传感器在电梯变频器中的应用

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电梯行业是一个自上世纪90年代就开始飞速发展的行业。二十年以来，电梯技术更迭迅速，客户对电梯的装潢、舒适性、价格、环境保护等方面提出了越来越高越来越多样化的要求，整个电梯产业正向着系统越来越稳定、运行越来越平稳、成本越来越低廉、控制越来越精确的方向发展。随着电力电子技术的迅猛发展，PWM变频器在电梯中应用越来越广泛。为确保电梯的安全性和舒适性，PWM变频器的保护和运行状态监测显得尤为重要。由于电梯可能被安装在世界各地，各个地方的环境各不相同，在不同环境下让PWM变频器能良好运行成为PWM变频器设计时考虑的重要方面，因此对变频器的电压电流等物理量进行实时监测也成为电梯变频器设计时必须考虑的一点。以下介绍一个变频器为保护和精确控制设置而选择传感器的方案，这是一个试验方案，到目前为止运行良好。 PWM变频器检测点具体分析和设置 我们设计的PWM变频器其拓扑如下图所示        

  图一  变频器系统拓扑

　　为保护IGBT模块，系统需要在主回路直流侧检测流入IGBT的电流，当某一相出现过流或短路时，控制回路能够在足够短的时间内关闭IGBT模块，以防止模块烧毁或爆炸。同时为了保护电容系统需要检测主回路直流侧的电容，当电压出现异常时能够通知控制系统关闭逆变器以检查问题。同时系统需要检测输入电动机的电流用于控制电机。通常情况下由于三相平衡，电机电流检测只需要检测两相，另一相电流由计算得出。

　　因此在这个变频器中一共需要三个电流传感器，图一中三个椭圆环表示检测位置。其检测点A用于保护电容和IGBT模块，检测点B和C是为精确控制电机而设置的。根据控制程序和控制电路的设定，A点的电压被控制在一定的范围之内。当电动机处于电动状态时，电压会降低；而当电动机处于再生状态时，A点的电压将上升。如果A点的电压达到某一限定值，控制电路将IGBT 7开通，将电能释放到再生电阻上，如果再生电阻的上消耗的功率能够满足设计要求，此时的A点的电压将回落，回落至一定的电压后控制电路将IGBT 7关闭。

由上可知检测点A的电压是一个直流脉动电压。检测A点电压有如下两个目的 （1）检测主回路电容是否存在异常。主回路电容可能会因为设计失误电容容量不足或者长期运行导致电容容量下降，而电容容量下降到一定程度时可能会影响变频器正常运行，因此检测电容是否正常十分重要。电容容量过小会使主回路直流侧的电压在电容充电过程中上升得非常快，控制电路在检测A点电压过程中就可以大致判断电容容量是否正常，如果不正常就停止变频器运行。

　（2）主回路电压异常升高时保护主回路电容和IGBT模块 主回路电压出现异常大致有以下两种情况： 　

　①IGBT 7出现异常，无法正常开通或关断IGBT，或者由于再生电阻的接线错误无法及时释放电动机再生运行时产生的能量，致使主回路的电压异常升高

　②变频器输入电源电压出现异常升高。 变频器输入电源电压升高也会导致主回路直流侧电压升高，控制回路在接受到异常的电压信号以后可以及时地关断变频器。根据以上的目的我们可以对该点的电压传感器提出以下的要求

（1）高精度。 通常AC 380V输入的逆变器在直流侧的工作电压会被设定到500V至700V之间。而主回路直流侧电压波动直接影响电容发热和寿命，10V和20V的电压波动会给电容寿命带来很大的差别。而该电压传感器直接控制电容上的纹波电压，因此传感器需要很高的精度.　

（2）高速度 电压异常升高时升高的速度可能非常快，因此需要一个足够快的传感器及时把电压信息传递给控制电路。 　　

（3）低温度漂移。 电梯可能被安装在世界各地，工作环境大不相同，因此传感器应在不同的工作温度情况下都能提供较高的精度。

（4）允许在较高的温度下正常运行 　　逆变器是一个发热量较高的部件。出于安装和制造方便，该传感器会被安装在离IGBT模块、电容、散热器很近的温度较高的部位，当外界环境温度在40℃以上时温度会更高，传感器应能在这样恶劣的环境下正常工作。

　　通常情况下在A点检测电流也是必须的。设置在A点的电流传感器用于实时检测主回路直流侧的电流，当后端短路时（电动运行时监测流入IGBT模块的电流，再生运行时检测流入再生电阻的电流）该传感器应该能及时地把电流信号传送给控制电路。因为设计原因（比如死区时间设置得不够长）或者一些外部因素（比如说天气恶劣导致结露）使上下桥臂出现瞬时短路时，在A点会出现一个很大的电流，这个电流经过IGBT模块会导致模块急剧发热而损坏模块甚至爆炸。因此在A点的电流传感器需要能够及时响应母线上的电流变化，以供控制电路及时关断模块 　

　因此我们可以对该点的电流传感器提出以下的要求 　　

（1）较高精度 ,为避免IGBT在系统出现问题时因传感器的误差而无法及时保护，或者系统在正常运行时因传感器的误差使得保护电路误动作，A点电流互感器需要有较高的精度.

