霍爾電流電壓傳感器的原理與應(yīng)用

霍爾電流電壓傳感器的原理與應(yīng)用

長期以來，人們使用分流器和分壓器檢測電流和電壓，但該方法不能隔離主電路，不安全，精度低。后來人們又發(fā)明了互感器。與直接分流、分壓的方法相比,實現(xiàn)了主回路進(jìn)行隔離檢測,但它的應(yīng)用范圍較窄,只適用于50Hz正弦波的工頻檢測,對于其他波形電流、電壓的測量它就無能為力了。隨著電力電于技術(shù)的發(fā)展,原有的電流檢測元件(如分流器、互感器)已不能滿足中、高頻、高di/dt、寬頻譜電流波形的傳遞,霍爾電流電壓傳感器是彌補(bǔ)這一空缺的、有著廣泛應(yīng)用范圍和前景的主要檢測元件?；魻栯娏麟妷簜鞲衅饕詼y量范圍廣,響應(yīng)速度快,測量精度高,線性度好,動態(tài)性能好,工作頻帶寬,可靠性高,平均無故障工作時間長,過載能力強(qiáng)、測量范圍大,體積小、重量輕、易于安裝等特點(diǎn)迅速得以在變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS電源、逆變焊機(jī)、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測電流電壓的各個領(lǐng)域中使用。1固定磁場的產(chǎn)生霍爾電流電壓傳感器是一種新型的電檢測元件,它是根據(jù)霍爾原理制成的。當(dāng)被測的電流通過一根導(dǎo)線時,在該導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場B,這一磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比。將霍爾器件放置在磁場B之中,當(dāng)電路中所產(chǎn)生的電流I通過提供給霍爾器件的兩端時,則霍爾器件的另外兩端將輸出一個霍爾電壓Uh。輸出電壓Uh與輸入電流I將滿足以下的表達(dá)式Uh=±Kh×(I×B)×sinΦ(1)式中,Kh為霍爾系數(shù),Φ為電流與磁場的夾角。2工作模式2.1磁平衡式閉環(huán)磁平衡式開環(huán)式霍爾電流傳感器通電導(dǎo)線周圍所產(chǎn)生的磁場與流過導(dǎo)線的電流成正比,該磁場通過聚磁環(huán)聚集感應(yīng)到霍爾器件上,使之有信號輸出。因為霍爾器件有良好的線性,可用標(biāo)定后的霍爾輸出測出電流的大小。這種模式稱為直接檢測式。其檢測電流數(shù)學(xué)表達(dá)式I=KUh(2)不帶放大器的輸出只有幾十毫伏,經(jīng)過線性放大獲得幾伏的輸出。2.2磁平衡式(閉環(huán))磁平衡式又稱磁補(bǔ)償式,它是一種閉環(huán)式霍爾電流傳感器。當(dāng)主回路有一電流通過時,由導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場被聚磁環(huán)所聚集,感應(yīng)霍爾器件使之有一信號輸出,這一信號驅(qū)動相應(yīng)的功率管導(dǎo)通,從而獲得一個補(bǔ)償電流IS。這一電流通過多匝繞組產(chǎn)生的磁場與被測電流產(chǎn)生的磁場正好相反,因而補(bǔ)償了原來的磁場,使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)IP與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場與IS與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場相等時,IS不再增加,霍爾器件起到零磁通的作用。此時可以通過IS來測試IP,當(dāng)IP變化時,平衡受到破壞,霍爾器件就有信號輸出,即重復(fù)上述過程重新達(dá)到平衡,霍爾器件就有信號輸出,經(jīng)放大后,立即有響應(yīng)的電流流過二次繞組,對失衡的磁場進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場的失衡到再次平衡所需要的時間不到1μs,這是一個動態(tài)平衡的過程。因此,從宏觀上看,二次補(bǔ)償電流的安匝數(shù)在任何時間都與一次被測電流的安匝數(shù)相等,即Np×IP=Ns×IS(3)式中,Np為一次匝數(shù);Ip為一次電流;Ns為二次匝數(shù);IS為二次補(bǔ)償電流。測得IS的大小,即可求的被測電流的Ip的大小。2.3工業(yè)環(huán)境測量兩種模式傳感器的傳感器建立時間典型值約為1μs,檢測的電流的范圍均可達(dá)幾百安～幾萬安,可滿足大電流工業(yè)環(huán)境測量控制的要求;均可測任何波形的電流,測量精度均較高,一般精度優(yōu)于1%,在窄溫區(qū)使用時可達(dá)到0.5%或更高;線性度好,直接檢測式優(yōu)于1%,磁平衡式優(yōu)于0.1%;頻帶寬,磁平衡式可達(dá)到0～100kHz的頻率響應(yīng),直檢型可達(dá)到0～20kHz;測量區(qū)間寬,過載能力強(qiáng)。3使用方法3.1磁補(bǔ)償電流傳感器測量電路電流傳感器的使用連接比較簡單,首先需要外接正負(fù)直流電源,然后將被測電流的導(dǎo)線從其中穿過,二次側(cè)端子再作簡單連接,即可完成主回路與檢測回路的隔離檢測。