霍爾電流電壓傳感器變送器模塊性能及應(yīng)用

1、霍爾電流電壓傳感器變送器模塊性能及應(yīng)用霍爾電流、電壓傳感器變送器模塊簡介:近年來,新一代功率半導(dǎo)體器件進(jìn)入電力電子領(lǐng)域后,交流變頻調(diào)速、逆變裝置、開關(guān)電源等日漸普及,原有的電流、電壓檢出元件,已不適應(yīng)中高頻、高出di/dt電流波形的傳遞和檢測?；魻栯娏麟妷簜鞲衅髂K,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,是彌補(bǔ)這一空缺的高性能電檢測元件。霍爾電流、電壓傳感器變送器模塊的性能:霍爾電流電壓傳感器模塊有優(yōu)越的電性能,是一種先進(jìn)的能隔離主電流回路與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),克服了互感器和分流器的不足(如:互感器只適用于50Hz工頻測量;分流

2、器無法進(jìn)行隔離檢測。同一只檢測元件即可以檢測交流也可以檢測直流甚至檢測瞬態(tài)峰值,是替代互感器和分流器的新一代產(chǎn)品。宇波模塊的特點(diǎn)如下:1.宇波模塊可以測量任意波形的電流和電壓,如直流、交流、脈沖波形等,甚至對(duì)瞬態(tài)峰值的測量、副邊電路忠實(shí)反應(yīng)原邊電流的波形。普通互感器無法與其相比,它一般只適用于50HZ正弦波。2.精度高在工作區(qū)內(nèi)優(yōu)于1%,該精度適合于任何波形的測量。普通互感器一般精度為3%5%,且只適合于50Hz正弦波形。3.線性度好:優(yōu)于0.1%。4.動(dòng)態(tài)性能好:響應(yīng)時(shí)間小于lµs。跟蹤速度di/dt高于50A/µs。宇波模塊的優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了

3、關(guān)鍵的基礎(chǔ)(無感元件普通互感器響應(yīng)時(shí)間為1020ms,已不適應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的需要(感性元件5.工作頻帶寬:在0100KHz頻率范圍內(nèi)。6.字波電流傳感器模塊尺寸小、重量輕易于安裝。在系統(tǒng)中不會(huì)帶來任何損失。普通互感器是感性元件,接入后影響被測電流波形。7.可靠性高、平均無故障工作時(shí)間>5×104小時(shí)。8.過載能力強(qiáng)、測量范圍大。它具有精度高、線性度好、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領(lǐng)域中。電力電子產(chǎn)品中,對(duì)

4、大電流進(jìn)行精確的檢測和控制是產(chǎn)品安全可靠運(yùn)行的根本保證。宇波模塊提供了這個(gè)保證,使得霍爾電流電壓傳感器變送器模塊有廣泛的應(yīng)用前景?；魻栯娏?、電壓傳感器變送器模塊的原理:霍爾電流電壓傳感器、變送器模塊是一種新型的電檢測元件下面簡要介紹一下它的工作原理,霍爾電流傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的,有兩種工作方式,即磁平衡式和直測式傳感器,由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、次級(jí)線圈和放大電路等組成,如圖1所示。l 直測式(開環(huán)式CHFT系列電流傳感器:眾所周知當(dāng)電流通過一根長的直導(dǎo)線時(shí),在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生一強(qiáng)磁場,這一磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比,通過磁芯聚集感應(yīng)到霍爾器件上,使之有一信號(hào)輸出。這一信號(hào)經(jīng)功率放

5、大器放大后,直接輸出,一般額定值標(biāo)定為4V,此為直測型電流傳感器。 l 磁補(bǔ)償式電流傳感器(閉環(huán)式CHB系列:磁補(bǔ)償式的工作原理是磁場平衡的,即主回路電流I P在聚磁環(huán)所產(chǎn)生的磁場,通過一個(gè)次級(jí)線圈的電流產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償,使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài),具體工作過程為:當(dāng)主回路有一電流通過時(shí),在導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場被聚磁環(huán)聚集,感應(yīng)霍爾器件使之有一個(gè)信號(hào)輸出,這一信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管導(dǎo)通,從而獲得一補(bǔ)償電流I S。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)I P 與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場與I S與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場相等時(shí),I

