LEM电流互感器原理简析

在智能化较高的电子设备上，应用最多的是电子式电流互感器，其突出优点在于把普通电流传感器与霍尔元件、电子电路有机地结合起来，既沿袭了普通传感器测量范围宽的长处，又发挥了电子电路反应速度快的优势。而且大大拓展了其应用范围，可用于对交流、直流及脉动电流进行测量。

该类电子式传感器，有些为非标产品，系变频器生产厂家自行制作的，通用性较差。近年来也有一些厂家专门生产通用性较好的电子式电流传感器，本机例所采用的是莱姆电流传感器（由瑞士LEM公司推出的产品）。其外形、内部结构和原理框图如图7-3所示。

图7-3 LEM电流互感器外形、内部结构和原理框图

LEM有源电流互感器（以下简称LEM电流互感器）为中间有透孔，三引线端的方形塑封器件，中间透孔供穿过变频器的输出电流引线，作为电流互感器的一次侧，穿绕匝数一般为1匝；三引线端，其中两引线为供电电源引入，一引脚为电流检测信号输出。其内部结构含带空隙铁心（空隙处供放置霍尔元件）、二次侧线圈、电子电路板。输出电流信号在外置负载电阻上，可以转化为表征着输出电流大小的线性电压信号。

LEM（LA108-P型）电流互感器测绘电路如图7-4所示。

图7-4 LEM（LA108-P型）电流互感器测绘电路图

注：为便于原理分析，图中元器件序号为作者所添加。(www.xing528.com)

LEM电流互感器的工作原理（参见图7-3c）电路与图7-4电路）：

LEM电流互感器的原理是磁场平衡式的，由闭环控制完成零磁通检测的任务。即主电流回路所产生的磁场，通过一个二次线圈L1（1000匝，直流电阻99Ω）的电流所产生的磁场进行了补偿，使霍尔元件U1始终处于检测零磁通的工作状态。当主回路有一大电流I_p流过时，在导体周围产生相应的电磁场H_p，穿过磁场的磁力线被聚集环聚集，并作用于霍尔元件，霍尔元件U1产生电流信号输出；此电流信号经信号放大器U2（差分放大器）放大，输入至功率放大电路（由VT1、VT2构成的互补放大器），从而产生一个流经L1的补偿电流I_s。I_s流经L1，产生电磁场H_s，因与H_p大小相等方向相反而互相抵消，可以认为是补偿了原来的磁场，使U1输出信号逐渐减小，至H_s=H_p时，则I_s不再增加。电路的动态控制结果，使I_s=I_p，H_s=H_p，使U1检测到的磁通量为零。

这是一个时间极短的动态平衡过程，即主电路I_p的任何变化都会破坏这一平衡磁场。磁场一旦失衡，U1即产生信号输出，即有相应电流流过L1进行补偿，从宏观上看，二次补偿电流的安匝数在任何时间，都与主电路的安匝数一样，即

N_pI_p+N_sI_s=0

式中，N_p为一次侧匝数；N_s为二次侧匝数；I_p为一次侧电流；I_s为二次侧电流。

在实际应用LEM电流互感器时，通过测量负载电阻R_m上的电压降V_m，从而得到主电路电流值I_p。

KV1900型11kW变频器，如图7-5所示，仅在V、W输出回路中串入U4/V、U5/W等两只LEM电流互感器，省掉了U相电流互感器，这也是变频器电流采样电路经常采用的方案——由后续电路可以方便地生成U相电流检测信号。为区别两路电流检测信号，将其信号输出端分别标记为M和M∗。