霍爾電流、電壓傳感器變送器模塊在電子測量中的應(yīng)用

霍爾電流、電壓傳感器變送器模塊在電子測量中的應(yīng)用

1電流、電壓傳感器/變送器模塊近年來，新一代多功能半導(dǎo)器件已進入能源電子、通信頻率譜、逆變器和開關(guān)源領(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?；魻栯娏鳌㈦妷簜鞲衅?變送器模塊是近十幾年發(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?；魻栯娏鳌㈦妷簜鞲衅?變送器由于具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強和不損失被測電路能量等諸多優(yōu)點,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、變電站、電解電鍍、數(shù)控機床、微機監(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、電壓進行精確的檢測和控制也是產(chǎn)品安全可靠運行的根本保證。2基于物及電流和電壓傳感器/變送器的新型傳感檢測器霍爾電流、電壓傳感器/變送器模塊具有優(yōu)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(yōu)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/變送器模塊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。霍爾電流、電壓傳感器/變送器具有如下特點:○可測量任意波形的電壓和電流?；魻栯妷?、電流傳感器/變送器模塊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/變送器模塊在工作區(qū)域內(nèi)的精度優(yōu)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(yōu)于0.1%;○動態(tài)性能好。一般霍爾傳感器/變送器模塊的動態(tài)響應(yīng)時間小于1μs,跟蹤速度di/dt高于50A/μs;霍爾電流電壓傳感器/變送器模塊以其優(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?~100kHz頻率范圍內(nèi)很好地工作;○過載能力強,測量范圍大(0～±6000A);○可靠性高,平均無故障工作時間大于5×104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霍姆電流、電壓傳感器組成霍爾電流、電壓傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的。它有兩種工作方式,即磁平衡式和直測式?；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。圖1所示為霍爾電流、電壓傳感器/變送器的工作原理。3.1磁場傳感眾所周知,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)功率放大器放大后直接輸出,一般的額定輸出標(biāo)定為4V。3.2固定時的磁場補償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(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈電流所產(chǎn)生的磁場進行補償,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,因而補償了原來的磁場,使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)IP與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場與IS和匝數(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來測試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)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行補償。從磁場失衡到再次平衡,所需的時間不到1μs,這是一個動態(tài)平衡的過程。3.3霍夫電壓傳感器chv系列霍爾電壓傳感器的工作原理與電流傳感器相似,也是以磁平衡方式工作的。3.4交、直流信號轉(zhuǎn)換交流/直流變換器與電流或電壓傳感器相配合使用所組成的模塊可以把0~1V的交、直流信號轉(zhuǎn)換為4~20mA(或0~20mA)、0~5V的標(biāo)準(zhǔn)直流信號。該變送器也可以與壓力、溫度、流量等傳感器配合使用,并將它們的輸出轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)直流信號以形成不同的變送模式供各種系統(tǒng)使用。4主電路與控制電路隔離檢測功能的實現(xiàn)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電路與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,可方便地與計算機或各種儀表接口,并可以進行長距離傳輸。4.1a-p電路設(shè)計磁平衡(補償)式電流、電壓傳感器/變換器有以下3個系列:CHB-×××P、CHB-S和LA-××P,其輸出信號均為電流。若需要電壓輸出方式,可在M端與電源地之間根據(jù)所需電壓大小外接取樣電阻(產(chǎn)品手冊中有推薦值,一般為幾十到幾百歐姆),其典型接線方法如圖2所示。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輸出電壓式直測式電流傳感器有CHFT-×××A、CHFT-×××AS、CHFT-×××AT等3個系列。它們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。直測式電流傳感器的接線方法因產(chǎn)品系列的不同而有所不同,圖3為直測式電流傳感器的接線圖。4.3v電源接口設(shè)備電壓傳感器(如CHV-25P、CHV-100等)一般有5個接線端子,其中“+HT”、“-HT”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個端子為負(fù)邊端子,“+”端接+15V電源,“-”端接-15V電源,“M”端為信號輸出端。電壓傳感器的接線方法如圖4所示。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: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。電壓傳感器的輸出端的應(yīng)用接線方法與磁平衡式電流傳感器相同,可參考圖4接線法。4.4各類變送形式變換器有CHZ4-20MA、CHZ0-20MA、CHZO-10V三個系列,它們與傳感器配合使用可形成不同的變送形式。電流傳感器與變換器相接可組成電流變換器;電壓傳感器與變換器相接可組成電壓變換器。變換器也可以單獨使用。如果將其它傳感器(如壓力、溫度等)的輸出信號接于變換器,則可將普通的傳感器輸出信號變換成0~20mA或4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號以便于長距離傳輸或與計算機接口其接線方法如圖5所示。5霍夫電流壓計的應(yīng)用5.1過電流保護裝置在電壓型逆變器中,如果換相失敗,則很容易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,從而達到切斷門驅(qū)動電路的目的。圖6為電壓型逆變器保護電路,這種電路的優(yōu)點是,只要上下橋臂同時存在的電流超過基準(zhǔn),保護電路立即動作。因為保護早,功率模塊不會經(jīng)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,在功率模塊關(guān)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。圖6中,“(1)”為電壓傳感器,用于檢測母線直流電壓;“(2)”為電流傳感器,用于檢測母線直流電流;“(3)”用來檢測輸出電流波形;“(4)”用于檢測上下兩個橋臂中的電流差。5.2流變器出現(xiàn)狀及傳感器輸出回路利用圖6所示電路也可以檢測變頻調(diào)速系統(tǒng)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(dāng)檢測到主回路中出現(xiàn)異常尖峰或有效值超出標(biāo)準(zhǔn)時,電路將迅速切斷逆變觸發(fā)電路的觸發(fā)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(zhuǎn)矩,也可提供防止電機過載所需的信號。5.3在子設(shè)備中的應(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離的直流測量信號,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(wěn)流調(diào)節(jié)。電流傳感器在逆變焊機中的應(yīng)用電路如圖7所示。6chb系列電路設(shè)計霍爾電流、電壓傳感器/變送器模塊的命名一般由4部分組成,下面以北京701廠的產(chǎn)品為例說明其命名方法,圖8是CHB系列霍爾電流電壓傳感器/變送器的名稱含義示意圖,具體說明如下:(1)主稱:CH表示模塊名稱B-閉環(huán)電流傳感器系列FT-開環(huán)電流傳感器系列V-電壓傳感器系列Z-變換器系列(3)額定電流:用數(shù)字表示P-印刷板安裝S-園形穿孔A-方形穿孔T-帶原邊電流排7被測電流的測量使用霍爾傳感器/變送器模塊時,應(yīng)注意以下幾點: