摘要：隨著自動(dòng)化和電力電子技術(shù)飛速的發(fā)展及各種行業(yè)對(duì)變頻器不斷提出的高性能要求，導(dǎo)致上位機(jī)對(duì)變頻器的電流檢測(cè)回路的精度、響應(yīng)速度、電流分辨率等要求也越來(lái)越高。本文首先介紹了LEM電流傳感器的工作原理及特性，然后討論了使用LEM傳感器完成變頻器的電流檢測(cè)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)?？梢灾苯邮褂眠@些經(jīng)過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證的檢測(cè)與保護(hù)電路進(jìn)行變頻器設(shè)計(jì)。

1、序言

在變頻器的主回路中，電流檢測(cè)電路主要用于采集變頻器的輸出電流及電機(jī)的工作狀態(tài)，同時(shí)利用電流反饋元件將變頻器和電機(jī)狀態(tài)反饋給上位機(jī)，上位機(jī)接到反饋信號(hào)后以一定的控制方法來(lái)調(diào)整變頻器的輸出，從而達(dá)到變頻器的電流環(huán)閉環(huán)控制。因此用來(lái)進(jìn)行電流檢測(cè)和反饋環(huán)節(jié)的傳感器其性能指標(biāo)以及控制精度和可靠性，直接決定了變頻器的各種性能，如響應(yīng)速度、控制精度、過(guò)載能力等。因此如何不斷提高電流傳感器的性能成為傳感器生產(chǎn)廠家一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。[1]

隨著自動(dòng)化和電力電子技術(shù)飛速的發(fā)展，各種行業(yè)對(duì)變頻器均不斷的提出更高的性能要求，為了滿足用戶的使用要求，各變頻器生產(chǎn)廠家也不斷推出更高性能的產(chǎn)品。產(chǎn)品也由傳統(tǒng)的VF控制方式發(fā)展到有感和無(wú)感矢量控制方式，可以達(dá)到較高的調(diào)速范圍和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，滿足機(jī)械設(shè)備的使用要求。而實(shí)現(xiàn)這些的基礎(chǔ)是變頻器檢測(cè)回路中的傳感器性能。LEM傳感器的出現(xiàn)完美的解決這一問(wèn)題，它不但測(cè)量范圍寬，測(cè)量精度高，且響應(yīng)時(shí)間極快，使用LEM電流傳感器可以顯著的提升變頻器的性能和可靠性。

2、LEM傳感器的工作原理介紹

LEM傳感器的輸出有電流與電壓輸出兩種形式，電壓輸出型是將檢測(cè)到的電流通過(guò)電子電路轉(zhuǎn)換為0-5V電壓輸出，通常其功率<0.05W,然后通過(guò)處理電路轉(zhuǎn)換后供單片機(jī)處理。但是由于電壓輸出型的傳感器其信號(hào)在傳輸時(shí)易受干擾，并且線路上的損耗會(huì)破壞精度，因此在使用時(shí)受到了限制，而電流輸出型以其具有的極高抗干擾能力得到了廣泛應(yīng)用。因此本文選擇電流輸出型傳感器作為變頻器的電流檢測(cè)元件。

2.1LEM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，可以對(duì)交流電流、直流電流、脈動(dòng)電流進(jìn)行測(cè)量，不但電流檢測(cè)范圍寬，并且反應(yīng)速度極快，適合需要對(duì)電流進(jìn)行高精度檢測(cè)時(shí)使用。圖1是LEM電流傳感器的原理圖。

圖1LEM電流傳感器原理圖

依據(jù)電磁理論，只要電流流過(guò)導(dǎo)體在其周?chē)蜁?huì)感生出磁場(chǎng)，其大小和導(dǎo)線中流過(guò)的電流成正比，故利用霍爾元件測(cè)量出磁場(chǎng)的強(qiáng)度，就可確定導(dǎo)線中電流值的大小。霍爾電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)上與被測(cè)電路沒(méi)有電接觸，不影響被測(cè)電路的工作性能，同時(shí)也不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流的檢測(cè)?；魻栯娏鱾鞲衅鞴ぷ髟砣鐖D1所示，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓環(huán)鐵芯上有一個(gè)缺口，將霍爾傳感器置于缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)會(huì)有磁場(chǎng)產(chǎn)生，則霍爾傳感器有信號(hào)輸出。霍爾傳感器的輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器處理后可與各種邏輯電路相連，直接驅(qū)動(dòng)各種性質(zhì)的負(fù)載。因?yàn)榛魻柶骷膽?yīng)用原理非常簡(jiǎn)單，信號(hào)處理也極為方便，器件本身又具有一系列的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，所以在變頻器中也發(fā)揮了非常重要的作用。[2]

