論霍爾電流電壓傳感器的性能及應用

時間：2015-11-22作者：上海杭榮電氣有限公司瀏覽：108

	
		
			
				
					
						
論霍爾電流電壓傳感器的性能及應用
					
				
			
			
				
					
						 
					
				
			
			
				
					
						    
					
					
						摘要：霍爾電流、電壓傳感器是當今電子測量領域中應用最多的傳感器件之一，可廣泛用于電力、電子、交流變頻調速、逆變裝置、電子測量和開關電源等諸多領域，可完全替代傳統的互感器和分流器，并具有精度高、線性好、頻帶寬、響應快、過載能力強和不損失測量電路能量等優點。 
1 引言
 近年來，新一代功率半導體器件大量進入電力電子、交流變頻調速、逆變裝置及開關電源等領域。原有的電流、電壓檢測元件已不適應中高頻、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展起來的測量控制電流、電壓的新一代工業用電量傳感器，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、響應快、過載能力強和不損失被測電路能量等諸多優點，因而被廣泛應用于變頻調速裝置、逆變裝置、UPS電源、逆變焊機、變電站、電解電鍍、數控機床、微機監測系統、電網監控系統和需要隔離檢測大電流、電壓的各個領域中。在電力電子產品中，對大電流、電壓進行精確的檢測和控制也是產品安全可靠運行的根本保證。
2 霍爾傳感器的性能特點
 霍爾電流、電壓傳感器具有優越的電性能，是一種先進的、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點，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，甚至可以檢測瞬態峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代產品。霍爾電流、電壓傳感器具有如下特點：
 ●可測量任意波形的電壓和電流。霍爾電壓、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。也可以對瞬態峰值參數進行測量，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域內的精度優于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；
 ●線性度優于0.5%；
 ●動態性能好。一般霍爾傳感器的動態響應時間小于7μs，跟蹤速度di/dt高于50A/μs；
霍爾電流電壓傳感器以其優異的動態性能為提高現代控制系統的性能提供了關鍵的基礎（無感元件）。一般普通互感器的動態響應時間為10～20μs，這顯然已不適應工業控制系統發展的需要（感性元件）；
 ●工作頻帶寬?？稍?～20kHz頻率范圍內很好地工作；
 ●過載能力強，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?；魻栯娏鳌㈦妷簜鞲衅饕话阌稍呺娐贰⒕鄞怒h、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（開環式HDC系列）
 眾所周知，當電流通過一根長導線時，在導線周圍將產生一磁場，這一磁場的大小與流過導線的電流成正比，它可以通過磁芯聚集感應到霍爾器件上并使其有一信號輸出。這一信號經信號放大器放大后直接輸出，一般的額定輸出標定為4V。
3.2 磁平衡式電流傳感器（閉環式HNC系列）
 磁平衡式電流傳感器也稱補償式傳感器，即主回路被測電流Ip在聚磁環處所產生的磁場通過一個次級線圈電流所產生的磁場進行補償，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態。
 磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為：當主回路有一電流通過時，在導線上產生的磁場被聚磁環聚集并感應到霍爾器件上，所產生的信號輸出用于驅動相應的功率管并使其導通，從而獲得一個補償電流Is。這一電流再通過多匝繞組產生磁場，該磁場與被測電流產生的磁場正好相反，因而補償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當與Ip與匝數相乘所產生的磁場相等時，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Ip變化時，平衡受到破壞，霍爾器件有信號輸出，即重復上述過程，最后重新達到平衡。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。經功率放大后，立即就有相應的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1μs，這是一個動態平衡的過程。
3.3 霍爾電壓傳感器（閉環式HNV系列）
霍爾電壓傳感器的工作原理與閉環式電流傳感器相似，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，電路設計非常簡單。
若與變送器配合使用，經A/D轉換后，可方便地與計算機或各種儀表接口，并可以進行長距離傳輸。
4.1 磁平衡（補償）式接線法
 磁平衡（補償）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所需電壓大小外接取樣電阻或將取樣電壓進行必要的信號放大。）
該類常規傳感器的3個接線端子分別為：正電源輸入接“+”端，負電源輸入接“-”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，其標準輸出信號為±4V，用戶可根據需要選取。傳感器上有零點和增益電位器，用戶一般不需再作調整。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。
根據所測電壓大小的不同，用戶可根據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的大小由下式決定：
 R=Vp/Iin-Rin
 式中R為串聯電阻，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用
5.1 電壓型逆奕器保護電路
 在電壓型逆變器中，如果換相換敗，則很容易使一相中上下兩個橋臂中的半導體器件因過電流而損壞，如上下橋臂采用功率模塊時，要求短路電流保護電路能在短路檢出后10μs內切斷門驅動電路，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電，則相應的兩處傳感器可以同時檢出電流信號，該信號與基準電壓比較后轉換成方波。這樣，可通過門電路控制封鎖所有的逆變觸發脈沖，從而達到切斷門驅動電路的目的。電壓型逆變器保護電路優點是，只要上下橋臂同時存在的電流超過基準，保護電路立即動作。因為保護早，功率模塊不會經受過大電流的沖擊。其次，保護動作速度快。因為霍爾電流傳感器是無感元件，在功率模塊判斷時，它不會產生過電壓。因此，可簡化設計過程，提高效率。
5.2 用于變頻調速裝置
 利用霍爾電流傳感器還可以檢測變頻調速系統的主回路信號。使用時，第一個電流傳感器模塊接入整流濾波后的直流回路。當檢測到主回路中出現異常尖峰或者有效值超出標準時，電路將迅速切斷逆變觸發電路的觸發脈沖，以保護逆變和整流模塊。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。這樣可以更好地控制轉矩，也可提供防止電機過載所需的信號。
5.3 電流傳感器在逆變焊機中的應用
 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、短路保護和顯示控制，還可用于電流反饋和穩流調節。 
６ 使用注意事項
 使用霍爾傳感器時，應注意以下幾點：
 （1）使用傳感器時，應先接通副邊電源，再接通原邊電流或電壓。
 （2）測量電流時，最好用單根導線充滿模塊孔徑，以獲得最佳動態特性和靈敏度。
 （3）測量電壓時，被測電壓應先串接限流電阻，在得到傳感器所規定的原邊電流后，再接入電壓傳感器原邊端子。
 （4）模塊的最佳精度是在額定值下測得的。當被測電流低于額定值時，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.
					
				
			
		
	


	 




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