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LEM傳感器在電梯變頻器中的應(yīng)用
萊姆電子（中國）有限公司

　　摘要：本文介紹了一個變頻器設(shè)置傳感器的方案，分析了設(shè)置傳感器的類型、位置、目的和需求，并提供了相應(yīng)傳感器的類型和參數(shù)。最后給出了傳感器的信號接收回路的簡圖。
　　關(guān)鍵詞：電流傳感器電壓傳感器 PWM變頻器

引言
　　電梯行業(yè)是一個自上世紀(jì)90年代就開始飛速發(fā)展的行業(yè)。二十年以來，電梯技術(shù)更迭迅速，客戶對電梯的裝潢、舒適性、價格、環(huán)境保護(hù)等方面提出了越來越高越來越多樣化的要求，整個電梯產(chǎn)業(yè)正向著系統(tǒng)越來越穩(wěn)定、運(yùn)行越來越平穩(wěn)、成本越來越低廉、控制越來越精確的方向發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，PWM變頻器在電梯中應(yīng)用越來越廣泛。為確保電梯的安全性和舒適性，PWM變頻器的保護(hù)和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測顯得尤為重要。由于電梯可能被安裝在世界各地，各個地方的環(huán)境各不相同，在不同環(huán)境下讓PWM變頻器能良好運(yùn)行成為PWM變頻器設(shè)計時考慮的重要方面，因此對變頻器的電壓電流等物理量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測也成為電梯變頻器設(shè)計時必須考慮的一點(diǎn)。以下介紹一個變頻器為保護(hù)和精確控制設(shè)置而選擇傳感器的方案，這是一個試驗(yàn)方案，到目前為止運(yùn)行良好。
PWM變頻器檢測點(diǎn)具體分析和設(shè)置
我們設(shè)計的PWM變頻器其拓?fù)淙缦聢D所示：

　　　　　　　　　　　　　　　圖一變頻器系統(tǒng)拓?fù)?

　　為保護(hù)IGBT模塊，系統(tǒng)需要在主回路直流側(cè)檢測流入IGBT的電流，當(dāng)某一相出現(xiàn)過流或短路時，控制回路能夠在足夠短的時間內(nèi)關(guān)閉IGBT模塊，以防止模塊燒毀或爆炸。同時為了保護(hù)電容系統(tǒng)需要檢測主回路直流側(cè)的電容，當(dāng)電壓出現(xiàn)異常時能夠通知控制系統(tǒng)關(guān)閉逆變器以檢查問題。同時系統(tǒng)需要檢測輸入電動機(jī)的電流用于控制電機(jī)。通常情況下由于三相平衡，電機(jī)電流檢測只需要檢測兩相，另一相電流由計算得出。
　　因此在這個變頻器中一共需要三個電流傳感器，圖一中三個橢圓環(huán)表示檢測位置。其檢測點(diǎn)A用于保護(hù)電容和IGBT模塊，檢測點(diǎn)B和C是為精確控制電機(jī)而設(shè)置的。
　　根據(jù)控制程序和控制電路的設(shè)定，A點(diǎn)的電壓被控制在一定的范圍之內(nèi)。當(dāng)電動機(jī)處于電動狀態(tài)時，電壓會降低；而當(dāng)電動機(jī)處于再生狀態(tài)時，A點(diǎn)的電壓將上升。如果A點(diǎn)的電壓達(dá)到某一限定值，控制電路將IGBT 7開通，將電能釋放到再生電阻上，如果再生電阻的上消耗的功率能夠滿足設(shè)計要求，此時的A點(diǎn)的電壓將回落，回落至一定的電壓后控制電路將IGBT 7關(guān)閉。
　　由上可知檢測點(diǎn)A的電壓是一個直流脈動電壓。檢測A點(diǎn)電壓有如下兩個目的：
　�。�1）檢測主回路電容是否存在異常。
　　主回路電容可能會因?yàn)樵O(shè)計失誤電容容量不足或者長期運(yùn)行導(dǎo)致電容容量下降，而電容容量下降到一定程度時可能會影響變頻器正常運(yùn)行，因此檢測電容是否正常十分重要。電容容量過小會使主回路直流側(cè)的電壓在電容充電過程中上升得非�？�，控制電路在檢測A點(diǎn)電壓過程中就可以大致判斷電容容量是否正常，如果不正常就停止變頻器運(yùn)行。
　�。�2）主回路電壓異常升高時保護(hù)主回路電容和IGBT模塊
主回路電壓出現(xiàn)異常大致有以下兩種情況：
　�、買GBT 7出現(xiàn)異常，無法正常開通或關(guān)斷IGBT，或者由于再生電阻的接線錯誤無法及時釋放電動機(jī)再生運(yùn)行時產(chǎn)生的能量，致使主回路的電壓異常升高。
　�、谧冾l器輸入電源電壓出現(xiàn)異常升高。
變頻器輸入電源電壓升高也會導(dǎo)致主回路直流側(cè)電壓升高，控制回路在接受到異常的電壓信號以后可以及時地關(guān)斷變頻器。
　　根據(jù)以上的目的我們可以對該點(diǎn)的電壓傳感器提出以下的要求
　�。�1）高精度。
通常AC 380V輸入的逆變器在直流側(cè)的工作電壓會被設(shè)定到500V至700V之間。而主回路直流側(cè)電壓波動直接影響電容發(fā)熱和壽命，10V和20V的電壓波動會給電容壽命帶來很大的差別。而該電壓傳感器直接控制電容上的紋波電壓，因此傳感器需要很高的精度。
　�。�2）高速度
電壓異常升高時升高的速度可能非常快，因此需要一個足夠快的傳感器及時把電壓信息傳遞給控制電路。
　�。�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
　　逆變器是一個發(fā)熱量較高的部件。出于安裝和制造方便，該傳感器會被安裝在離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℃以上時溫度會更高，傳感器應(yīng)能在這樣惡劣的環(huán)境下正常工作。