在變頻器中，霍爾電流傳感器主要用于檢測(cè)主回路的電流同時(shí)對(duì)逆變電路的IGBT進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)載時(shí)，依靠電流傳感器的納秒級(jí)別的響應(yīng)時(shí)間，在IGBT還沒(méi)達(dá)到工作極限前就關(guān)閉逆變器的輸出，使IGBT得到可靠的保護(hù)。

電流傳感器有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)電流傳感器兩種形式，在變頻器中由于需要極高的電流控制精度，因此選用了閉環(huán)電流傳感器，其工作原理見(jiàn)圖1。閉環(huán)霍爾電流傳感器由磁芯，放置在磁芯開(kāi)口空氣隙的霍爾元件，環(huán)繞鐵芯的線圈和一個(gè)電流放大器組成。載流導(dǎo)線穿過(guò)磁芯中心孔，它將產(chǎn)生一個(gè)和其電流成比例的磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)被磁芯集中并被傳送到霍爾元件檢測(cè)?；魻杺鞲衅骷半娏鞣糯笃鳟a(chǎn)生與檢測(cè)電流成比例的輸出電流，它驅(qū)動(dòng)線圈。此輸出電流通過(guò)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和載流導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，相互抵消使鐵芯內(nèi)部的磁場(chǎng)為零。因此輸出電流和檢測(cè)電流除以鐵芯上所繞線圈的匝數(shù)成比例。匝數(shù)比為1000的傳感器的輸出為1mA/A。通過(guò)在電流輸出端和地之間的采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出電壓值由采樣電阻決定。霍爾電流傳感器通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)傳遞，由于在電氣是完全隔離的，因此檢測(cè)電路與被檢電路互不影響。

2.2LEM電流傳感器的特點(diǎn)[3]

從LEM電流傳感器的工作原理分析可知，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)“電流-磁-電壓”的變換器，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性和優(yōu)勢(shì)。

使用范圍廣：它可以測(cè)量任意波形的電流，如直流、交流、脈沖波形等，甚至可測(cè)出瞬態(tài)峰值；

絕緣耐壓高：原邊電路與副邊電路之間完全高度絕緣，絕緣耐壓一般3～6kV，特殊要求可達(dá)到6～50kV；

測(cè)量精度高：在工作溫度范圍內(nèi)精度優(yōu)于10%，該精度適用于任何波形的測(cè)量；

線性度好：優(yōu)于0.1%；

動(dòng)態(tài)性能好：動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于1μs，跟蹤速度di/dt高于50A/μs；

工作頻帶寬：由于采用閉環(huán)控制，可以采集0(直流)～100kHZ范圍內(nèi)的任何電流，精度能達(dá)到1%，0～5kHZ范圍內(nèi)精度提高到0.5%；

過(guò)載能力強(qiáng)：當(dāng)原邊電流超載時(shí)，可以自動(dòng)保護(hù)，即使過(guò)載電流為額定值的二十倍時(shí)傳感器也不會(huì)損壞；

原邊與副邊之間的電容量是很弱的，在很多應(yīng)用*模電壓的各種影響可忽略；

靈敏度高：能區(qū)分在高分量上的弱小信號(hào)，如在幾百安培的直流上能區(qū)分幾毫安的交流分量；

可靠性高：失效率λ＝0.43×10-6/h；抗外磁場(chǎng)能力強(qiáng)：經(jīng)實(shí)驗(yàn)在距離傳感器5～10cm處的一個(gè)兩倍工作電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾而引起自身的誤差≤0.5%。

以上這些特性使得LEM電流傳感器已成為電流檢測(cè)的主力。

3、LEM傳感器在變頻器電流檢測(cè)中的應(yīng)用

在變頻器的主回路中，電流檢測(cè)電路負(fù)責(zé)把變頻器在不同負(fù)載情況下的電流值反饋至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)電流值調(diào)整變頻器的輸出，從而實(shí)現(xiàn)變頻器的電流閉環(huán)控制。同時(shí)變頻器根據(jù)檢測(cè)的電流值判斷變頻器工作是否正常，從而完成如過(guò)電流、對(duì)地短路、變頻器過(guò)載等多種保護(hù)。下面介紹LEM電流傳感器在變頻器檢測(cè)中的應(yīng)用。

