Application of LEM Sensors In an Inverter 上海新时达电气有限公司 成爱军 201802 摘要： 本文介绍了一个变频器电流传感器的方案，分析了传感器的类型、位置、目的和需求，并提供了相应传感器的类型和参数。最后给出了传感器的信号接收回路的简图。
关键词： 电流传感器 PWM变频器
引言
能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。特别是作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55-220kW以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。因此，在国家“十一五”计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。
PWM变频器检测点具体分析和设置
我们设计的变频器其主回路如图1所示：
图1 变频器主回路示意图
图中三个椭圆环表示检测位置，因此在这个变频器中一共需要三个电流传感器，分别称它们为U,V,W，是为精确控制电机而设置的。之所以不采用两个传感器的方法，是为了对一些特殊的情况而设计的。这些传感器的主要作用是：检测变频器的输出电流，这些电流用于精确控制电动机。传感器给出的电流值送入电机闭环控制系统，用来检测当前电机的运行状况，同时控制系统根据该电流值对系统进行修正，以更好的控制电机。
当系统检测到任意一个传感器的电流超出设定范围时，这种情况通常是电机过载或输出短路造成的，这时候三个电流电流传感器的电流值相加往往不为零，所以我们使用了三个传感器。出现电流异常时，变频器的控制回路马上停止PWM波的输出，关断IGBT，从而保护IGBT和电机不受损坏。
这三个传感器在安装位置上可以远离IGBT等发热量较大的部件。这样我们可以对该传感器提出以下要求：
（1）高精度
要精确控制电动机，电流的反馈信号应该足够准确。
（2）高速度
速度也应该足够快，至少能让控制系统采样时能够得到足够的采样信号。
（3）低温度漂移。
电梯可能被安装在世界各地，工作环境大不相同，因此传感器应在不同的工作温度情况下都能提供较高的精度。
（4）允许在较高的温度下正常运行
逆变器是一个发热量较高的部件。出于安装和制造方便，该传感器会被安装在离IGBT模块、电容、散热器很近的温度较高的部位，当外界环境温度在40℃以上时温度会更高，传感器应能在这样恶劣的环境下正常工作。
传感器的应用电路
和开环传感器相比，闭环电流传感器有精度高、响应时间短、温度漂移低、线性度好等优点，其缺点是成本较高。为提高控制精度，我们采用的电流传感器均为闭环电流传感器。电流传感器的选择跟变频器的IGBT模块选择有关。假设我们选择100A的IGBT模块，可以把过流设置在100A至120A之间。根据要求选择LEM LA 200-P电流传感器。该传感器可以测量200A的电流，采用±15V双电源供电，测量200A电流时输出100mA的电流，25℃时的误差为±0.4%，捡测90A电流的时候其响应速度被控制在了1μs之内，如果控制回路响应速度足够快就能够避免IGBT模块因长时间过流而烧毁。该传感器需在印刷电路板安装，可工作于-40~85℃的环境。LA 200-P是闭环电流传感器，其输出是电流，且输出有正有负，不能被控制芯片DSP识别，故采用如下的电路，其原理图如图2所示：
图2 电流传感器的应用电路
先将电流变换成电压信号，后跟一个跟随器使输出电压不随负载的变化而改变，再使用绝对值电路将正负电压变成DSP的识别电压（0~3.3V），最后将得到的信号送到DSP。
正常时DSP的信号在0~1.5V之间，当不正常时，DSP的输入信号有可能达到3V或以上，这时DSP就关断IGBT输出信号，保护IGBT和负载。
本方案选用的传感器均为LEM公司的产品。该公司在传感器行业遥遥领先，几乎处于一个半垄断的地位。LEM公司为全世界传感器市场提供了各种各样的传感器，被广泛应用于电力电子、机器人、电梯、医疗等行业，相比其他传感器公司的产品有技术领先成本低廉种类多样等优势。这是我们在本方案中选择LEM传感器的原因。目前本方案仍处于开发阶段。由于安装位置的不同，设置在A点的两个传感器工作温度大致在30~80℃之间，而设置在B、C点的传感器工作温度在10~60℃之间，从试验的情况来看各个传感器工作良好，为系统可靠而良好运行提供了快速准确的电压电流信息。
参考文献
[1] 吴金宏、倪向阳、吴昊，霍尔电流电压传感器/变送器模块的性能及应用，国外电子元器件，2001 No.01
作者简介
成爱军，上海新时达电气有限公司工程师，从事变频器系统开发。通信方式：上海新时达电气有限公司研发二部 邮编201802 电话(021)39127564。Email:
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