硕士论文-电流传感器在化工电气设备中的应用研究.pdf

四川大学硕士学位论文电流传感器在化工电气设备中的应用研究姓名：张世祥申请学位级别：硕士专业：仪器仪表指导教师：廖俊必;王仁合20060519四川大学T 程硕+ 专业学位论文电流传感器在化工电气设备中的应用研究仪器仪表工程领域研究生i K 世祥指导教师廖俊必王仁合电流是一个基本的电磁量。测量电流不但其本身十分重要，而且其他电磁量和非电量也可以通过变换器转换成电流，然后进行测量。所以电流的测量是电磁测量的基础。电流传感器，可定义为：以一定的精确度把某种电流转换为与之有确定对应关系的、便于应用的另一种电流的测量装置”。电流传感器，可以分为传统电流传感器与新型电流传感器。传统电流传感器就是指电流互感器，包括测量用电流互感器和保护用电流互感器。电流互感器与电流变换器相配合，能提供智能化仪表所需要的标准信号。新型电流传感器包括霍尔电流传感器、光电电流传感器、罗柯夫斯基电流传感器等。与传统电流传感器相比较，新型电流互感器没有铁磁饱和，传输频带宽，具有优良的抗干扰性能，其二次容量小、尺寸小、重量轻，是以后电流传感器的发展方向。四川大学T 程硕士专业学位论文虽然在与新型电流传感器的比较中，电流互感器有很多缺点，但由于具有频带宽、信号还原性好、价格便宜、控制和主功率电路隔离等诸多优点，在目前电力系统中仍然使用最普遍。在化学工厂中，电流是电动机等电气设备最重要的运行数据，电流的大小表示了电气设备的负荷高低，生产人员可以根据电流的大小来调节生产负荷的高低，已使系统能生产出合格的产品。在我公司电气设备中，在普通设备里仍然大量应用电流互感器与电磁系、电动系仪表相配合的方式。大型关键设备中，一般采用电流互感器与电流变换器相配合的方式进行电流测量，目前只有变频器中使用了霍尔电流传感器。在日常的设备维护维修检查里，我们主要采用钳形电流表进行电流测量，将测量值与设备的正常电流进行比较，以判断设备的运行状况是否正常，这种测量的精度十分低，但不会影响定性判断的准确性。分析传统与现代电流传感器等的原理与特点，电流传感器的发展趋势为高可靠性、高精度、小型化。关键词：电流传感器电流互感器电流变换器霍尔电流传感器罗柯夫斯基电流传感器M o d e mC u 册吐S c i i $ o r T r a d i t i o n a lC u n e n t5 f f l s o ri sC I e 1 1 tW d N S f o r m e l , w h i e l lc a nb ec l a s s i f i e di n t ot w oc a t e g o r i e s ：u s e di ns u r v e y i n ga n dr e h yp r o t e c t i o n C t m m tt r o m s f o r m e r s u p p l ys t a n d a r ds i 郾I a lf i tf o ri n t e l l i g e n ti I l s 廿1 m l e I 】t ，w o i i d n gw i t hC u r r e n tc o n v e r t o rt o g e t l e rM o d e r nC u n e n tS e n s o ri n c l u d eH a l lC u r r e n t9 既l s O LO p t o e l e c t r o n i cC u r r e n t 鬟臻鲫a n dR o g o w s k iC m r e n tS t S O re r e I nc o m p a f l s o nw l t hT r a d i t i o n a lC u r r e n t 靶n s o LM o d e mC u r r e n ts f f l s o rh a sn os a t u r a t i o n , w i d e rw a n s m i s s i o nf r e q u e n c yb a n d w i d t h , b e t t e ra n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , l i g h t e rm四川大学T 程硕士专业学位论文w e i g h t 。s m a l l e rs e c o n d a r yc a p a c i t ya n ds i z e M o d e mC u r r e n ts d f i s o ri st h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n t I nc o m p a n s o nw i t hM o d e mC u r r e n ts c i B o r ，C u r r e n tt r a n s f o r m e rh a sm a n yf a u l t s B e c a u s eo fm a n ye x c e l l e n c es u c ha sw i d e rf l e q u o n c yb a n d w i d t h , b e t t e rr e d u c t i o n ,c h e a p e r p d c ea n d c o m p l e t e i s o t