6、S不再增加,霍爾器件起到指示零磁通的作用。此時(shí)可以通過I S來測試I P,當(dāng)如變化時(shí),平衡受到破壞,霍爾器件就有信號(hào)輸出,即重復(fù)上述過程重新達(dá)到平衡。被測電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡,一旦磁場失去平衡,霍爾器件就有信號(hào)輸出,經(jīng)放大后,立即有相應(yīng)的電流流過次級(jí)繞組,對(duì)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(shí)間不到1µs 。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程。因此,從宏觀上看,次級(jí)的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時(shí)間都與初級(jí)被測電流的安匝數(shù)相等即:N PI P+N SI S=0。其中,N P為原邊匝數(shù),I P為原邊電流,I S為次級(jí)補(bǔ)償電流。N P、N S可從使用手冊中查到,測得I S的大小即可得知

7、被測電流的大小。l 霍爾電壓傳感器(CHV系列的工作原理與電流傳感器相似,也是磁平衡方式工作(略。l 交流直流變換器(CHZ系列:與電流或電壓傳感器相配合使用的模塊,它可把01V 的交、直流信號(hào)(0-100KHz轉(zhuǎn)換為4-20mA、0-20mA、l-5V、0-5V的標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)。因?yàn)殡娏麟妷簜鞲衅鞯妮敵霾ㄐ闻c被測波形完全一致,若用戶測量非直流信號(hào),需要傳感器輸出與儀表、A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)算機(jī)配合使用或需長線傳錢,需要標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)時(shí),可將變換器與電流電壓傳感器配合使用,形成電流或電壓變送器(若測量50Hz 信號(hào)可與電流電壓傳感器做為一體;變送器也可以與壓力、溫度、流量等傳感器配合使用,將它門的輸出轉(zhuǎn)

8、換為標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào),形成不同的變送模式?；魻栯娏?、電壓傳感器變送器模塊的使用方法:電流、電壓傳感器只需外接正負(fù)直流電源,被測電流母線從傳感器中穿過或接于原邊端子,副邊端子再做簡單連接,即可完成立電路與控制電路的隔離檢測,簡化了電路設(shè)計(jì)。若與變送器配合使用,經(jīng)A/D變換,可方便地與計(jì)算機(jī)和各種儀表接口,并可以長線傳輸。1. 磁補(bǔ)償式電流傳感器(CHB-P、CHB-S系列、LA一P系列以上三個(gè)系列的傳感器為磁補(bǔ)償型電流傳感器,輸出信號(hào)為電流方式,若需要取電壓輸出方式,用戶需在在M端與電源地之間根據(jù)所取電壓大小外接取樣電阻,(手冊中有推薦數(shù)值,一般為幾十到幾百歐姆。阻值上限由下式?jīng)Q定:SS iCE C

9、II RVVR =max一式中:V c為電源電壓Vce為晶體管飽和壓降Is為輸出電流Ri為傳感器內(nèi)阻傳感器有三個(gè)接線端子:十瑞:正電源輸入端;一端:負(fù)電源輸入端;M 端:信號(hào)輸出瑞。接線方法如圖2: 磁補(bǔ)償型電流傳感器接線方法圖22. 直測式電流傳感器(CHFT-A、CHFT-S、CHFT-A T系列:以上三個(gè)系列的傳感器,輸出信號(hào)為電壓方式,額定值下標(biāo)準(zhǔn)輸出±4V的信號(hào),用戶可根據(jù)需要選取,傳感器上有零點(diǎn)和增益調(diào)整電位器,用戶一般不用再做調(diào)整,若有特殊要求,可訂做。l CHFTA系列對(duì)外連接為一只四芯插座,有四個(gè)接線端子。見圖3.1正電源輸入端;負(fù)電源輸入端;M端:信號(hào)輸出端;公共

10、地。l CHFTAS系列為電路板安裝方式,有五個(gè)接線端子。見圖3.2正電源輸入端;負(fù)電源輸入端;M端:信號(hào)輸出端;公共地后空腳。l CHFT-A T系列對(duì)外連接為一只五芯插座,有五個(gè)接線端子。見圖3.3+M端:信號(hào)輸出端+4V;-M端:信號(hào)輸出瑞-4V;負(fù)電源輸入端;公共地;正電源輸入端;直測式電流傳感器接線方法: 3. 電壓傳感器(CHV -25P 、CHV -100電壓傳感器有五只接線端子。其中兩只為原邊端子:被測電壓輸入端十;被測電壓輸入端一。另外三只為副邊端子:十端:電源+15V ;一端:電源-15V ;M 端:信號(hào)輸出端。根據(jù)用戶所測電壓的大小,須將被測電壓串接一只電阻R 后再接到傳

