互感器響應(yīng)時間為10～20ms，不能系統(tǒng)對諧波進(jìn)行實時并補(bǔ)償?shù)囊?。因為是補(bǔ)償式測量，所以具有很的度和線度。測量優(yōu)于1%原額定電流，其線度優(yōu)于0.1 %。另外，由于傳感器磁路幾乎是零磁通工作，動態(tài)變化時又是補(bǔ)償，所以傳感器是無電感器件。它的過載能力強(qiáng)，當(dāng)原邊電流負(fù)荷時，模塊達(dá)到飽和，可自動保護(hù)。LEM電流傳感器著這些特已經(jīng)使其已成為電流的主力。
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，用電壓傳感器測量電壓時，應(yīng)在傳感器原邊回路上串聯(lián)外部電阻（R0）。所串聯(lián)的外部電阻的大小是由用戶根據(jù)原邊電流與被測電壓成的比值來確定的，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、線度好、低溫漂、抗外界干擾能力強(qiáng)、共模抑制比、反應(yīng)速度快、頻帶寬等特點。
3 LEM傳感器在通用變頻器與保護(hù)中的應(yīng)用
在通用變頻器中，電路把變頻器和電動機(jī)的工作狀態(tài)反饋至微處理器以變頻器輸出，而保護(hù)電路則是變頻器可靠運行的“生命線”，其主要作用是信號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)是完成瞬時過電流、對地短路、過電壓、欠電壓、變頻器過載、散熱片過熱、電路異常等多種保護(hù)。下面介紹LEM傳感器在變頻器與保護(hù)中的應(yīng)用。
圖3 通用變頻器用電流及過流保護(hù)電路
3.1電流過流保護(hù)電路
變頻器電流信號可以用于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流以及過流保護(hù)。其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)動的負(fù)載―電動機(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)運動，電機(jī)啟動帶來的電氣和機(jī)械沖擊問題歷來是工程師們關(guān)注的焦點，無論是電氣絕緣破損還是機(jī)械故障都可能使變頻器因過電流而損壞，過電流故障從來就是變頻器zui常見的故障，也是損壞變頻器zui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)加速過快、開關(guān)器件失效、干擾造成的誤導(dǎo)通等都能導(dǎo)致變頻器過電流。
過流保護(hù)zui簡單的方法是熔斷器保護(hù)法，但這種保護(hù)動作慢，不能實現(xiàn)保護(hù)，尤其是不能直接保護(hù)IGBT、MOSFET等熔通達(dá)時間小的器件。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、過流處理和封鎖開關(guān)管脈沖等幾個部分。
圖3給出了變頻器的電流及過流保護(hù)電路。其工作原理為：U、V兩相電流信號來自輸出端的LEM電流傳感器，經(jīng)運放A6和A5放大后送入二運放A8和A7。這兩相電流通過A9疊加獲得W相電流信號，然后獲取的三相電流信息送器實現(xiàn)調(diào)速策略。每相電流輸出到兩個比較器，比較器正反相輸入端的參考電壓分別為+10V和-10V。當(dāng)三相電流正常時其對應(yīng)的電壓在±10V之間，六個比較器相與后輸出為1，此信號經(jīng)三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輸出信號也應(yīng)為0，保護(hù)電路不動作。旦過流，比較器相與后輸出信號為0，D4528 的輸入信號（5腳）為1，其輸出經(jīng)單穩(wěn)延時后才變?yōu)?，通過三管VT2放大后去關(guān)閉IGBT的驅(qū)動信號并通知CPU發(fā)出過電流信號。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用是避免些干擾信號或瞬間電流造成的保護(hù)電路誤動作，變頻器正常工作。
3.2電壓與保護(hù)電路
通用變頻器中的電壓環(huán)節(jié)主要有直流側(cè)電壓和輸出側(cè)電壓。盡管我們經(jīng)常假設(shè)變頻器直流側(cè)電壓是不變的，但事實上它直是波動的。交流電網(wǎng)電壓的波動、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引起直流電壓變化。實際上，無論是對主電路器件及電動機(jī)的保護(hù)，還是對直流側(cè)和交流輸出電壓的計量和顯示，乃至策略的實施都經(jīng)常需要直流電壓的瞬時值或值。例如近年來人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)能*的矢量對直流側(cè)電壓和負(fù)載的擾動十分靈敏，當(dāng)裝置運行在弱磁條件下時，直流側(cè)電壓的降低可能導(dǎo)致電流失控和失去磁場的方位，幾乎的解決方案都需要精密直流電壓，因此合理設(shè)計直流電壓電路是重要。變頻器直流側(cè)電壓的可采用電阻分壓、電壓互感器、線光耦等，若選用LEM電壓傳感器則能進(jìn)步提品質(zhì)。
圖4 直流電壓與保護(hù)電路
通用變頻器直流電壓及保護(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信號（其接線圖見圖5），輸出信號經(jīng)放大處理后分別送至四個比較器A1~A4的正相輸入端與四個參考電壓A、B、C、D比較，以完成過壓和欠壓保護(hù)并通知CPU發(fā)出相應(yīng)的信號。
比較器參考電壓取自電阻R51~R57組成的分壓器，10V電壓經(jīng)電阻分壓后取出四個不同的參考電壓分別送至四個比較器的反相輸入端，比較器的輸出信號經(jīng)光耦、阻容濾波之后再經(jīng)施密特反向器關(guān)閉IGBT，同時送CPU進(jìn)行處理。
圖5 LEM電壓傳感器接線圖
正常狀態(tài)下，電壓取樣值處于B點和C點的電位之間，比較器A1、A2輸出0，A3、A4輸出1。經(jīng)過、濾波、反向處理，zui終的輸出在圖中由上到下為0011，這是正常工作信號。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，變頻器正常工作。旦交流電源電壓于460V，電壓取樣隨即于B點電壓，位于A、B電位之間，A1輸出0，A2、A3、A4輸出1，電路輸出過壓信號0111；而當(dāng)電源電壓降至300V以下，電壓取樣立即低于C點電壓，處于C、D電位之間，A1、A2、A3輸出0，A4輸出1，此時電路輸出欠壓信號0001。這樣，變頻器便發(fā)出過壓或欠壓預(yù)信號，并按預(yù)定的順序關(guān)機(jī)。
變頻器輸出交流電壓的與也是很重要，特別是目前引起人們關(guān)注的無速度傳感器矢量算法，要求必須測量輸出電壓。限于篇幅所限，不再詳細(xì)給出。
4．結(jié)束語
通用變頻器的與保護(hù)電路直接關(guān)系到系統(tǒng)運行的、可靠和，是變頻器*的組成部分。其中，傳感器的選擇是很重要的個環(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，并給出了其在通用變頻器及保護(hù)中的應(yīng)用。實踐證明，LEM傳感器在、響應(yīng)速度、等方面具有的優(yōu)點是普通傳感器的。論文給出的電路可直接用于變頻器的設(shè)計和實現(xiàn)，有較好的實用價值。
實際上，凡是需要直流、交流、脈動電流、電壓及其用這些測量值進(jìn)行的系統(tǒng)，均可采用LEM傳感器，因此，LEM電流傳感器在電源、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。
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