a t i o n o f c o n t r o l l o o p f r o m m a h t 0 0 1 ) ，C u n e n t t r a n s f o r m e ri ss t i l lm o s tp o p u l a ri nE 1 e c t r i cP o w e rs y s t e m ，C t m e n ti st h em o s ti m p o r t a n to p e r a t i o n a ld a t ao fe l e c t r i c a le q u i p m e n tmc h e m i c a lp l a n ts u c ha sm o t o r T h eC t a T e n to f t e nd e n o t e sl o a do fe l e c t r i c a le q u i p m e n t T h ew o r k ( T缸j u S t t l l e l o a d a c c o r d i n g t o t h e c u r r e n t t o p r o d u c e a c c e p t e d p r o d u c t I no u rf a c t o r y , w eu s eC u r r e n tt z m | s f o r m e rc o m l , a r m gw i t he l e c t z o m a g n e t i cm e t e ra n de l e c m ) d y n a m o m e t e ri ng e n e r a le l e c t r i c a le q u i p m e n t w eu s eC u r r e n tt r a n s f o r m e rc o m p = i n gw i t hC t m e n tc o n v e r t o ri ni m p o r t a n te l e c t r i c a le q u i p m e n tW eo n l yu s eH a l lC u r r e n tt r a n s f o r m e ri n 仃s d u c e W eu s ec l i p - o na m i n e t e r 缸t h ed a i l ym a i n t e n a n c ea n d托p a 址w h i c hi sl o wp r e c i s i o n , b u tt h e r ei sD Oa f f e c t i o nt ot h e j I I d g 啪e n t A n a l y z et h ep r i n c = p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fT r a d i t i o n a lC u r r e n ts e n s o ra n dM o d e mC u r r e n t 鬻n s o LM i n i a t u r i z a t i o n , h i g hd e p e n d a b i l i t ya n dp r e c i s i o na r et h et r e n di nd e v e l o p m e n to f c u r r e n ts e n s o r K e yw o r d s ：C u r r e n tS e l l S 0 1 C u r r e mt r a n s f o r m e rS e 】f l s o rR o g o w s l dc u r r e n t 鸵1 1 S 0 1 I V四川大学1 = 程硕七专业学位论史1 前言现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别完成对被测量的信息提取、信息传输及信息处理。目前，信息传输与处理技术已取得突破性进展，然而传感器的发展相对滞后。在今天信息时代，各种控制系统自动化程度、复杂性以及环境适应性( 如高温、高速、野外、地下、高空等) 要求越来越高，需要获取的信息量越来越多，它不仅对传感器测量精度、响应速度、可靠性提出了很高的要求，而且需求信号远距离传输。显然，传统的传感器己很难满足要求，发展集成化、微型化、智能化、网络化传感器将成为传感器技术的主流和方向m 。在电工学里，电流是一个基本的电磁量。测量电流不但其本身十分重要，而且其他电磁量和非电量也可以通过变换器转换成电流，然后进行测量。所以电流的测量是电磁测量的基础n ，。电流测量在工厂电气技术管理中，也有非常重要的地位。我们知道，工厂里面的动力系统大多靠电力提供，最典型的就是电动机，电动机提供功率的大小与电流的大小存在某种对应关系，确定了电流的大小，也就知道了提供的功率，并可以通过功率的数据去判断：电动机的运转状态是否正常、负荷侧设备( 风机、水泵、搅拌器等) 运转状态是否正常、电机与负荷的配合是否合理。工厂里，我们根据电流测量值可以对设备的运行状态进行评价、判断，采取适当的技术措施，以保证动力系统高效率、低成本、长周期的运转。高效率：就是指在满足负荷要求前提下，控制功率提供裕量，杜绝电动机与负载设备的不匹配现象，减少浪费。