11、感器原邊端子,串接電阻R 由下式?jīng)Q定:in inp R I V R = 一式中: R 為串聯(lián)電阻;V p 為被測電壓;I n 為額定輸入電流(一般額定電壓下取10mA ; Rin 為傳感器原邊內(nèi)阻。串接電阻R 的功定確定:W =Vp Iin - 電壓傳感器的輸出端應(yīng)用與磁補(bǔ)償型電流傳感器相同,見圖4電壓傳感器接線方法: 圖44. 變換器(變送器系列(CHZ4-20MA 、CHZ0-20MA 、CHZ0-10V 變換器可以與傳感器配合使用,形成不同的變送形式。電流傳感器與變換器相接;形成電流變送器;電壓傳感器與變換器相接,形成電壓變送器。變換器也可以單獨(dú)使用,可以將其他傳感器(如壓力、溫度等的輸

12、出信號(hào)相接于變換器,變換成420mA 或020mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),便于長線傳輸或與計(jì)算機(jī)接口相接。接線方法見圖5。 圖5電流電壓傳感器的計(jì)算舉例直測式電流傳感器輸出為電壓信號(hào),一般不需計(jì)算。磁補(bǔ)償式電流傳感器的測量范圍取決于電源所能提供的副邊補(bǔ)償電流I S 的能力,為說明問題把功率電路簡化為圖6的形式。 由圖6可知:磁補(bǔ)償式電流傳感器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(shí)已固定,對(duì)用戶來說,只與電源電壓和取樣電阻R m 有關(guān),若需較高的輸出電壓,R m 相應(yīng)增加,就需相應(yīng)提高電源電壓,電源能提供補(bǔ)償電流I S 的能力:mi CE MIN SMAX R R V V I = 確定測

13、量范圍時(shí),還應(yīng)考慮到所選元件和材料的耗散功率,以免發(fā)熱損壞或影響測量精度。宇波模塊的工作區(qū)如圖7所示: 圖71. 電流傳感器模塊設(shè)計(jì)計(jì)算舉例:以CHB -300S 為例:用戶要求特性:額定電壓I P =±300A 有效值,連續(xù)工作;電流峰值 I Pmax =±600A , 2分鐘/小時(shí);電源電壓V=±15V (±5%;當(dāng)用戶在測量端得到6V 電壓,確定測量參數(shù)。(1確定測量電阻R m已知:手冊中可以查到匝比為N P :N S =1:2000I S =I P ×(1/2000=0.3A=203.06AV I V R S m m 取樣電阻R m 的

14、精度應(yīng)比用戶要求的精度高一個(gè)數(shù)量級(jí),功率應(yīng)比實(shí)際耗散功率高出一倍(或適當(dāng)留有余量。(2可達(dá)到的最大測量電流I Pmax :ISMAX = VMIN VCE 14.25V 0.5V = = 0.275 A Ri + Rm 30 + 20 Ipmax=Ismax×Ns =0.275×2000550A 這樣，用戶所具備的現(xiàn)有條件，測到 600A 峰值是不可能的，原因是測量電阻取值 太高，電源不能提供所需的補(bǔ)償電流所致，為達(dá)到要求，有兩種方法： 提高電源電壓提高到±18V，再重新計(jì)算。 降低輸出電壓 Vm，在保持電源為±15V 時(shí)測量 600A 的峰值電流最大可

15、取的 R m 為： R max = V min Vce RiI s = 15.83 ，建議當(dāng)測量電流為 600A 時(shí)，Rm 僅取 4.5V。 Is 理想測量狀態(tài)：Rm=20 ，VPmax=6V，V=±18V。 2 電壓傳感器模塊的設(shè)計(jì)計(jì)算舉例：以 CHV100 為例。 在測量電壓時(shí)，在傳感器原邊電路必須先串接一只電阻 R 以得到額定值時(shí)原邊電 流為 10mA，然后再并接到被測電壓，如圖 4。 用戶要求的特性：額定電壓 VP=±1000V 有效值，連續(xù)工作；電壓最大峰值 Vpmax= ±2000V，2 分鐘小時(shí)；電源電壓 V=±15V（±5） ，

