霍尔电流电压传感器的原理与应用

霍尔电流电压传感器的原理与应用

长期以来，人们使用分流器和分压器检测电流和电压，但该方法不能隔离主电路，不安全，精度低。后来人们又发明了互感器。与直接分流、分压的方法相比,实现了主回路进行隔离检测,但它的应用范围较窄,只适用于50Hz正弦波的工频检测,对于其他波形电流、电压的测量它就无能为力了。随着电力电于技术的发展,原有的电流检测元件(如分流器、互感器)已不能满足中、高频、高di/dt、宽频谱电流波形的传递,霍尔电流电压传感器是弥补这一空缺的、有着广泛应用范围和前景的主要检测元件。霍尔电流电压传感器以测量范围广,响应速度快,测量精度高,线性度好,动态性能好,工作频带宽,可靠性高,平均无故障工作时间长,过载能力强、测量范围大,体积小、重量轻、易于安装等特点迅速得以在变频调速装置、逆变装置、UPS电源、逆变焊机、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测电流电压的各个领域中使用。1固定磁场的产生霍尔电流电压传感器是一种新型的电检测元件,它是根据霍尔原理制成的。当被测的电流通过一根导线时,在该导线周围产生磁场B,这一磁场的大小与流过导线的电流成正比。将霍尔器件放置在磁场B之中,当电路中所产生的电流I通过提供给霍尔器件的两端时,则霍尔器件的另外两端将输出一个霍尔电压Uh。输出电压Uh与输入电流I将满足以下的表达式Uh=±Kh×(I×B)×sinΦ(1)式中,Kh为霍尔系数,Φ为电流与磁场的夹角。2工作模式2.1磁平衡式闭环磁平衡式开环式霍尔电流传感器通电导线周围所产生的磁场与流过导线的电流成正比,该磁场通过聚磁环聚集感应到霍尔器件上,使之有信号输出。因为霍尔器件有良好的线性,可用标定后的霍尔输出测出电流的大小。这种模式称为直接检测式。其检测电流数学表达式I=KUh(2)不带放大器的输出只有几十毫伏,经过线性放大获得几伏的输出。2.2磁平衡式(闭环)磁平衡式又称磁补偿式,它是一种闭环式霍尔电流传感器。当主回路有一电流通过时,由导线所产生的磁场被聚磁环所聚集,感应霍尔器件使之有一信号输出,这一信号驱动相应的功率管导通,从而获得一个补偿电流IS。这一电流通过多匝绕组产生的磁场与被测电流产生的磁场正好相反,因而补偿了原来的磁场,使霍尔器件的输出逐渐减小。当IP与匝数相乘所产生的磁场与IS与匝数相乘所产生的磁场相等时,IS不再增加,霍尔器件起到零磁通的作用。此时可以通过IS来测试IP,当IP变化时,平衡受到破坏,霍尔器件就有信号输出,即重复上述过程重新达到平衡,霍尔器件就有信号输出,经放大后,立即有响应的电流流过二次绕组,对失衡的磁场进行补偿。从磁场的失衡到再次平衡所需要的时间不到1μs,这是一个动态平衡的过程。因此,从宏观上看,二次补偿电流的安匝数在任何时间都与一次被测电流的安匝数相等,即Np×IP=Ns×IS(3)式中,Np为一次匝数;Ip为一次电流;Ns为二次匝数;IS为二次补偿电流。测得IS的大小,即可求的被测电流的Ip的大小。2.3工业环境测量两种模式传感器的传感器建立时间典型值约为1μs,检测的电流的范围均可达几百安～几万安,可满足大电流工业环境测量控制的要求;均可测任何波形的电流,测量精度均较高,一般精度优于1%,在窄温区使用时可达到0.5%或更高;线性度好,直接检测式优于1%,磁平衡式优于0.1%;频带宽,磁平衡式可达到0～100kHz的频率响应,直检型可达到0～20kHz;测量区间宽,过载能力强。3使用方法3.1磁补偿电流传感器测量电路电流传感器的使用连接比较简单,首先需要外接正负直流电源,然后将被测电流的导线从其中穿过,二次侧端子再作简单连接,即可完成主回路与检测回路的隔离检测。若与变送器配合使用,经A/D变换,可方便地与计算机和各种仪表接口连接,并可以长线传输。下面说明磁平衡式电流传感器(以CHB系列为例)的使用。该系列传感器的连线如图1所示。它有3个接线端子:①+端:正电源输入端;②-端:负电源输人端;③M端:信号输出端。