低成本：就是在分析比较各台电动机的运行电流后，选择能提供相同生产能力的、运行电流较低的电动机承担主要生产任务，减少运行成本。婴型查兰三堡塑主主些兰竺丝苎长周期：就是根据电流的变化趋势，判断设备状况的发展趋势，将可能即将损坏的设备提前、按计划地停下来修理，维持生产系统的长周期稳定运行。一个完整的测量系统，包括：信息的提取、转换存储与传输、显示和记录、处理和分析等环节。电流的测量，也涉及信息的提取，这个任务是由电流传感器来完成的。电流传感器，可定义为：以一定的精确度把某种电流转换为与之有确定对应关系的、便于应用的另一种电流的测量装置。我们一提到电流传感器，首先就想到了电流互感器，这是我们在工厂里经常应用的一种传统电流传感器。电流互感器拾取的电流信号，可以直接通过电流表显示出来，也可以接入控制、保护设备里，用来控制设备的运行状态。电气测量中使用的电工仪表从机电式仪表发展到数字式仪表、智能仪表，参数的处理、显示技术日新月异，而采样技术，特别是电流传感器的发展稍显缓慢。近年来，随着光电电流传感器、罗柯夫斯基电流传感器等现代新型传感器的出现，预示电流传感器向小型化、高可靠性、高低压完全隔离、抗电磁干扰性能好、频带宽及无铁磁饱和的方向发展。2图l 电流互感器的测量原理图其中L 。、L 2 为一次绕组，K 。、K 2 为二次绕组，一次绕组与被测电路串联，二次绕组接电流表。由于电流表内阻小，电流互感器相当于近似短路工作状态，如果略去磁化电流I 。不计，可以认为：K = I I I l 2 1 2即I ：。c I 。常数K 与一、二次绕组的匝数之比u ，) ：有关。必须指出，电流互感器存在变比误差( 也称为电流误差) 和相角误差。变比误差：电流互感器铭牌上的K 为额定变比，事实上K 并不是一个常数，它与互感器的工作状况有关，电流大小、负载阻抗的性质与大小都会引起K 的变化。磁化电流I 。如果没有略去，按磁势平衡方程式四川大学T 程硕士专业学位论文I o ( ) I _ I I l + 1 2 2在电流互感器负载变化范围不大使时，1 2 减少就会使I O 增加。相应的磁通和感应电势E 2 也会加大，使1 2 有一些增加，力图保持K 不变如果负载阻抗增加太多，K 不能保持不变而形成误差相角误差：理想状态下，I 。、I ：的相位差为1 8 0 ，但是由于内阻抗和磁化电流的影响，I ，、I ：的相位差为1 8 0 6 ，6 就是相角误差。两种误差往往同时存在，误差大小与所接负载有关( 见表1 ) ，可以发现，负载容量不能过大，也不能过小否则，误差将会较大。表1 电流互感器误差数据表m一次绕组电流为额允许误差电流互感器准确级别定电流的百分比变比误差Y 相角误差( 分)( )0 0 11 0 - 1 2 0d - 0 O l4 - 0 30 0 21 0 - 1 2 0d - O 0 20 6O 0 51 0 _ 1 2 00 0 525 0d - 0 1 570 11 0 0 _ 1 2 00 155 00 3 01 3O 21 0 旷1 2 0O 2 0l O5 00 6 54 00 51 0 0 - 1 2 0O 53 05 01 38 011 0 0 1 2 0d - 1 06 02 1 电流互感器主要技术名词和技术规范：2 1 1 、额定电流比：额定电流比指一次额定电流与二次额定电流之比。4婴型查兰! 堡堡主些兰竺笙苎2 1 2 、准确度等级：由于电流互感器存在一定的误差，因此根据电流互感器允许误差划分互感器的准确度等级。2 1 3 、额定容量：额定二次电流通过额定二次负载时所消耗的视在功率。2 1 4 、额定电压：电流互感器的额定电压，是指一次线圈长期对地所能承受的最大电压( 有效值) 。2 1 5 、极性标志；一次线圈出线端首端标为L 1 ，末端为L 2 。当多量限一次线圈带有抽头时，首端标为L 1 ，末端为L 2 ，L 3 等。二次线圈出线端标志，首端为K ，末端为。当二次线圈带有中间抽头时，首端标为，自第一个抽头起依次为K 2 ，K 3 等。对于具有多个二次线圈的电流互感器。应分别在各个二次线圈的出线端标志“K ”前加注数字。2 2 隔离作用在供电用电的线路中电流电压大大小小相差悬殊从几安到几万安都有。为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压都比较高，如直接测量是非常危险的，电流互感器就起到隔离的作用。显示仪表大部分是指针式的电流表，所以电流互感器的二次电流大多数是安培级的( 如5 A 等) 。现在的电量测量大多数字化，而计算机的采样的信号一般为毫安级( O - 5 V 、4 - 2 0 m h 等) 。微型电流互感器二次电流为毫安级，主要起大互感器与采样之间的桥梁作用。微型电流互感器也有人称之为“仪用电流互感器”m 。( “仪用电流互感器”有一层含义是在实验室使用的多电流比精密电流互感器，一般用于扩大仪表量程。)2 3 电流互感器的用途电流互感器大致可分为两类，测量用电流互感器和保护用电流互感5婴型查兰三堡至兰童些兰堡堡塞器。2 3 1 测量用电流互感器测量用电流互感器主要与测量仪表配合，在线路正常工作状态下，用来测量电流、电压，功率等。测量用微型电流互感器主要要求：1 、绝缘可靠，2 、足够高的测量精度，3 、当被测线路发生故障出现的大电流时互感器应在适当的量程内饱和( 如5 0 0 的额定电流) 以保护测量仪表。2 3 2 保护用电流互感器保护用电流互感器主要与继电装置配合，在线路发生短路过载等故障时，向继电装置提供信号切断故障电路，以保护供电系统的安全。