論霍爾電流電壓傳感器的能及應(yīng)用
更新時(shí)間：2013-07-03 點(diǎn)擊次數(shù)：2770次
摘要：霍爾電流、電壓傳感器是當(dāng)今電子測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用zui多的傳感器件，可用于電力、電子、交流變頻調(diào)速、逆變裝置、電子測(cè)量和開(kāi)關(guān)電源等諸多領(lǐng)域，可替代傳統(tǒng)的互感器和分流器，并具有、線好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失測(cè)量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。
1 引言
近年來(lái)，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(kāi)關(guān)電源等領(lǐng)域。原有的電流、電壓元件已不適應(yīng)中頻、di/dt電流波形的傳遞和?；魻栯娏?、電壓傳感器是近十幾年發(fā)展起來(lái)的測(cè)量電流、電壓的工業(yè)用電量傳感器，是種的電氣元件。
霍爾電流、電壓傳感器由于具有、線好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失被測(cè)電路能量等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被應(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(cè)系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要大電流、電壓的各個(gè)領(lǐng)域中。在電力電子產(chǎn)品中，對(duì)大電流、電壓進(jìn)行的和也是產(chǎn)品可靠運(yùn)行的根本。
2 霍爾傳感器的能特點(diǎn)
霍爾電流、電壓傳感器具有*的電能，是種的、能主電路回路和電子電路的電元件。它綜合了互感器和分流器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)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(cè)量；分流器無(wú)法進(jìn)行測(cè)量）。利用同只霍爾電流電壓傳感器元件既可以交流也可以直流，甚至可以瞬態(tài)峰值，因而是替代互感器和分流器的產(chǎn)品?；魻栯娏鳌㈦妷簜鞲衅骶哂腥缦绿攸c(diǎn)：
●可測(cè)量任意波形的電壓和電流?；魻栯妷?、電流傳感器可以測(cè)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(duì)瞬態(tài)峰值參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其副邊電路可以忠實(shí)地反映原邊電流的波形。這點(diǎn)普通互感器無(wú)法與其相比，因?yàn)槠胀ǖ幕ジ衅靼阒贿m用于50Hz的正弦波；
●。般的霍爾電流電壓傳感器在工作區(qū)域內(nèi)的優(yōu)于1%，該適合于波形的測(cè)量，而普通互感器般為3%～5%，且只適合于50Hz的正弦波形；
●線度優(yōu)于0.5%；
●動(dòng)態(tài)能好。般霍爾傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于7μs，跟蹤速度di/dt于50A/μs；
霍爾電流電壓傳感器以其的動(dòng)態(tài)能為提現(xiàn)代系統(tǒng)的能提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)（無(wú)感元件）。般普通互感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為10～20μs，這顯然已不適應(yīng)工業(yè)系統(tǒng)發(fā)展的需要（感元件）；
●工作頻帶寬?？稍?～20kHz頻率范圍內(nèi)很好地工作；
●過(guò)載能力強(qiáng)，測(cè)量范圍大（0～±10000A）
●，平均*工作大于5×10000小時(shí)；
●尺寸小，重量輕，易于安裝且不會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)?yè)p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?、電壓傳感器般由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、（次線圈）和放大電路等組成。
3.1 直放式電流傳感器（開(kāi)環(huán)式HDC系列）
*，當(dāng)電流通過(guò)根長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場(chǎng)，這磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流成正比，它可以通過(guò)磁芯聚集感應(yīng)到霍爾器件上并使其有信號(hào)輸出。這信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大后直接輸出，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(cè)電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)個(gè)次線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而使霍爾器件處于零磁通的工作狀態(tài)。