由于该系列传感器输出信号为电流方式,如果要取电压输出方式,用户需在M端与电源地之间根据所取电压大小外接一个取样电阻Rmax。阻值的上限由下式决定Rmax=(Uc-Uce-RiIs)/Is(4)式中,Uc为电源电压;Uce为晶体管饱和压降;Is为输出电流;Ri为传感器内阻,一般该电阻的数值在几十～几百欧。3.2参数计算直测式电流传感器,其输出为电压信号,一般不需要计算,使用时只需选取相应的额定值与测量电流配合即可;磁补偿电流传感器其测量范围取决于电源所能提供的副边补偿电流Is的能力;所以磁补偿式电流传感器在使用时,根据所测物理量的大小,都有参数计算的问题。由磁补偿式电流传感器功率输出级电路可知:它的测量范围与电源电压、内阻压降、输出电压有关。内阻出厂时已设定,对用户来说,只需选取电源电压和测量电阻(又称取样电阻)Rm。测量时如果需要所期望的输出电压值,就要通过计算选取适当的Rm值。电源能提供补偿电流Is的能力为Ismax=(Umin-Uce)/(Ri+Rm)(5)式中,Ismax为最大测试补偿电流;Umin为正负最小电源电压;Uee为晶体管饱和压降;Ri为传感器内阻。若磁补偿式电流传感器二次线匝数比为Np:Ns=1:5000,U=±15V(±5%),Ri=30Ω,Uce=0.5V,当所测电流峰值为1000A时,考虑Rm上能否得到10V的输出电压。由于Is=1000A×(1/5000)=0.2ARm=Um/Is=10V/0.2A=50Ω这是理想情况,在实际电路中,可能得到的最大测试补偿电流由下式决定Ismax=(Umin-Uce)/(Ri+Rm)=(14.25-0.5)/(30+50)=0.172A这一最大测试补偿电流所对应的最大峰值电流为Rpmax=Ismax×Ns=0.172×5000=860A它不足以测量1000A的峰值电流,Rm必须重新由下式选定Rmmax=(Umin-Uce-Rils)/Is=(14.25-0.5-30×0.2)/0.2=39Ω因此当Rm=39Ω时,测量1000A的峰值电流,在Rm上得到的电压为Um=0.2×39=7.8V。若想在测量1000A时得到10V的输出电压,只有提高供电电压。比如选U=18V,此时,Ismmax=(Umin-Uce)/(Ri+Rm)=(17.1-0.5)/(30+50)=0.2075A这一最大测试补偿电流所对应的最大峰值电流为Rpmax=Ismax×Ns=0.2075×5000=1037A这样,即满足了测量要求。4双向电源的转换在复杂的设备中,往往要使用多种电源。为确保整个设备正常工作,必须先分别打开直流、单相交流和三相交流三种电源的开关,然后再用联动开关接通。关机时,先关联动开关,再关各电源开关。在使用过程中,往往因为未严格执行以上程序,一再出现问题,轻者设备起动程序紊乱,使工作准备时间超过技术要求;重者可使设备中的导电环和电刷损坏,零组件碰撞变形,甚至发生电机烧毁事故。为此,这类设备都增设了检测保护电路进行连锁:当直流、单相交流和三相交流中的任意一相末接通时,任何电源的电压都不能输进设备中去。这样操作者可按任意次序开启和切断各种电源。直流、交流电源可用连动开关控制,而三相电源的缺相由于其随机性难以控制。传统的做法是检测电压,当三相电源缺任一相时,依靠控制电路使其余两相也不能加于设备中。然而,理论分析和实践均证明,三相电源缺任一相时,负载端电压可在一段时间内继续维持。特别是像电机这样的感性负载。所以利用电压来进行控制的做法是不可取的。而缺相时电流一定发生了很大变化。利用电流的变化实施控制的做法是可行的。霍耳电流传感器正好为电流的检测提供了简便的办法。图2为检测电流时相关控制电路。当导线中有电流流过时,在导线周围将产生弱磁场。因而就可用霍耳电流传感器检测导线周围磁场的变化,从而确定导线中电流的变化。信号处理部分由若干个完全相同的电路组成,每一个电路中霍耳电流传感器对应于某一种(或某一相)电源。图中只给出了对应于一相的电路。R1与W产生基准