保护用微型电流互感器的工作条件与测量用互感器完全不同，保护用互感器只是在比正常电流大几倍几十倍的电流时才开始有效的工作。保护用互感器主要要求：l 、绝缘可靠；2 、足够大的准确限值系数；3 、足够的热稳定性和动稳定性。保护用互感器在额定负荷下能够满足准确级要求的最大一次电流叫额定准确限值一次电流。准确限值系数就是额定准确限值一次电流与额定一次电流比。当一次电流足够大时铁芯就会饱和起不到反映一次电流的作用，准确限值系数就是表示这种特性。保护用互感器准确等级5 P 、l O P ，表示在额定准确限值一次电流时的允许误差5 、1 0 。线路发生故障时的冲击电流产生热和电磁力，保护用电流互感器必须承受。二次绕组短路情况下，电流互感器在一秒内能承受而无损伤的一次电流有效值，称额定短时热电流。二次绕组短路情况下，电流互感器能承受而无损伤的一次电流峰值，称额定动稳定电流。保护用电流互感器分为：1 、过负荷保护电流互感器；2 、差动保护电流互感器；3 、接地保护电流互感器( 零序电流互感器)2 4 电流互感器的分类与发展从精度等级来看，电流互感器分为普通电流互感器( 0 5 。1 ，2 ) 、6四川大学T 程硕十专业学位论文精密电流互感器( 0 0 1 ，0 0 2 ，0 0 5 ，0 1 ) 。2 4 1 普通电流互感器我所在单位使用的都是普通电流互感器一次电流范围：1 A - 1 5 0 0 A二次电流范围：l A ，5 A精度：0 5 ，1 ；2 制造业中电流互感器主要用于其电力系统的继电保护和计量、电气设备的负荷监测控制，对于电流互感器的精度要求不太严格，但对其稳定可靠性要求较高，这与制造业连续生产的特点相吻合。工厂供电系统要求十分稳定可靠，用于继电保护的电流互感器必须“定性”地反映是否发生故障，如果检测到的电流超过设定值，继电保护线路就要可靠地切除故障线路。工厂供电系统的计量对于工厂的成本分析控制有很重要的意义，电流互感器只需要“定性”地反映各设备电力消耗的多少，真正计费的是供电局的计量仪表。工厂低压电气设备上的电流互感器也只需要“定性”地反映各设备负荷的高低，如果负荷高于设定范围，控制回路必须马上断开主回路电源，起到保护设备的目的。有的设备在调整负荷高低时，基本上是根据电流表显示数据的高低，电流表的电流信号也是通过电流互感器获得。2 4 2 电流变换器在很多智能化程度较高的工厂设备里，电流互感器与电流隔离变换器配合使用，可为变配电集中监控装置、D C S 等智能化系统提供过程信号。电流隔离变换器实际上是一个信号调整电路，它将电流互感器测量的1 A 或5 A 电流信号转换为4 - 2 0 m h 的过程信号。我公司制造部横河C S 3 0 0 0D C S 系统( 输入、输出共1 8 0 0 点) 采用了深圳亚特尔公司的P R O1 3电流变换器，将发酵罐2 0 0 K W 电动机5 0 0 5 电流互感器测量的o - 5 A 信号转换为4 - 2 0 m h 的信号接入D c S 。表2P R O1 3 电流变换器特性m输入1 、2 脚O 一5 A输出5 、6 脚4 - 2 0 m h电源3 、4 脚A C8 5 - 2 3 0 V空唧7 、8 脚7四大学丁程硕士专业学位论文l精度10 5 级IR L 5 0 0 QI另外，我公司6 K V 冷冻机( 重庆通用集团制造) 上采用了台技电机( T A I KE L E c T R I c ) 的S 3 - A D 交流电流变换器，将高压开关柜上1 0 0 5电流互感器测量的o - 5 A 信号转换为4 - 2 0 m A 的信号接入P L C 。表3S 3 - A D 交流电流变换器特性州输入1 、2 脚O l AO 一5 A输出5 、6 嘟1 5 V4 - 2 0 m h电源3 、4 脚1 ) C2 4 V空唧7 、8 啷精度0 5 级隔离强度2 6 0 0 vA c6 0 H zI m i n响应时间4 0 0 m s ( 0 9 9 )其共同的系统结构图如下：电4 - 2 0 m AD C SC T流：o _ 5 A或，变。1 广P L C换i 工作电源图2 共同系统结构图圉日本爱模系统株式会社( M - S Y S T E M ) 生产的电量变换器品种比较多，下面介绍其在市场上比较流行的三种类型，其中C T S 电流信号变换器自带c T ，无须用户提供电流互感器。其原理图如下m ：Lr：rl一rLrLl00rr图3C T S 电流信号变换器原理图该公司生产的L T C E 交流电流隔离变换器特性如下m ：表4L T C E 交流电流隔离变换器参数输入1 、2 啷A c0 一l Ao - 2 Ao - 5 A输出4 、5 嘲D CO 一2 0 l l I AA Cl O O 一1 2 0 V2 0 0 - 2 4 0 V电源6 、7 脚D c2 4 V 4 8 VI l O V精宦0 5 隔离强度2 0 0 0 VA Cl m i n ( 输入对输出对电源对地)响应时间1 秒( O 一9 0 )该公司生产的M 5 C T 交流电流变换器特性如下w ：表5M S C T 交流电流变换器参数输入3 、4 脚A CO - - 1 AO 一5 A输出5 、6 脚D CO - 2 0 m A电源7 ，8 脚D C2 4 V精度0 3 ( 输入5 一1 0 0 )隔离强度2 0 0 0 VA Cl m i n ( 输入对输出对电源对地)响应时间0 5 秒( O 一1 0 0 )2 4 3 精密电流互感器9婴坐查兰! 