1  引言   
在通用变频器中，检测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控制信号或保护信号，以达到控制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性能和精确程度，很大程度上决定了控制系统的品质，测量精度的提高将可能提高整个系统的控制性能。因此，各种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性能要求有所不同，但均体现出了高性能化的趋势。如新一代的高性能矢量控制变频器具有极强的功能，能实现快速动态响应，而它的实现依赖于变频器各检测电路中的传感器的性能。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，它在通用变频器检测与保护电路中的应用有助于提高调速系统的控制性能及可靠性。   

2  LEM传感器的工作原理及特性   
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，是一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，即通过次级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检测零磁通的工作状态。其具体工作过程为：当被测回路有电流（ip）流过时，在导体周围产生一个强磁场，这一磁场被聚磁环聚集，并作用于霍尔器件输出一信号，这一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，从而获得一个补偿电流（is），流经多匝导线产生一磁场（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，最后当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检测。上述平衡过程是在极短的时间内完成的，是一个动态平衡过程，即被测电流任何变化都会破坏这一平衡磁场，而一旦磁场失去平衡，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级线圈进行补偿，因此，从宏观上看，次级补偿电流的安匝数在任何时间都与主电流的安匝数一样。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电流传感器实质是一个“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性和优势。它有良好的输入输出间电隔离，原级电路与次级电路之间的绝缘电压一般为2～12kV（特殊要求下可达20～50kV），可以有效地保护副边的测量设备和人身安全。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频带内的任何波形电流，响应速度快（小于1ms）。跟踪速度di/dt高于50A/ms，而普通互感器响应时间为10～20ms，不能满足系统对谐波进行实时检测并补偿的要求。因为是补偿式测量，所以具有很高的准确度和线性度。测量精度优于1%原级额定电流，其线性度优于0.1 %。另外，由于传感器磁路几乎是零磁通工作，动态变化时又是快速补偿，所以传感器是无电感性器件。它的过载能力强，当原边电流超负荷时，模块达到饱和，可自动保护。LEM电流传感器着这些特性已经使其已成为电流检测的主力。   
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，也是一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一外部电阻（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一定的比值来确定的，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电压传感器具有精度高、线性度好、低温漂、抗外界干扰能力强、共模抑制比高、反应速度快、频带宽等特点。   
3  LEM传感器在通用变频器检测与保护中的应用   
在通用变频器中，检测电路把变频器和电动机的工作状态反馈至微处理器以控制变频器输出，而保护电路则是变频器安全可靠运行的“生命线”，其主要作用是检测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、控制电路异常等多种保护。下面介绍LEM传感器在变频器检测与保护中的应用。  
   
图3  通用变频器用电流检测及过流保护电路   
   
3.1电流检测过流保护电路    
　　变频器电流检测信号可以用于电机的转矩和电流控制以及过流保护。其检测方法主要有直接串联取样电阻法，电流互感器法等，考虑到控制性能的要求，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最常见的故障，也是损坏变频器最主要的原因。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。   
过流保护最简单的方法是熔断器保护法，但这种保护动作慢，不能实现快速保护，尤其是不能直接保护IGBT、MOSFET等熔通达时间小的高性能器件。因此须配置电子式保护电路，其结构组成主要包括电流检测、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检测及过流保护电路。其工作原理为：U、V两相电流检测信号来自输出端的LEM电流传感器，经首级运放A6和A5放大后送入二级运放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控制器实现调速策略。每一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，此信号经三极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。一旦过流，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，通过三极管VT2放大后去关闭IGBT的驱动信号并通知CPU发出过电流报警信号。单稳态触发器的作用是避免一些干扰信号或瞬间尖峰电流造成的保护电路误动作，保证变频器正常工作。   
3.2电压检测与保护电路   
通用变频器中的电压检测环节主要有直流侧电压检测和输出侧电压检测。尽管我们经常假设变频器直流侧电压是不变的，但事实上它一直是波动的。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，乃至高性能控制策略的实施都经常需要直流电压的瞬时值或有效值。例如近年来人们已经发现性能优越的矢量控制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，几乎所有的解决方案都需要精密检测直流电压，因此合理设计直流电压检测电路是非常重要。变频器直流侧电压的检测可采用电阻分压、电压互感器、线性光耦等，若选用LEM电压传感器则能进一步提高控制品质。   
 
图4  直流电压检测与保护电路   

通用变频器直流电压检测及保护电路如图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发出相应的报警信号。   
比较器参考电压取自电阻R51~R57组成的分压器，10V标准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隔离、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。经过隔离、滤波、反向处理，最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。一旦交流电源电压高于460V，电压取样随即高于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报警信号，并按预定的控制顺序关机。   
  变频器输出交流电压的控制与检测也是很重要，特别是目前引起人们关注的无速度传感器矢量控制算法，要求必须精确测量输出电压。限于篇幅所限，不再详细给出。   
4．结束语   
通用变频器的检测与保护电路直接关系到系统运行的安全性、可靠和控制精度，是变频器必不可少的组成部分。其中，传感器的选择是很重要的一个环节。本文介绍了LEM电流、电压传感器的工作原理和主要特性，并给出了其在通用变频器检测及保护中的应用。实践证明，LEM传感器在检测精度、响应速度、可靠性等方面具有的优点是普通传感器无与伦比的。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，凡是需要检测直流、交流、脉动电流、电压及其用这些测量值进行控制的系统，均可采用LEM传感器，因此，LEM电流传感器在各种电源、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。