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摘要:隨著不同工藝場(chǎng)合對(duì)現(xiàn)代通用變頻器能需求的不斷提,其和保護(hù)電路對(duì)反饋信號(hào)的要求也越來(lái)越,。LEM傳感器具有測(cè)量頻率范圍寬,、反應(yīng)速度快、度和線度等特點(diǎn),。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(jì)和實(shí)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(dòng)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(hào)或保護(hù)信號(hào),以達(dá)到變頻器輸出和保護(hù)變頻器及電動(dòng)機(jī)的目的,。用于采集反饋信號(hào)的傳感器能和程度,,很大程度上決定了系統(tǒng)的品質(zhì),測(cè)量的提將可能提整個(gè)系統(tǒng)的能,。因此,,信號(hào)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(chǎng)合對(duì)通用變頻器的能要求有所不同,但均體現(xiàn)出了化的趨勢(shì),。如的矢量變頻器具有強(qiáng)的功能,,能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng),,而它的實(shí)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(chǎng)合下已無(wú)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(lái),,既有普通互感器測(cè)量范圍寬的特點(diǎn),又有電子電路反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn),,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(lái),既發(fā)揮了普通互感器測(cè)量范圍寬的優(yōu)勢(shì),,又利用了電子電路反應(yīng)速度快的長(zhǎng)處,,可以對(duì)直流、交流,、脈動(dòng)電流進(jìn)行測(cè)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(chǎng)平衡式的,,即通過(guò)次線圈的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng),,使霍爾器件始終處于零磁通的工作狀態(tài)。其具體工作過(guò)程為:當(dāng)被測(cè)回路有電流(ip)流過(guò)時(shí),,在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng),,這磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集,并作用于霍爾器件輸出信號(hào),,這信號(hào)經(jīng)放大器放大并輸入到功率放大器中,,這時(shí)相應(yīng)的功率管的導(dǎo)通壓降改變,從而獲得個(gè)補(bǔ)償電流(is),,流經(jīng)多匝導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)(Hs),,由于其與被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)(Hp)方向相反而使霍爾器件輸出的信號(hào)逐漸減小,zui后當(dāng)is所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與ip所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí),,is不再增加,,這時(shí)霍爾器件就達(dá)到了零磁通。上述平衡過(guò)程是在短的時(shí)間內(nèi)完成的,,是個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程,,即被測(cè)電流變化都會(huì)破壞這平衡磁場(chǎng),而旦磁場(chǎng)失去平衡,,霍爾器件就會(huì)有信號(hào)輸出,,經(jīng)放大器放大后,,立即有相應(yīng)的電流流過(guò)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(shí)間都與主電流的安匝數(shù)樣。在實(shí)際應(yīng)用中,,可通過(guò)測(cè)量電阻Rm(通常為外接)上的電壓間接求出被測(cè)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(shí)質(zhì)是個(gè)“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(shì)。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(cè)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(shí)間為10~20ms,,不能系統(tǒng)對(duì)諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)并補(bǔ)償?shù)囊蟆R驗(yàn)槭茄a(bǔ)償式測(cè)量,,所以具有很的度和線度,。測(cè)量?jī)?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(dòng)態(tài)變化時(shí)又是補(bǔ)償,,所以傳感器是無(wú)電感器件,。它的過(guò)載能力強(qiáng),當(dāng)原邊電流負(fù)荷時(shí),,模塊達(dá)到飽和,,可自動(dòng)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(cè)量電壓時(shí),,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(cè)電壓成的比值來(lái)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(diǎn)。
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(dòng)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(yùn)行的“生命線”,其主要作用是信號(hào)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(shí)過(guò)電流、對(duì)地短路,、過(guò)電壓,、欠電壓、變頻器過(guò)載,、散熱片過(guò)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(guò)流保護(hù)電路
3.1電流過(guò)流保護(hù)電路