磁平衡式電流傳感器的具體工作過(guò)程為：當(dāng)主回路有電流通過(guò)時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得個(gè)補(bǔ)償電流Is。這電流再通過(guò)多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)，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(chǎng)相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用，此時(shí)可以通過(guò)Is來(lái)跟蹤Ip。當(dāng)Ip變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件有信號(hào)輸出，即重復(fù)上述過(guò)程，zui后重新達(dá)到平衡。被測(cè)電流的變化都會(huì)破壞這平衡。旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過(guò)次繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1μs，這是個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)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(cè)電流母線般從傳感器中穿過(guò)或接于原邊端子，然后在副邊端再作些簡(jiǎn)單的連接即可完成主電路的，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。
若與變送器配合使用，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，可方便地與計(jì)算機(jī)或儀表接口，并可以進(jìn)行長(zhǎng)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(hào)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(hào)放大。）
該類常規(guī)傳感器的3個(gè)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(hào)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(hào)為電壓方式，在額定工作條件下，其輸出信號(hào)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(huì)因具體產(chǎn)品的不同而有所不同，但多為4個(gè)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(hào)輸出端，“0”端為電源地 。
4.3 電壓傳感器的接線法
電壓傳感器般有5個(gè)接線端子，其中“V +”、“V-”為原邊端子，分別接被測(cè)電壓輸入端的正和負(fù)。另外3個(gè)端子為副邊端子，“+”端接+15V電源，“-”端接-15V電源，“M”端為信號(hào)輸出端。
根據(jù)所測(cè)電壓大小的不同，用戶可根據(jù)需要在被測(cè)電壓端串接個(gè)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(cè)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，則很使相中上下兩個(gè)橋臂中的半導(dǎo)體器件因過(guò)電流而損壞，如上下橋臂采用功率模塊時(shí)，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(dòng)電路，同時(shí)還需考慮電路的傳輸時(shí)間。所以，這種逆變器必須有過(guò)電流保護(hù)裝置，可以用霍爾電流傳感器每個(gè)橋臂中的電流。若因換相失敗造成了上下橋臂同時(shí)導(dǎo)電，則相應(yīng)的兩處傳感器可以同時(shí)檢出電流信號(hào)，該信號(hào)與基準(zhǔn)電壓比較后轉(zhuǎn)換成方波。這樣，可通過(guò)門電路封鎖的逆變觸發(fā)脈沖，從而達(dá)到切斷門驅(qū)動(dòng)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(shí)存在的電流過(guò)基準(zhǔn)，保護(hù)電路立即動(dòng)作。因?yàn)楸Ｗo(hù)早，功率模塊不會(huì)經(jīng)受過(guò)大電流的沖擊。其次，保護(hù)動(dòng)作速度快。因?yàn)榛魻栯娏鱾鞲衅魇菬o(wú)感元件，在功率模塊判斷時(shí)，它不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。因此，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，提率。
5.2 用于變頻調(diào)速裝置
利用霍爾電流傳感器還可以變頻調(diào)速系統(tǒng)的主回路信號(hào)。使用時(shí)，*個(gè)電流傳感器模塊接入整流濾波后的直流回路。當(dāng)?shù)街骰芈分谐霈F(xiàn)異?；蛘咧党鰰r(shí)，電路將迅速切斷逆變觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖，以保護(hù)逆變和整流模塊。另外3個(gè)傳感器接入逆變器的輸出回路，用來(lái)隨頻率變化的交流電流。這樣可以好地轉(zhuǎn)矩，也可提供防止電機(jī)過(guò)載所需的信號(hào)。
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中同樣具有電作用，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(cè)得與主電路隔的直流測(cè)量信號(hào)，也可以通過(guò)電子電路對(duì)直流測(cè)過(guò)流、短路保護(hù)和顯示，還可用于電流反饋和穩(wěn)流調(diào)節(jié)。
６ 使用注意事項(xiàng)
使用霍爾傳感器時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
（1）使用傳感器時(shí)，應(yīng)先接通副邊電源，再接通原邊電流或電壓。
（2）測(cè)量電流時(shí)，用單根導(dǎo)線充滿模塊孔徑，以獲得*動(dòng)態(tài)特和靈敏度。
（3）測(cè)量電壓時(shí)，被測(cè)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。
?。?）模塊的*是在額定值下測(cè)得的。當(dāng)被測(cè)電流低于額定值時(shí)，為了獲得較好的，原邊可以使用多匝，即：Ip*Np=額定安匝數(shù).