翌竺主主些兰丝堡苎工厂里面使用的精密电流互感器主要是用于漏电保护器，由于漏电开关是安装在电器前面，用来保护电器和人的用电安全的装置。当由于设备绝缘不良或者人体触电时，会在互感器的次级线圈中感应出信号，经过处理后使得电闸跳开，切断电路，保护电器或人身的安全。因此，对于其灵敏度提出了较高的要求。下面介绍一种精密电流互感器小电流传感器，它使用超微晶做铁芯，采取有源电子电路网络与副边绕组直接相连，构成自适应动态调整回路后，可使测量精度有较大幅度的提高，同时保持高稳定度。目前应用于电力系统的电流传感器多是以电磁耦合为基本工作原理的，从采样方式上分，这类传感器主要有直接串入式、钳式、闭环穿芯式三种。为保证采样的准确性，使输出、输入信号间的比值差和相角差尽量小，研究人员采用的误差补偿方法有：短路有源补偿法、纯电阻误差补偿法、二次阻抗完全补偿法、自平衡电子补偿法等。大量的研究试验表明，基于“零磁通原理”的小电流互感器更适合电力系统绝缘在线检测的要求。小电流传感器即是以此为基本原理，加上自适应动态跟踪电子电路的应用，使小电流传感器具有高精度、高稳定度、抗干扰能力强的优点。电力系统绝缘在线检测对电流传感器的基本要求电力系统绝缘在线检测系统长期工作在强电磁场环境中，且多为户外环境。作为其采样输入端。小电流传感器必须能高精度、高稳定性地完成采样工作。然而，由于被采信号小，它极易受电磁场、温度、湿度等因素的干扰影响。为了能在电力系统强噪声干扰环境下准确采样，用于在线检测的小电流传感器应满足以下条件：采样范围在几百l lA 级至几m A 级。灵敏度高，输出能灵敏反应输入量的微小变化；输出信号尽可能大。在测量范围内线性度好，输出波形不畸变，输出信号与被测信号间的比值差、角差小，并且其差值稳定，不随温度等因素的变化而变化。抗干扰能力强，电磁兼容性好。电流互感器的“零磁通原理”2 4 3 1 穿芯式小电流互感器的原理如下：1 0四川大学T 程硕十专业学位论文设I 。为小电流互感器一次侧电流，I ：为二次侧电流，I 。为激磁电流。N 。、N 2 分别为一、二次绕组匝数。因此，该小电流互感器的磁势平衡方程为：I , N ，+ 1 2 N 2 = 一I o N I当激磁安匝I 羽。为零时，I , N 。：- I 爿：即付边安匝变化能完全反映原边安匝变化，误差为零c “，。一般称1 0 N 。为绝对误差，I d 。I 。N 。为相对误差。电流互感器的误差为复数误差，可用比值差f 和角差6 表示。e I o N l T 。N 。= f + j5式中f = ( I 羽J L N 。) l 。1 0 0 ，5 为I ：逆时针1 8 0 。后与I 。的夹角。由此可见，由于1 2 J ，的存在，使I 捌：与I , N 。存在角差6 和比值差f o若I o = O ，则激磁磁势为0 ，误差为零。此时的铁芯处于“零磁通”状态，它工作于磁化曲线的起始段( 线性段) 。这时，电流互感器输出波形就不会畸变，保持良好的线性度。此即为。零磁通原理”。因此，若能使互感器铁芯始终处于零磁通状态，就能从根本上消除电流互感器的误差c 埘a但是，由互感器的工作原理可知，靠互感器自身是不可能实现零磁通的，必须靠外界条件的补偿或调整。为此，采用动态平衡电子电路对其进行动态调整，使铁芯始终处于“动态零磁通状态”。2 4 3 2 小电流传感器的原理设N 。为检测绕组，D 为动态检测单元，G 为产生二次电流的有源网络。本回路的磁势平衡方程为：L N 。+ 1 2 N 2 + I d = 一I d 。I1 产生的激磁磁通在N 。两端产生感应电势，并加到动态检测单元D 的输入端，通过G 产生二次电流I ：提供给二次绕组，I ：所产生的磁通对铁芯去磁，使铁芯达到磁势平衡。因此，理想状态时，该传感器的二次绕组电流I 。全部由有源网络G 供给，而不从感应电势取电流。D 高速动态检测N 。两端的电势差，当电势差足够小( 近似为零的允许值) 时，铁芯中的磁通即近似为零磁通。若检测值偏离允许值，G 则自动高速调1 1- roLrrllkrr婴! ! ! 奎兰三堡! 兰主些兰垒堡茎整。如此高速跟踪调整，使铁芯能始终保持在逼近零磁通状态，传感器达到较高的精度。2 4 3 3 误差分析电流传感器的误差包括容性误差、磁性误差以及检测调整电子电路的灵敏度误差三部分。所谓容性误差，是指各侧线圈本身和线圈之间的容性泄漏电流所造成的测量误差。对工频信号来说，当N 2 ( 1 0 0 0 时，这项误差可控制在1 0 5 以内。本装置由于一、二次绕组匝数均很小，容性误差可以不计。检测绕组虽然匝数相对较多，但其电位差动态逼近零，所以，其容性误差仍可忽略。经过前述高速动态调整后，I o - - 0 ，铁芯逼近零磁通，磁性误差很小。但事实上，完全的零磁通状态是达不到的，铁芯中必须有一点微弱的磁通才能使G 输出I ：，这就使磁性误差仍然存在。从磁势平衡方程可见，磁性误差主要由两部分组成：一是由I 。带来的残余磁势引起的误差，另一部分是由检测绕组I 。带来的附加磁势引起的误差，即：e = ( I o N 。I 剁：) + ( I d 1 2 N 2 ) = ( 1 0 8E D l 2 2 2po N D S I ：N 2 ) + ( E 0 q D R i I ：)其中：E D 为N D 的感应电势，1 为磁路长度，S 为铁芯截面积，I l 。