論霍爾電流電壓傳感器的性能及應(yīng)用

時間：2015-11-22作者：上海杭榮電氣有限公司瀏覽：92

	
		
			
				
					
						
論霍爾電流電壓傳感器的性能及應(yīng)用
					
				
			
			
				
					
						 
					
				
			
			
				
					
						    
					
					
						摘要：霍爾電流、電壓傳感器是當(dāng)今電子測量領(lǐng)域中應(yīng)用較多的傳感器件之一，可廣泛用于電力、電子、交流變頻調(diào)速、逆變裝置、電子測量和開關(guān)電源等諸多領(lǐng)域，可完全替代傳統(tǒng)的互感器和分流器，并具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失測量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。 
1 引言
 近年來，新一代功率半導(dǎo)體器件大量進(jìn)入電力電子、交流變頻調(diào)速、逆變裝置及開關(guān)電源等領(lǐng)域。原有的電流、電壓檢測元件已不適應(yīng)中高頻、高di/dt電流波形的傳遞和檢測。霍爾電流、電壓傳感器是近十幾年發(fā)展起來的測量控制電流、電壓的新一代工業(yè)用電量傳感器，是一種新型的高性能電氣檢測元件。
 霍爾電流、電壓傳感器由于具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失被測電路能量等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS電源、逆變焊機(jī)、變電站、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)和需要隔離檢測大電流、電壓的各個領(lǐng)域中。在電力電子產(chǎn)品中，對大電流、電壓進(jìn)行精確的檢測和控制也是產(chǎn)品安全可靠運(yùn)行的根本保證。
2 霍爾傳感器的性能特點(diǎn)
 霍爾電流、電壓傳感器具有優(yōu)越的電性能，是一種**的、能隔離主電路回路和電子控制電路的電檢測元件。它綜合了互感器和分流器的所有優(yōu)點(diǎn)，同時又克服了互感器和分流器的不足（互感器只適用于50Hz工頻測量；分流器無法進(jìn)行隔離測量）。利用同一只霍爾電流電壓傳感器檢測元件既可以檢測交流也可以檢測直流，甚至可以檢測瞬態(tài)峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代產(chǎn)品?；魻栯娏鳌㈦妷簜鞲衅骶哂腥缦绿攸c(diǎn)：
 ●可測量任意波形的電壓和電流?；魻栯妷?、電流傳感器可以測量任意波形的電流和電壓參量，如直流、交流和脈沖波形等。也可以對瞬態(tài)峰值參數(shù)進(jìn)行測量，其副邊電路可以忠實地反映原邊電流的波形。這一點(diǎn)普通互感器無法與其相比，因為普通的互感器一般只適用于50Hz的正弦波；
 ●精度高。一般的霍爾電流電壓傳感器在工作區(qū)域內(nèi)的精度**1%，該精度適合于任何波形的測量，而普通互感器精度一般為3%～5%，且只適合于50Hz的正弦波形；
 ●線性度**0.5%；
 ●動態(tài)性能好。一般霍爾傳感器的動態(tài)響應(yīng)時間小于7μs，跟蹤速度di/dt**50A/μs；
霍爾電流電壓傳感器以其優(yōu)異的動態(tài)性能為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)（無感元件）。一般普通互感器的動態(tài)響應(yīng)時間為10～20μs，這顯然已不適應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的需要（感性元件）；
 ●工作頻帶寬?？稍?～20kHz頻率范圍內(nèi)很好地工作；
 ●過載能力強(qiáng)，測量范圍大（0～±10000A）
 ●可靠性高，平均無故障工作大于5×10000小時；
 ●尺寸小，重量輕，易于安裝且不會給系統(tǒng)帶來任何損失。
3 霍爾傳感器的工作原理
 霍爾電流、電壓傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的。它有兩種工作方式，即磁平衡式和直放式?；魻栯娏?、電壓傳感器一般由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、（次級線圈）和放大電路等組成。
3.1 直放式電流傳感器（開環(huán)式HDC系列）
 眾所周知，當(dāng)電流通過一根長導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場，這一磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，它可以通過磁芯聚集感應(yīng)到霍爾器件上并使其有一信號輸出。這一信號經(jīng)信號放大器放大后直接輸出，一般的額定輸出標(biāo)定為4V。
3.2 磁平衡式電流傳感器（閉環(huán)式HNC系列）
 磁平衡式電流傳感器也稱補(bǔ)償式傳感器，即主回路被測電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈電流所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。
 磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為：當(dāng)主回路有一電流通過時，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號輸出用于驅(qū)動相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個補(bǔ)償電流Is。這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場，該磁場與被測電流產(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)與Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場相等時，Is不再增加，這時的霍爾器件起指示零磁通的作用，此時可以通過Is來跟蹤Ip。當(dāng)Ip變化時，平衡受到破壞，霍爾器件有信號輸出，即重復(fù)上述過程，最后重新達(dá)到平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1μs，這是一個動態(tài)平衡的過程。
3.3 霍爾電壓傳感器（閉環(huán)式HNV系列）
霍爾電壓傳感器的工作原理與閉環(huán)式電流傳感器相似，也是以磁平衡方式工作的。
4 霍爾傳感器的連接方式
電流、電壓傳感器只需外接正負(fù)直流電源，被測電流母線一般從傳感器中穿過或接于原邊端子，然后在副邊端再作一些簡單的連接即可完成主控制電路的隔離檢測，電路設(shè)計非常簡單。
若與變送器配合使用，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，可方便地與計算機(jī)或各種儀表接口，并可以進(jìn)行長距離傳輸。
4.1 磁平衡（補(bǔ)償）式接線法
 磁平衡（補(bǔ)償）式電流、電壓傳感器/變換器有HNC、HNV兩系列：其輸出信號多為電流。（若需要電壓輸出方式，可在M端與電流地之間根據(jù)所需電壓大小外接取樣電阻或?qū)⑷与妷哼M(jìn)行必要的信號放大。）
該類常規(guī)傳感器的3個接線端子分別為：正電源輸入接“+”端，負(fù)電源輸入接“-”端，“M”端為信號輸出端。
4.2 直放式接線法
 直放式電流傳感器有HDC系列。它的輸出信號為電壓方式，在額定工作條件下，其標(biāo)準(zhǔn)輸出信號為±4V，用戶可根據(jù)需要選取。傳感器上有零點(diǎn)和增益電位器，用戶一般不需再作調(diào)整。若用戶有特殊要求，可向廠方訂做。直放式電流傳感器的接線方法會因具體產(chǎn)品的不同而有所不同，但多為4個接線端子分別為：正電源輸入接“+”端，負(fù)電源輸入接“-”端，“M”端為信號輸出端，“0”端為電源地
  。
4.3 電壓傳感器的接線法
 電壓傳感器一般有5個接線端子，其中“V +”、“V-”為原邊端子，分別接被測電壓輸入端的正極和負(fù)極。另外3個端子為副邊端子，“+”端接+15V電源，“-”端接-15V電源，“M”端為信號輸出端。
根據(jù)所測電壓大小的不同，用戶可根據(jù)需要在被測電壓一端串接一個限流電阻R后再接到傳感器的原邊，串接電阻R的大小由下式?jīng)Q定：
 R=Vp/Iin-Rin
 式中R為串聯(lián)電阻，Vp為被測電壓，Iin為額定輸入電流，Rin為傳感器的原邊內(nèi)阻。
 串接電阻功率大小由W=Vp·Iin確定。
5 霍爾電流電壓傳感器的應(yīng)用
5.1 電壓型逆奕器保護(hù)電路
 在電壓型逆變器中，如果換相換敗，則很*使一相中上下兩個橋臂中的半導(dǎo)體器件因過電流而損壞，如上下橋臂采用功率模塊時，要求短路電流保護(hù)電路能在短路檢出后10μs內(nèi)切斷門驅(qū)動電路，同時還需考慮電路的傳輸時間。所以，這種逆變器必須有快速過電流保護(hù)裝置，可以用霍爾電流傳感器檢測每個橋臂中的電流。若因換相失敗造成了上下橋臂同時導(dǎo)電，則相應(yīng)的兩處傳感器可以同時檢出電流信號，該信號與基準(zhǔn)電壓比較后轉(zhuǎn)換成方波。這樣，可通過門電路控制封鎖所有的逆變觸發(fā)脈沖，從而達(dá)到切斷門驅(qū)動電路的目的。電壓型逆變器保護(hù)電路優(yōu)點(diǎn)是，只要上下橋臂同時存在的電流**過基準(zhǔn)，保護(hù)電路立即動作。因為保護(hù)早，功率模塊不會經(jīng)受過大電流的沖擊。其次，保護(hù)動作速度快。因為霍爾電流傳感器是無感元件，在功率模塊判斷時，它不會產(chǎn)生過電壓。因此，可簡化設(shè)計過程，提高效率。
5.2 用于變頻調(diào)速裝置
 利用霍爾電流傳感器還可以檢測變頻調(diào)速系統(tǒng)的主回路信號。使用時，**個電流傳感器模塊接入整流濾波后的直流回路。當(dāng)檢測到主回路中出現(xiàn)異常尖峰或者有效值**出標(biāo)準(zhǔn)時，電路將*切斷逆變觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖，以保護(hù)逆變和整流模塊。另外3個傳感器接入逆變器的輸出回路，用來檢測隨頻率變化的交流電流。這樣可以較好地控制轉(zhuǎn)矩，也可提供防止電機(jī)過載所需的信號。
5.3 電流傳感器在逆變焊機(jī)中的應(yīng)用
 霍爾電流傳感器在直流檢測中同樣具有電隔離作用，在直流輸出的電力電子設(shè)備中，可以利用霍爾電流傳感器測得與主電路隔的直流測量信號，也可以通過電子控制電路對直流測過流、短路保護(hù)和顯示控制，還可用于電流反饋和穩(wěn)流調(diào)節(jié)。 
６ 使用注意事項
 使用霍爾傳感器時，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
 （1）使用傳感器時，應(yīng)先接通副邊電源，再接通原邊電流或電壓。
 （2）測量電流時，較好用單根導(dǎo)線充滿模塊孔徑，以獲得較佳動態(tài)特性和靈敏度。
 （3）測量電壓時，被測電壓應(yīng)先串接限流電阻，在得到傳感器所規(guī)定的原邊電流后，再接入電壓傳感器原邊端子。
 （4）模塊的較佳精度是在額定值下測得的。當(dāng)被測電流**額定值時，為了獲得較好的精度，原邊可以使用多匝，即：Ip*Np=額定安匝數(shù).
					
				
			
		
	


	 


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