3.1電流檢測(cè)電路

電流傳感器的檢測(cè)信號(hào)反饋到上位機(jī)后可以用于電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩控制以及過(guò)流、過(guò)載等保護(hù)。根據(jù)上文分析，本文選用LEM電流輸出型傳感器作為變頻器的電流檢測(cè)元件。作為變頻器的控制對(duì)象電動(dòng)機(jī)有別于其他類(lèi)型的負(fù)載，電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，電機(jī)在啟動(dòng)和停止，機(jī)械負(fù)載堵轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)對(duì)自身產(chǎn)生沖擊，這些現(xiàn)象會(huì)引起電流的劇烈變化，容易造成電機(jī)損壞，如電機(jī)定子的輸出短路，絕緣破損，機(jī)械部件如軸承、電機(jī)軸等損壞，這些損壞都可能使變頻器的輸出電流加大而使變頻器發(fā)生過(guò)電流報(bào)警，而過(guò)電流報(bào)警又是變頻器各種報(bào)警中一類(lèi)最常見(jiàn)的故障，同時(shí)過(guò)電流又是造成變頻器損壞、炸機(jī)的主要原因。

圖2LEM傳感器在變頻器電流檢測(cè)中的應(yīng)用

電流檢測(cè)電路的作用是把霍爾電流傳感器的輸出信號(hào)送給上位機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成三相交流異步電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組的電流值，由于三相異步電機(jī)的電流是三相平衡系統(tǒng)：Iu+Iv+Iw=0；因此實(shí)際應(yīng)用中，我們只需要檢測(cè)IGBT輸出電流的任意兩相電流，通過(guò)計(jì)算就可以得到第三相電流。由異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，整個(gè)控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵在于對(duì)定子電流檢測(cè)時(shí)的精度和實(shí)時(shí)性，因此經(jīng)過(guò)和國(guó)內(nèi)外眾多的電流傳感器產(chǎn)品進(jìn)行比較，最終選擇LEM的電流傳感器作為檢測(cè)元件。在變頻器的設(shè)計(jì)中，選擇U相和W相作為電流檢測(cè)對(duì)象由兩個(gè)LEM模塊檢測(cè)A相和B相的電流。

圖3變頻器的電流檢測(cè)原理圖

圖3中給出了變頻器的電流檢測(cè)原理圖。其工作原理為：Iu、Iw為霍爾電流傳感器的輸出型號(hào)，經(jīng)第一級(jí)運(yùn)算放大器A1和A3放大后，在經(jīng)過(guò)隔離、濾波處理后送給二級(jí)運(yùn)放A2和A4。二級(jí)運(yùn)放的輸出信號(hào)IFBU、IFBW經(jīng)過(guò)處理后送給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)的電壓變化，實(shí)時(shí)計(jì)算出變頻器的輸出電流，然后根據(jù)獲取的三相電流信息來(lái)進(jìn)行變頻器的調(diào)速。在實(shí)際應(yīng)用中，用于濾波的電容一定要盡可能的靠近運(yùn)放，避免一些干擾信號(hào)或瞬間尖峰電流造成的誤動(dòng)作，保證檢測(cè)電路的正常工作。

4、結(jié)束語(yǔ)

作為變頻器電流檢測(cè)與各種保護(hù)電路的基礎(chǔ)，選擇合適的電流傳感器是整個(gè)系統(tǒng)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。電流傳感器的性能直接決定了變頻器的電流控制精度，更關(guān)系到其運(yùn)行的可靠與否，是變頻器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制必不可少的器件。本文中介紹的LEM電流傳感器，無(wú)論是在檢測(cè)精度、響應(yīng)速度、還是可靠性等方面所具有的優(yōu)點(diǎn)是普通傳感器無(wú)與倫比的。本文中列出的電氣原理圖都是經(jīng)過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證正確的，可直接用于變頻器電流檢測(cè)回路的設(shè)計(jì)，具有非常好的參考價(jià)值。[4]