　　通常情況下在A點(diǎn)檢測電流也是必須的。設(shè)置在A點(diǎn)的電流傳感器用于實(shí)時檢測主回路直流側(cè)的電流，當(dāng)后端短路時（電動運(yùn)行時監(jiān)測流入IGBT模塊的電流，再生運(yùn)行時檢測流入再生電阻的電流）該傳感器應(yīng)該能及時地把電流信號傳送給控制電路。
　　因?yàn)樵O(shè)計原因（比如死區(qū)時間設(shè)置得不夠長）或者一些外部因素（比如說天氣惡劣導(dǎo)致結(jié)露）使上下橋臂出現(xiàn)瞬時短路時，在A點(diǎn)會出現(xiàn)一個很大的電流，這個電流經(jīng)過IGBT模塊會導(dǎo)致模塊急劇發(fā)熱而損壞模塊甚至爆炸。因此在A點(diǎn)的電流傳感器需要能夠及時響應(yīng)母線上的電流變化，以供控制電路及時關(guān)斷模塊
　　因此我們可以對該點(diǎn)的電流傳感器提出以下的要求
　�。�1）較高精度
　　為避免IGBT在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時因傳感器的誤差而無法及時保護(hù)，或者系統(tǒng)在正常運(yùn)行時因傳感器的誤差使得保護(hù)電路誤動作，A點(diǎn)電流互感器需要有較高的精度。
　　（2）高速度
　　當(dāng)IGBT出現(xiàn)過流時，傳感器是否能快速響應(yīng)該電流并及時把信號傳送給控制電路成為保護(hù)IGBT模塊不受損害的關(guān)鍵。一個高速的傳感器可以避免成為保護(hù)系統(tǒng)的速度瓶頸。
　　（3）低溫度漂移
　�。�4）允許在較高的溫度下正常運(yùn)行

　　設(shè)置在B點(diǎn)和C點(diǎn)的電流傳感器用于精確控制電動機(jī)。傳感器給出的電流值送入電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，用來檢測當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)行狀況，同時控制系統(tǒng)根據(jù)該電流值對系統(tǒng)進(jìn)行修正，以更好的控制電機(jī)。這兩個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。這樣我們可以對該傳感器提出以下要求：
　　（1）較高精度，較高速度
要精確控制電動機(jī)，電流的反饋信號應(yīng)該足夠準(zhǔn)確，速度也應(yīng)該足夠快，至少能讓控制系統(tǒng)采樣時能夠得到足夠的采樣信號。
　�。�2）低溫度漂移

　　根據(jù)以上要求，選擇A點(diǎn)的電壓傳感器為LEM的CV3-1000。該電壓傳感器具有原副邊的屏蔽層，能大大降低IGBT逆變器高速開關(guān)信號所產(chǎn)生的干擾。CV3-1000采用±15V雙電源供電，輸出-10~10V，可測量1000V電壓，測量電壓頻率可達(dá)500kHz（1000V時），25℃時的誤差為±0.2%（1000V），溫度漂移被控制在5mV，允許工作溫度為-40℃~85℃，完全符合電梯變頻器的使用要求。使用CV3-1000傳感器的后續(xù)電路就十分簡單（如圖二所示）。其中REF1為IGBT 7開通時的參考電壓，REF2為IGBT 7關(guān)斷時的參考電壓，REFC用于檢測電容容量是否足夠。
　　為了能夠檢測電容容量，我們給電容提供了一個充電回路，在變頻器尚未開始工作時就以一定的電流給電容充電，同時檢測電容的電壓，如果電壓升高過快則由控制系統(tǒng)輸出錯誤信號。

　　　　　　　　　　　　　圖二 A點(diǎn)電壓傳感器后續(xù)電路簡圖

　　A點(diǎn)的電流傳感器的選擇根變頻器的IGBT模塊選擇有關(guān)。如果我們選擇100A的IGBT模塊，可以把過流設(shè)置在100A至120A之間。根據(jù)要求選擇LEM LA 200-P電流傳感器。該傳感器可以測量200A的電流，采用±15V雙電源供電，測量200A電流時輸出100mA的電流，25℃時的誤差為±0.4%，撿測90A電流的時候其響應(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模塊因長時過流而燒毀。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，和開環(huán)傳感器相比有精度高、響應(yīng)時間短、溫度漂移低，線性度好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是成本較高。使用LA 200-P傳感器的后續(xù)電路簡圖如圖三所示。其中REF3為主回路過流時的參考電壓。

　　　　　　　　　　　　圖三 A點(diǎn)電流傳感器后續(xù)電路簡圖

　　設(shè)置在B點(diǎn)和C點(diǎn)的電流傳感器的選擇需要根據(jù)電動機(jī)的電流大小，并且需要考慮電機(jī)啟動或者發(fā)生異常時出現(xiàn)大電流時可以正常檢測，不至于傳感器飽和。上面的100A逆變器可以選用LEM HAS 100-S電流傳感器。該傳感器使用±15V雙電源供電，可以測量100A電流，電流100A時輸出4V電壓，25℃時的誤差為±1%，響應(yīng)時間在3μs以內(nèi)。，可用于-10~80℃的環(huán)境。HAS 100-S是一個開環(huán)傳感器，體積小重量輕成本較低，精度基本能滿足使用需求。后續(xù)電電路如圖四所示。

　　　　　　　　　　圖四 B、C點(diǎn)的電流傳感器后續(xù)電路簡圖

　　本方案選用的傳感器均為LEM公司的產(chǎn)品。該公司在傳感器行業(yè)遙遙領(lǐng)先，幾乎處于一個半壟斷的地位。LEM公司為全世界傳感器市場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)先成本低廉種類多樣等優(yōu)勢。這是我們在本方案中選擇LEM傳感器的原因。目前本方案仍處于開發(fā)階段。由于安裝位置的不同，設(shè)置在A點(diǎn)的兩個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)的情況來看各個傳感器工作良好，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。

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

作者簡介
孔喆，上海三菱電梯有限公司助理工程師，從事電梯電氣系統(tǒng)開發(fā)。通信方式：上海三菱電梯有限公司產(chǎn)品開發(fā)二部電氣科郵編200245 電話(021)64303030-3206。Email: kongzhe@smec-cn.com

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