为铁芯初始磁导率，R 。为检测单元输入阻抗。由此可见，降低磁性误差一是应选择B 。值较高的铁芯和合适的检测绕组匝数；二是要有较大的检测单元输入阻抗。E D 和I ：可通过有源动态平衡网络控制在所需范围内。除此之外，还需使用高导电、高导磁材料做屏蔽以消除电磁场的干扰，可用超微晶合金作磁屏蔽材料。上世纪八十年代以来，非晶合金代替坡莫合金( 铁镍合金) 开始作为漏电开关中的互感器铁芯，近年来，非晶微晶合金作为互感器铁芯的应用逐渐广泛起来，取得了非常理想的效果。四”l 大学工程硕士专业学位论文3 新型电流传感器3 1 霍尔电流传感器霍尔电流传感器广泛应用于变频调速装置、逆变装置、L 甲S 电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测大电流的各个领域中w 。3 1 1 工作原理当电流流过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线形关系，因此可利用霍尔器件的测得的输出信号，直接反应出导线中的电流大小m 。I _t |图1 闭环霍尔电流传感器的工作原理霍尔元件在磁场中感应输出的电压，其处理电路有开环和闭环两种，将霍尔元件的输出电压用运算放大器直接信号放大，得到所需要的信号电压，由此电压值来标定原边被测电流大小，这种形式的霍尔传感器通常称为开环霍尔电流传感器，开环霍尔传感器的优点是电路形式简单，成本相对较低，其缺点是精度、线性度较差、响应时间较慢、温度漂移较大，为了克服开环传感器存在的不足，八十年代末期国外出现了闭环霍尔电流传感器m 。闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的。如图1 ，即原边电1 3婴坐查兰三堡堡兰：兰些兰丝丝塞流I N 所产生的磁场，通过一个副边线圈的电流I M 所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态，当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时，即有如下等式NI _ = nI -式中I 。为原边电流I 。为副边补偿电流N 为原边线圈的匝数n 为副边线圈的匝数由上式看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流I M 的大小，即可推算出原边电流I N 的值，从而实现了原边电流的隔离测量。电流传感器的输出信号是副边电流I 。，它与输入信号( 原边电流I n ) 成正比，I 一一般很小，只有l O 4 0 0 m A 。如果输出电流经过测量电阻凡，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的电压输出信号。3 1 2 主要特点闭环霍尔电流传感器主要有以下特点：霍尔电流、电压传感器变送器具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足( 互感器只适用于5 0 H z I 频测量；分流器无法进行隔离测量) 。利用同一只霍尔电流电压传感器变送器模块检测元件既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代产品m 。霍尔电流、电压传感器变送器具有如下特点：可测量任意波形的电压和电流。霍尔电压、电流传感器变送器模块可以测量任意波形的电流和电压参量，如直流、交流和脉冲波形等。也可以对瞬态峰值参数进行测量，其副边电路可以忠实地反映原边电流的波形。这一点普通互感器无法与其相比，因为普通的互感器一般只适用于5 0 H z 的正弦波：精度高。一般的霍尔电流电压传感器变送器模块在工作区域内的精度1 4I四川大学T 程硕t 专廿学位论文优于1 ，该精度适合于任何波形的测量，而普通互感器精度一般为3 5 ，且只适合于5 0 H z 的正弦波形；线性度优于0 5 ；动态性能好。一般霍尔传感器变送器模块的动态响应时间小于7 1 1s ，跟踪速度d i d r 高于5 0 A 1 1S ：霍尔电流电压传感器变送器模块以其优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础( 2 1 感元件) 。一般普通互感器的动态响应时间为1 0 2 0 us ，这显然已不适应工业控制系统发展的需要( 感性元件)【埘：工作频带宽。可在O 2 0 k H z 频率范围内很好地工作；过载能力强，测量范围大( 0 1 0 0 0 0 A )可靠性高，平均无故障工作大于5 1 0 0 0 0 d 、时；尺寸小，重量轻，易于安装且不会给系统带来任何损失。1 ) 可以同时测量任意波形电流，如直流、交流脉冲电流2 ) 副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2 K V 一1 2 K V3 ) 电流测量范围宽，可测量额定l m A - 5 0 K A 电流4 ) 跟踪速度d i d t 高于5 0 A u s5 ) 线性度优于0 1 I N6 ) 响应时间小于l u s7 ) 频率响应0 1 0 0 I ( H z3 1 3 提高测量精度的方法除了安装接线、即时标定校准、注意传感器的工作环境外，通过下述方法还可以提高测量精度c 町：1 、原边导线应放置于传感器内孔中心，尽可能不要放偏：2 、原边导线尽可能完全放满传感器内孔，不要留有空隙：3 、需要测量的电流应接近于传感器的标准额定值厶，不要相差太大。