（2）高速度 ,当IGBT出现过流时，传感器是否能快速响应该电流并及时把信号传送给控制电路成为保护IGBT模块不受损害的关键。一个高速的传感器可以避免成为保护系统的速度瓶颈。

（3）低温度漂移

（4）允许在较高的温度下正常运行

设置在B点和C点的电流传感器用于精确控制电动机。传感器给出的电流值送入电机闭环控制系统，用来检测当前电机的运行状况，同时控制系统根据该电流值对系统进行修正，以更好的控制电机。这两个传感器在安装位置上可以远离IGBT等发热量较大的部件。这样我们可以对该传感器提出以下要求：

（1） 较高精度，较高速度 要精确控制电动机，电流的反馈信号应该足够准确，速度也应该足够快，至少能让控制系统采样时能够得到足够的采样信号。（2）低温度漂移

　根据以上要求，选择A点的电压传感器为JCE的JCE1000V-L100。该电压传感器具有原副边的屏蔽层，能大大降低IGBT逆变器高速开关信号所产生的干扰。JCE1000V-L100采用±15V双电源供电，输出-50mA~50mA，可测量1000V电压，测量电压频率可达500kHz（1000V时），25℃时的误差为±0.2%（1000V），温度漂移被控制在0.3mA，允许工作温度为-40℃~85℃，完全符合电梯变频器的使用要求。使用JCE1000V-L100传感器的后续电路就十分简单（如图二所示）。其中REF1为IGBT 7开通时的参考电压，REF2为IGBT 7关断时的参考电压，REFC用于检测电容容量是否足够。 　　为了能够检测电容容量，我们给电容提供了一个充电回路，在变频器尚未开始工作时就以一定的电流给电容充电，同时检测电容的电压，如果电压升高过快则由控制系统输出错误信号。

  图二  A点电压传感器后续电路简图

　　A点的电流传感器的选择根变频器的IGBT模块选择有关。如果我们选择100A的IGBT模块，可以把过流设置在100A至120A之间。根据要求选择JCE200-AP电流传感器。该传感器可以测量200A的电流，采用±15V双电源供电，测量200A电流时输出100mA的电流，25℃时的误差为±0.4%，捡测90A电流的时候其响应速度被控制在了1μs之内，如果控制回路响应速度足够快就能够避免IGBT模块因长时过流而烧毁。该传感器需在印刷电路板安装，可工作于-40~85℃的环境。JCE200-AP是闭环电流传感器，和开环传感器相比有精度高、响应时间短、温度漂移低，线性度好等优点，其缺点是成本较高。使用JCE200-AP传感器的后续电路简图如图三所示。其中REF3为主回路过流时的参考电压。

  图三 A点电流传感器后续电路简图

　　设置在B点和C点的电流传感器的选择需要根据电动机的电流大小，并且需要考虑电机启动或者发生异常时出现大电流时可以正常检测，不至于传感器饱和。上面的100A逆变器可以选用JCE100-ASS电流传感器。该传感器使用±15V双电源供电，可以测量100A电流，电流100A时输出4V电压，25℃时的误差为±1%，响应时间在3μs以内。，可用于-10~80℃的环境。JCE100-ASS是一个开环传感器，体积小重量轻成本较低，精度基本能满足使用需求。后续电电路如图四所示。

图四 B、C点的电流传感器后续电路简图

　　本方案选用的传感器均为JCE公司的产品。该公司在传感器行业遥遥领先，几乎处于一个半垄断的地位。JCE公司为全世界传感器市场提供了各种各样的传感器，被广泛应用于电力电子、机器人、电梯、医疗等行业，相比其他传感器公司的产品有技术领先成本低廉种类多样等优势。这是我们在本方案中选择JCE传感器的原因。目前本方案仍处于开发阶段。由于安装位置的不同，设置在A点的两个传感器工作温度大致在30~80℃之间，而设置在B、C点的传感器工作温度在10~60℃之间，从试验的情况来看各个传感器工作良好，为系统可靠而良好运行提供了快速准确的电压电流信息。

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