若與變送器配合使用,經(jīng)A/D變換,可方便地與計算機(jī)和各種儀表接口連接,并可以長線傳輸。下面說明磁平衡式電流傳感器(以CHB系列為例)的使用。該系列傳感器的連線如圖1所示。它有3個接線端子:①+端:正電源輸入端;②-端:負(fù)電源輸人端;③M端:信號輸出端。由于該系列傳感器輸出信號為電流方式,如果要取電壓輸出方式,用戶需在M端與電源地之間根據(jù)所取電壓大小外接一個取樣電阻Rmax。阻值的上限由下式?jīng)Q定Rmax=(Uc-Uce-RiIs)/Is(4)式中,Uc為電源電壓;Uce為晶體管飽和壓降;Is為輸出電流;Ri為傳感器內(nèi)阻,一般該電阻的數(shù)值在幾十～幾百歐。3.2參數(shù)計算直測式電流傳感器,其輸出為電壓信號,一般不需要計算,使用時只需選取相應(yīng)的額定值與測量電流配合即可;磁補(bǔ)償電流傳感器其測量范圍取決于電源所能提供的副邊補(bǔ)償電流Is的能力;所以磁補(bǔ)償式電流傳感器在使用時,根據(jù)所測物理量的大小,都有參數(shù)計算的問題。由磁補(bǔ)償式電流傳感器功率輸出級電路可知:它的測量范圍與電源電壓、內(nèi)阻壓降、輸出電壓有關(guān)。內(nèi)阻出廠時已設(shè)定,對用戶來說,只需選取電源電壓和測量電阻(又稱取樣電阻)Rm。測量時如果需要所期望的輸出電壓值,就要通過計算選取適當(dāng)?shù)腞m值。電源能提供補(bǔ)償電流Is的能力為Ismax=(Umin-Uce)/(Ri+Rm)(5)式中,Ismax為最大測試補(bǔ)償電流;Umin為正負(fù)最小電源電壓;Uee為晶體管飽和壓降;Ri為傳感器內(nèi)阻。若磁補(bǔ)償式電流傳感器二次線匝數(shù)比為Np:Ns=1:5000,U=±15V(±5%),Ri=30Ω,Uce=0.5V,當(dāng)所測電流峰值為1000A時,考慮Rm上能否得到10V的輸出電壓。由于Is=1000A×(1/5000)=0.2ARm=Um/Is=10V/0.2A=50Ω這是理想情況,在實際電路中,可能得到的最大測試補(bǔ)償電流由下式?jīng)Q定Ismax=(Umin-Uce)/(Ri+Rm)=(14.25-0.5)/(30+50)=0.172A這一最大測試補(bǔ)償電流所對應(yīng)的最大峰值電流為Rpmax=Ismax×Ns=0.172×5000=860A它不足以測量1000A的峰值電流,Rm必須重新由下式選定Rmmax=(Umin-Uce-Rils)/Is=(14.25-0.5-30×0.2)/0.2=39Ω因此當(dāng)Rm=39Ω時,測量1000A的峰值電流,在Rm上得到的電壓為Um=0.2×39=7.8V。若想在測量1000A時得到10V的輸出電壓,只有提高供電電壓。比如選U=18V,此時,Ismmax=(Umin-Uce)/(Ri+Rm)=(17.1-0.5)/(30+50)=0.2075A這一最大測試補(bǔ)償電流所對應(yīng)的最大峰值電流為Rpmax=Ismax×Ns=0.2075×5000=1037A這樣,即滿足了測量要求。4雙向電源的轉(zhuǎn)換在復(fù)雜的設(shè)備中,往往要使用多種電源。為確保整個設(shè)備正常工作,必須先分別打開直流、單相交流和三相交流三種電源的開關(guān),然后再用聯(lián)動開關(guān)接通。關(guān)機(jī)時,先關(guān)聯(lián)動開關(guān),再關(guān)各電源開關(guān)。在使用過程中,往往因為未嚴(yán)格執(zhí)行以上程序,一再出現(xiàn)問題,輕者設(shè)備起動程序紊亂,使工作準(zhǔn)備時間超過技術(shù)要求;重者可使設(shè)備中的導(dǎo)電環(huán)和電刷損壞,零組件碰撞變形,甚至發(fā)生電機(jī)燒毀事故。為此,這類設(shè)備都增設(shè)了檢測保護(hù)電路進(jìn)行連鎖:當(dāng)直流、單相交流和三相交流中的任意一相末接通時,任何電源的電壓都不能輸進(jìn)設(shè)備中去。這樣操作者可按任意次序開啟和切斷各種電源。直流、交流電源可用連動開關(guān)控制,而三相電源的缺相由于其隨機(jī)性難以控制。傳統(tǒng)的做法是檢測電壓,當(dāng)三相電源缺任一相時,依靠控制電路使其余兩相也不能加于設(shè)備中。然而,理論分析和實踐均證明,三相電源缺任一相時,負(fù)載端電壓可在一段時間內(nèi)繼續(xù)維持。特別是像電機(jī)這樣的感性負(fù)載。所以利用電壓來進(jìn)行控制的做法是不可取的。而缺相時電流一定發(fā)生了很大變化。利用電流的變化實施控制的做法是可行的?；舳娏鱾鞲衅髡脼殡娏鞯臋z測提供了簡便的辦法。圖2為檢測電流時相關(guān)控制電路。當(dāng)導(dǎo)線中有電流流過時,在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生弱磁場。因而就可用霍耳電流傳感器檢測導(dǎo)線周圍磁場的變化,從而確定導(dǎo)線中電流的變化。信號處理部分由若干個完全相同的電路組成,每一個電路中霍耳電流傳感器對應(yīng)于某一種(或某一相)電源。圖中只給出了對應(yīng)于一相的電路。R1與W產(chǎn)生基準(zhǔn)