變頻器電流信號(hào)可以用于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流以及過(guò)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(dòng)的負(fù)載―電動(dòng)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(yùn)動(dòng),,電機(jī)啟動(dòng)帶來(lái)的電氣和機(jī)械沖擊問(wèn)題歷來(lái)是工程師們關(guān)注的焦點(diǎn),無(wú)論是電氣絕緣破損還是機(jī)械故障都可能使變頻器因過(guò)電流而損壞,,過(guò)電流故障從來(lái)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(guò)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(guò)電流,。
過(guò)流保護(hù)zui簡(jiǎn)單的方法是熔斷器保護(hù)法,,但這種保護(hù)動(dòng)作慢,,不能實(shí)現(xiàn)保護(hù),尤其是不能直接保護(hù)IGBT,、MOSFET等熔通達(dá)時(shí)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(guò)流處理和封鎖開關(guān)管脈沖等幾個(gè)部分,。
圖3給出了變頻器的電流及過(guò)流保護(hù)電路。其工作原理為:U,、V兩相電流信號(hào)來(lái)自輸出端的LEM電流傳感器,,經(jīng)運(yùn)放A6和A5放大后送入二運(yùn)放A8和A7。這兩相電流通過(guò)A9疊加獲得W相電流信號(hào),,然后獲取的三相電流信息送器實(shí)現(xiàn)調(diào)速策略,。每相電流輸出到兩個(gè)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(shí)其對(duì)應(yīng)的電壓在±10V之間,,六個(gè)比較器相與后輸出為1,此信號(hào)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(hào)也應(yīng)為0,,保護(hù)電路不動(dòng)作,。旦過(guò)流,比較器相與后輸出信號(hào)為0,,D4528 的輸入信號(hào)(5腳)為1,,其輸出經(jīng)單穩(wěn)延時(shí)后才變?yōu)?,通過(guò)三管VT2放大后去關(guān)閉IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并通知CPU發(fā)出過(guò)電流信號(hào),。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用是避免些干擾信號(hào)或瞬間電流造成的保護(hù)電路誤動(dòng)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(shí)上它直是波動(dòng)的。交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng),、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(huì)引起直流電壓變化,。實(shí)際上,,無(wú)論是對(duì)主電路器件及電動(dòng)機(jī)的保護(hù),,還是對(duì)直流側(cè)和交流輸出電壓的計(jì)量和顯示,乃至策略的實(shí)施都經(jīng)常需要直流電壓的瞬時(shí)值或值,。例如近年來(lái)人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)能*的矢量對(duì)直流側(cè)電壓和負(fù)載的擾動(dòng)十分靈敏,,當(dāng)裝置運(yùn)行在弱磁條件下時(shí),直流側(cè)電壓的降低可能導(dǎo)致電流失控和失去磁場(chǎng)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(jì)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(diǎn)信號(hào)(其接線圖見圖5),輸出信號(hào)經(jīng)放大處理后分別送至四個(gè)比較器A1~A4的正相輸入端與四個(gè)參考電壓A,、B,、C、D比較,,以完成過(guò)壓和欠壓保護(hù)并通知CPU發(fā)出相應(yīng)的信號(hào),。
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(gè)不同的參考電壓分別送至四個(gè)比較器的反相輸入端,,比較器的輸出信號(hào)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(shí)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(diǎn)和C點(diǎn)的電位之間,,比較器A1,、A2輸出0,A3,、A4輸出1,。經(jīng)過(guò)、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(hào),。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(shí),,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(diǎn)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(guò)壓信號(hào)0111,;而當(dāng)電源電壓降至300V以下,,電壓取樣立即低于C點(diǎn)電壓,處于C,、D電位之間,,A1、A2,、A3輸出0,,A4輸出1,此時(shí)電路輸出欠壓信號(hào)0001,。這樣,,變頻器便發(fā)出過(guò)壓或欠壓預(yù)信號(hào),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(wú)速度傳感器矢量算法,要求必須測(cè)量輸出電壓,。限于篇幅所限,,不再詳細(xì)給出。
4.結(jié)束語(yǔ)
通用變頻器的與保護(hù)電路直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)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(gè)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(shí)踐證明,LEM傳感器在,、響應(yīng)速度,、等方面具有的優(yōu)點(diǎn)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(jì)和實(shí)現(xiàn),有較好的實(shí)用價(jià)值,。
實(shí)際上,,凡是需要直流、交流,、脈動(dòng)電流,、電壓及其用這些測(cè)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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