16、當(dāng) VP =±2000V 時(shí)得到 4V 的 輸出電壓。 確定測量參數(shù)： （1）確定原邊串聯(lián)電阻 R： R總 = R + Rin = Vp = 100 K Ip 其中：Rin =1.8K （手冊中可以查到） 所以：R98.2K R 的額定功率 Pr=100K （100mA）2 =10W，選用時(shí)應(yīng)留有一定余量，并由最大 測量電壓時(shí)的工作時(shí)間決定。 R 的精度通常要比用戶要求測量精度高一個(gè)數(shù)量級(jí) （2）確定測量電阻 Rm： 手冊中可以查到匝比為 NP :NS=10000:2000 NP 10000 = 10 mA × = 50 mA NS 2000 VS 4V Rm = = =

17、80 IS 50 mA IS = IP × 取樣電阻 Rm 的精度應(yīng)比用戶要求的精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，功率應(yīng)比實(shí)際耗散功率高 出一倍（或適當(dāng)留有余量） （3）可達(dá)到的最大測量電壓 VPmax： Is max = V min Vce 15 × (1 5% 0.5 = = 0.0982 A Rm + Rin 80 + 60 NS 2000 = 0.0982 × = 0.01964 A NP 10000 可測量原邊電流的最大值為 IPmax： IP max = Is max × VpmaxIpmax×R=1964 由以上計(jì)算可知，用戶要求的特性基本可以滿

18、足。 霍爾電流、電壓傳感器變送器模塊的應(yīng)用舉例： 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有檢出和測量電流的元件（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，電流傳感器是彌補(bǔ)這一空缺的主要電流 檢測元件。 霍爾電流、電壓傳感器用來測量直流、交流和脈動(dòng)電流、電壓以及利用這些測量值進(jìn) 行顯示、控制的系統(tǒng)均可使用。例如：在電力機(jī)車、地下鐵道、無軌電車、鐵路等許多領(lǐng)域 得到應(yīng)用，并且在變換器，逆變器，整流器、變頻調(diào)速器和逆變焊機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，電力 電子電路中的電流往往有很大的 di/dt，非正弦，直流成分等，要真實(shí)地檢測出這種電流波 形，霍爾元件是目前最適當(dāng)?shù)脑没魻栯娏鱾?/p>

19、感器工作頻帶寬的特點(diǎn)，可用于檢測非 正弦電源供諧波分析，峰值測量等。 例 1在電壓型逆變器中，由于換相失敗很容易使一相中上下兩個(gè)橋臂中的半導(dǎo)體器件 因過電流而損壞，如上下橋臂采用 IGBT 模塊時(shí)，要求短路電流保護(hù)在短路檢出后 10µs 內(nèi) 切斷門驅(qū)動(dòng)電路，這還包括電路的傳輸時(shí)間，所以，這種逆變器必須采用快速過電流保護(hù)裝 置，可以用霍爾電流傳感器檢測每個(gè)橋臂中的電流，若因換相失敗造成上下橋臂同時(shí)導(dǎo)電， 則相應(yīng)的兩個(gè)傳感器同時(shí)檢出電流信號(hào)，經(jīng)與基準(zhǔn)電壓比較轉(zhuǎn)換成方波后，通過門電路控制 封鎖所有的逆變觸發(fā)脈沖，切斷短路途徑。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：首先，只要上下橋臂同時(shí)存 在極小的電流，超過基準(zhǔn)值后，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)受過大電 流沖擊；其次，保護(hù)動(dòng)作速度快，因?yàn)榛魻栯娏鱾鞲衅魇菬o感元件，在功率模塊關(guān)斷時(shí)，它 不會(huì)產(chǎn)生過電壓，所以逆變電路的設(shè)計(jì)和吸收電路的設(shè)計(jì)不必考慮傳感器的接入，簡化了設(shè) 計(jì)過程，提高效率，見圖 8。 例 2霍爾電流傳感器在直流檢測中同樣具有電隔離，因而擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍，在輸 出直流的電力電子設(shè)備中，可以利用霍爾電流傳感器測得與生電路隔離的直流測量信號(hào)，通 過電子控制電路用于直流測過流、短路路保護(hù)和顯示等，還可用于電流反饋，穩(wěn)流調(diào)節(jié)等作 用。例如：電流傳感器在逆變焊機(jī)中的應(yīng)用見圖 9 例 3用于變頻調(diào)速裝