如条件所限，手头仅有一个额定值很高的传感器，而欲测量的电流值又低于额定值很多，为了提高测量精度，可以把原边导线多绕1 5rI_|L，rLLr如J l I 大学T 稃硕t 专廿学位论文几圈，使之接近额定值。例如当用额定值1 0 0 A 的传感器去测量1 0 A的电流时，为提高精度可将原边导线在传感器的内孔中心绕九圈( 一般情况， 仁l ；在内孔中绕一圈，N p = 2 ；：绕九圈， 乒1 0 ，则彤x1 0 A = 1 0 0 A 与传感器的额定值相等，从而可提高精度) ；4 、当欲测量的电流值为“5 的时，在2 5 仍然可以有较高的精度。3 1 4 抗干扰性1 、电磁场闭环霍尔效应电流传感器，利用了原边导线的电磁场原理。因此下列因素直接影响传感器是否受外部电磁场干扰m 。( 1 ) 传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化；( 2 ) 外部导线与传感器的距离、外部导线的形状、位置和传感器内霍尔电极的位置：( 3 ) 安装传感器所使用的材料有无磁性；( 4 ) 所使用的电流传感器是否屏蔽：2 、电磁兼容性电磁兼容性酬C ，( E l e c t r o - M a g n e t i cC o m p a t i b i l i t y ) 是研究电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作而又互不干扰，达到“兼容”状态的一门学科。空间电磁环境的恶化越来越容易使电子元器件之间因互不兼容而引发系统的误动作，因此电工、电子设备电磁兼容性检测极有必要。由于实际生产、科研及市场推广的迫切需要，采用已通过电磁兼容性检测的电流和电压传感器己形成共识，并已成为一个强制性标准n 帕。3 1 5 国外发展状况从1 8 7 9 年美国物理学家E d w i nH e r b e r tH a l l 发现霍尔效应开始“”，到上世纪八十年代，由霍尔器件应用开发的霍尔电流传感器的性1 6婴型查兰三堡里主主些堂丝堡塞能才有了较大提商。在国内，霍尔电流传感器的研发已经取得了长足进步，清华大学核能技术设计研究院陈显舟等人设计的高准确度微型霍尔交流电流传感器m ，具有闭合的磁心形状，尺寸小，最大相对误差为0 4 1 ，线形度为0 5 8 ，准确度和线形度都很好表1 测量数据被测电流输出电输出电压相对误线形次数零点漂移v压测量A理论值v差( )度( )值v1o 0 0 33 I O 1 2 25 1 7 55 1 6 8 70 1 2O 0 62o 0 0 32 4 1 4 74 0 4 l4 0 2 4 50 4 10 3 4。3o 0 0 31 3 2 6 4 22 2 1 92 2 1 0 70 3 7O 2 44O 0 0 37 4 5 7 41 2 3 9I 2 4 2 90 3 10 5 8国外，A B B 公司的传感器因其型号多，量程宽( 电流5 _ _ 6 0 0 0 A ；电压5 0 - 5 0 0 0 V ) 、高精度、灵敏度高、线性度好、规范、易安装、抗干扰能力强、质量可靠、平均无故障时间M T B F 长等优点，在各个领域特别是在机车牵引和工业应用领域中值得用户信赖w 。美酱霍尼韦尔公司( h o n e y w e l l ) 开发的C S N E l 5 I - 0 0 5 ，C S N E l 5 1 - 1 0 0 ，C S N R l 6 1 ，C S N F l 6 1 ，C S N P 6 6 1 霍尔电流传感器”表2C S N E l 5 1 - 0 0 5 翟尔电流传感器技术参数额定电流( 有效值)5 2 5 A测瞢范丽( 峰值)O 3 6 A额定输出2 5 m A负载阻抗1 0 0 0 2 0 Q( 艇定电流哟线圈阻抗( 7 0 。c )1 1 0 Q线圈匝比1 2 3 - 4 5 ：l 0 0 0精确度O 5 线性度0 2 零点输出O 1 5 m A 以内工作电压1 2 1 5 V ( 5 )温度漂移( 0 - 7 0 。c )O 1 7 m A绝缘耐压5 k V 5 0 H z 1 分钟d i d t 动态特性 5 0 A u s晌廊时间 I O O A ps响l 哿时同 1 0 0 M ps响市时日】 1 5 0 A 3 0 0 A 6 0 0 A 7 5 0 A 9 0 0 A 9 0 0 A 9 0 0 A精确度1 输出电压_ 4 - 4 V供电电源1 5 1 ，5 线性度1 输出温度 0 1 ( T ”)零点温度漂移 l m V ( T y p )漂移储存温度一1 5 + 9 0 工作温度范围一1 0 + 8 0 磁滞误差 2 5 m y ( I F = F S )响应时间 2 0 l l l A 0 9 A 3 A 8 A 1 3 A 2 5 A 4 0 A额定l O m AO 3 A1 A3 A5 A1 0 A2 0 A电流精确1 输出电压2 5 m A 4 V ( 两种)度供电1 5 v 5 线性度1 1 9四I I l 大学T 程碜十专业学位论文电源输出 4 0 0 猫( T y p )零点温度漂移 4 - l m v 温度漂移储存储存温度2 5 一十龉工作温度范围一l o + 7 0 温度磁滞 2 5 