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摘要：随着不同工艺场合对现代通用变频器能需求的不断提，其和保护电路对反馈信号的要求也越来越。LEM传感器具有测量频率范围宽、反应速度快、度和线度等特点。本文介绍了LEM传感器原理、特及其在通用变频器及保护中的应用，给出了由LEM传感器组成的几种与保护电路。这些与保护电路可直接用于变频器的设计和实现，使用效果良好。   
关键词：LEM传感器  变频器  与保护     
1  引言   
    在通用变频器中，电路的主要作用是将变频器和电动机的工作状态反馈至微处理器，并由微处理器按照规定的算法处理后为各部分电路提供信号或保护信号，以达到变频器输出和保护变频器及电动机的目的。用于采集反馈信号的传感器能和程度，很大程度上决定了系统的品质，测量的提将可能提整个系统的能。因此，信号的传感器是变频调速系统的重要组成部分，它相当于系统的“眼睛和触觉”。   
　随着现代工业的不断进步，不同场合对通用变频器的能要求有所不同，但均体现出了化的趋势。如的矢量变频器具有强的功能，能实现动态响应，而它的实现依赖于变频器各电路中的传感器的能。传统传感器在某些场合下已无法胜任，LEM传感器的作用与传统的电流互感器相同，它将普通互感器与霍尔器件、电子电路有机结合起来，既有普通互感器测量范围宽的特点，又有电子电路反应速度快的优点，它在通用变频器与保护电路中的应用提调速系统的能及。   

2  LEM传感器的工作原理及特   
2.1  LEM电流传感器   
　LEM电流传感器是利用霍尔效应的闭环电流传感器，是种模块化的有源电子传感器，它把普通互感器与霍尔器件、电子电路有机地结合起来，既发挥了普通互感器测量范围宽的优势，又利用了电子电路反应速度快的长处，可以对直流、交流、脉动电流进行测量。图1是LEM电流传感器的原理图。  
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  
 　　　　　　　　　　　　　　图1 LEM电流传感器原理图   
　LEM模块的工作原理是磁场平衡式的，即通过次线圈的电流所产生的磁场补偿被测电流所产生的磁场，使霍尔器件始终处于零磁通的工作状态。其具体工作过程为：当被测回路有电流（ip）流过时，在导体周围产生个强磁场，这磁场被聚磁环聚集，并作用于霍尔器件输出信号，这信号经放大器放大并输入到功率放大器中，这时相应的功率管的导通压降改变，从而获得个补偿电流（is），流经多匝导线产生磁场（Hs），由于其与被测电流所产生的磁场（Hp）方向相反而使霍尔器件输出的信号逐渐减小，zui后当is所产生的磁场与ip所产生的磁场相等时，is不再增加，这时霍尔器件就达到了零磁通。上述平衡过程是在短的时间内完成的，是个动态平衡过程，即被测电流变化都会破坏这平衡磁场，而旦磁场失去平衡，霍尔器件就会有信号输出，经放大器放大后，立即有相应的电流流过次线圈进行补偿，因此，从宏观上看，次补偿电流的安匝数在时间都与主电流的安匝数样。在实际应用中，可通过测量电阻Rm（通常为外接）上的电压间接求出被测电流的大小。   
　　　　　　　　　　　　　　  
　　　　　　　　　　　　　　　　图2 LEM电压传感器原理图   
　　由以上工作原理可知LEM电流传感器实质是个“电流—磁—电压”变换器，其作用与传统的电流互感器基本相同，与普通传感器相比较，它又具有许多自身的特和优势。它有良好的输入输出间电，原电路与次电路之间的绝缘电压般为2～12kV（特殊要求下可达20～50kV），可以地保护副边的测量设备和人身。传感器内部采用闭环结构，可以不失真地传递从0Hz（直流）至100kHz频带内的波形电流，响应速度快（小于1ms）。跟踪速度di/dt于50A/ms，而普通互感器响应时间为10～20ms，不能系统对谐波进行实时并补偿的要求。因为是补偿式测量，所以具有很的度和线度。测量优于1%原额定电流，其线度优于0.1 %。另外，由于传感器磁路几乎是零磁通工作，动态变化时又是补偿，所以传感器是无电感器件。它的过载能力强，当原边电流负荷时，模块达到饱和，可自动保护。LEM电流传感器着这些特已经使其已成为电流的主力。   
2.2  LEM电压传感器   
　LEM电压传感器工作原理与其电流传感器相似，也是种应用霍尔原理的闭环电流传感器。与应用LEM电流传感器有所不同的是，用电压传感器测量电压时，应在传感器原边回路上串联外部电阻（R0）。所串联的外部电阻的大小是由用户根据原边电流与被测电压成的比值来确定的，LEM电压传感器的原理如图2所示，具体工作工程不再赘述。   
    LEM电压传感器具有、线度好、低温漂、抗外界干扰能力强、共模抑制比、反应速度快、频带宽等特点。   
3  LEM传感器在通用变频器与保护中的应用   
　在通用变频器中，电路把变频器和电动机的工作状态反馈至微处理器以变频器输出，而保护电路则是变频器可靠运行的“生命线”，其主要作用是信号判断变频器本身或系统是否出现了异常。保护电路的主要任务是完成瞬时过电流、对地短路、过电压、欠电压、变频器过载、散热片过热、电路异常等多种保护。下面介绍LEM传感器在变频器与保护中的应用。  
　　　　　　　　　　　   
　　　　　　　　　　　　　图3  通用变频器用电流及过流保护电路   
   
3.1电流过流保护电路    
　变频器电流信号可以用于电机的转矩和电流以及过流保护。其方法主要有直接串联取样电阻法，电流互感器法等，考虑到能的要求，此处选用基于LEM电流传感器的方法。变频器驱动的负载―电动机不同于其它负载（如电热炉、电解、电镀等），它是将电能转换为机械能的装置，既有电气行为又有机械旋转运动，电机启动带来的电气和机械冲击问题历来是工程师们关注的焦点，无论是电气绝缘破损还是机械故障都可能使变频器因过电流而损坏，过电流故障从来就是变频器zui常见的故障，也是损坏变频器zui主要的原因。输出短路、电机绕组破损、机械负载堵转、电机加速过快、开关器件失效、干扰造成的误导通等都能导致变频器过电流。   
　过流保护zui简单的方法是熔断器保护法，但这种保护动作慢，不能实现保护，尤其是不能直接保护IGBT、MOSFET等熔通达时间小的器件。因此须配置电子式保护电路，其结构组成主要包括电流、过流处理和封锁开关管脉冲等几个部分。   
　图3给出了变频器的电流及过流保护电路。其工作原理为：U、V两相电流信号来自输出端的LEM电流传感器，经运放A6和A5放大后送入二运放A8和A7。这两相电流通过A9叠加获得W相电流信号，然后获取的三相电流信息送器实现调速策略。每相电流输出到两个比较器，比较器正反相输入端的参考电压分别为+10V和-10V。当三相电流正常时其对应的电压在±10V之间，六个比较器相与后输出为1，此信号经三管反相后送入由多谐振荡器D4528组成的单稳态触发器，-Q输出为0，比较器A17、A18输出信号也应为0，保护电路不动作。旦过流，比较器相与后输出信号为0，D4528 的输入信号（5脚）为1，其输出经单稳延时后才变为1，通过三管VT2放大后去关闭IGBT的驱动信号并通知CPU发出过电流信号。单稳态触发器的作用是避免些干扰信号或瞬间电流造成的保护电路误动作，变频器正常工作。   
3.2电压与保护电路   
   通用变频器中的电压环节主要有直流侧电压和输出侧电压。尽管我们经常假设变频器直流侧电压是不变的，但事实上它直是波动的。交流电网电压的波动、负载瞬变、整流器功率器件的断续导电、或者输入电源缺相等等都会引起直流电压变化。实际上，无论是对主电路器件及电动机的保护，还是对直流侧和交流输出电压的计量和显示，乃至策略的实施都经常需要直流电压的瞬时值或值。例如近年来人们已经发现能优越的矢量对直流侧电压和负载的扰动十分灵敏，当装置运行在弱磁条件下时，直流侧电压的降低可能导致电流失控和失去磁场的方位，几乎的解决方案都需要精密直流电压，因此合理设计直流电压电路是重要。变频器直流侧电压的可采用电阻分压、电压互感器、线光耦等，若选用LEM电压传感器则能进步提品质。   
　　　　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　图4  直流电压与保护电路   

　通用变频器直流电压及保护电路如图4所示，直流电压经LEM电压传感器变为弱点信号（其接线图见图5），输出信号经放大处理后分别送至四个比较器A1~A4的正相输入端与四个参考电压A、B、C、D比较，以完成过压和欠压保护并通知CPU发出相应的信号。   
　比较器参考电压取自电阻R51~R57组成的分压器，10V电压经电阻分压后取出四个不同的参考电压分别送至四个比较器的反相输入端，比较器的输出信号经光耦、阻容滤波之后再经施密特反向器关闭IGBT，同时送CPU进行处理。   
　　　　　　   　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　图5 LEM电压传感器接线图   

　正常状态下，电压取样值处于B点和C点的电位之间，比较器A1、A2输出0，A3、A4输出1。经过、滤波、反向处理，zui终的输出在图中由上到下为0011，这是正常工作信号。B、C间的电压范围较大，当交流电源电压在300~460V间变化时，变频器正常工作。旦交流电源电压于460V，电压取样随即于B点电压，位于A、B电位之间，A1输出0，A2、A3、A4输出1，电路输出过压信号0111；而当电源电压降至300V以下，电压取样立即低于C点电压，处于C、D电位之间，A1、A2、A3输出0，A4输出1，此时电路输出欠压信号0001。这样，变频器便发出过压或欠压预信号，并按预定的顺序关机。   
  变频器输出交流电压的与也是很重要，特别是目前引起人们关注的无速度传感器矢量算法，要求必须测量输出电压。限于篇幅所限，不再详细给出。   
4．结束语   
    通用变频器的与保护电路直接关系到系统运行的、可靠和，是变频器*的组成部分。其中，传感器的选择是很重要的个环节。本文介绍了LEM电流、电压传感器的工作原理和主要特，并给出了其在通用变频器及保护中的应用。实践证明，LEM传感器在、响应速度、等方面具有的优点是普通传感器的。论文给出的电路可直接用于变频器的设计和实现，有较好的实用价值。   
　实际上，凡是需要直流、交流、脉动电流、电压及其用这些测量值进行的系统，均可采用LEM传感器，因此，LEM电流传感器在电源、变频器、电机调速系统等电气设备中都具有良好的应用前景。

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