m v ( I F = F S )响应时间 1 0 0 0 A 1 5 0 0 A 2 0 0 0 A 2 5 0 0 A 3 0 0 0 A精确度1 输出电压4 V供电电4 - 1 5 V 5 线性度1 源输出温 4 O 0 5 C ( T y p )零点温度漂移 l m V 度漂移( T y p )储存一1 5 4 - 9 0 工作温度范围一l O + 8 0 温度磁滞 2 5 m V ( I F = F S )响应时间 2 5 k k ，l m i n ：静态功耗：4 0 0 w输出纹波： 3 5 m V ；环境温度：O + 5 0 ；交流供电型交流电流传感器与交流供电型直流电流传感器型号上有一点差异，型号有W B l 3 4 2 U 0 9 ，w B l 3 4 4 U 0 9 ，W B l 3 4 4 U 0 9 三种，技术参数及尺寸、安装方式相同。中外合资深圳圣斯尔电子技术有限公司也从事电量传感技术产品方面的研究、开发、生产、销售，生产c E 系列电量隔离传感器变送器2 3四川大学T 程硕士专业学位论文C E T 电量隔离传感器变送器：V ：0 5 0 I n V i k VI ：O I m A 3 0 0 AF ：0 4 5 H z 5 k H zP ：O 5 0 0 V0 2 5 A0 2 级、0 5 级C E A 智能型电量隔离变送器V ：O 5 0 0 VI ：O 2 5 A0 5 级与国外产品相比，国内产品还有相当差距，外形尺寸比国外的偏大，精度比国外稍低，测量范围较小。3 1 7 国内应用状况目前，霍尔电流传感器的应用场合主要有以下1 9 个方面：3 1 7 1 应用于继电保护与测量在工业应用中，来自高压三相输电线路电流互感器的二次电流，如分别经三只霍尔电流传感器，按比例转换成毫伏电压输出，然后再经运算放大器放大及有源滤波，得到符合要求的电压信号，可送微机进行测量或处理。在这里使用霍尔电流传感器可以很方便地实现了无畸变、无延时的信号转换。3 1 7 2 应用于直流自动控制调速系统中在直流自动控制调速系统中，用霍尔电流电压传感器可以直接代替电流互感器，不仅动态响应好，还可实现对转子电流的最佳控制以及对晶闸管进行过载保护。3 1 7 3 应用于逆变器( I n v e r t e r ) 中在逆变器中，用霍尔电流传感器可进行接地故障检测、直接侧和交流侧的模拟量传感，以保证逆变器能安全工作。3 1 7 4 应用于不间断电源( U P S ) 中在U P S 中，用霍尔电流传感器进行控制，保证逆变电源正常工作。使用霍尔电流传感器1 发出信号并进行反馈，以控制晶闸管的触发角，霍尔电流传感器2 发出的信号控制逆变器，霍尔电流传感器3 控制浮充电源。由于其响应速度快，霍尔电流传感器特别适用于计算机中的不间断电源。3 1 7 5 应用于电子点焊机( E l e c t r o ns p o tw e l d i n gm a c h i n e ) 中2 4四I I I 大学工程硕士专业学位论文在电子点焊机电源中，霍尔电流传感器起测量和控制作用。它的快速响应能再现电流、电压波形，将它们反馈到可控整流器A 、B ，可控制其输出。用斩波器给直流迭加上一个交流，可更精确地控制电流。用霍尔电流传感器进行电流检测，既可测量电流的真正瞬时值，又不致引入损耗。3 1 7 6 应用于电车斩波器( W a v ec h o p p e r )电车中的调速是由调整电压实现的。而将霍尔电流传感器和其它元件配合使用，并将传感器的所有信号输入控制系统，可确保电车正常工作。3 1 7 7 应用于变频器( t r a n s d u c e r )用变频器来对交流电机实施调速，在世界各发达国家已普遍使用，且有取代直流调速的趋势。用变频器控制电机实现调速，可节省1 0 以上的电能。在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。3 1 7 8 应用于电能管理霍尔电流传感器，可安装到配电线路上进行负载管理。霍尔电流传感器的输出和计算机连接起来，对用电情况进行监控，若发现过载，便及时使受控的线路断开，保证用电设备的安全。用这种装置，也可进行负载分配及电网的遥控、遥测和巡检等。3 1 7 9 应用于接地故障检测中在配电和各种用电设备中，可靠的接地足保证配电和用电设备安全的重要措施。采用霍尔电流传感器来进行接地故障的自动监测，可保证用电安全。3 1 7 1 0 应用于电网无功功率自动补偿中电力系统无功功率的自动补偿，是指补偿容量随负荷和电压波动而变化，及时准确地投入和切除电容器，避免补偿过程中出现过补偿和欠补偿的不合理和不经济，使电网的功率因数始终保持最佳。无功功率的自动采样若用霍尔电流、电压传感器来进行，由于它们的响应速度快，且无相位差，在保证“及时、准确”上会具有显著的优点。3 1 7 1 1 应用于钳形电流袁婴型奎堂! 蔓里主些兰竺堡塞将磁芯做成张合结构，在磁芯开口处放置霍尔器件，将环形磁芯夹在被测电流流过的导线外，即可测出其中流过的电流。这种钳形表既可测交流也可测直流。用钳形表可对各种供电和用电设备进行随机电流检测。3 1 7 1 2 应用于电功率测量将负载电压进行变换，令其与霍尔器件的工作电流成比例，将负载电流通入磁芯绕组中，作为霍尔电流传感器的被测电流，霍尔电流传感器输出的霍尔电压即可指示功率，以构成霍尔功率计。3 1 7 1 3 应用于电力工频谐波分析仪中在电力系统中，