闭环霍尔电流传感器的工作原理介绍.doc

霍尔电流传感器原理图模块名称：闭环霍尔电流传感器模块参数： 测量频率： 0100KHz 测量范围： 1A40,000A 精 度： 0.2%1% 相应时间： 1uS 线 性 度： 0.1% 无测量插入损耗 测量AC,DC及脉冲电流 原边电流与副边输出信号高度隔离模块原理图：工作原理： 被测电流In流过导体产生的磁场，由通过霍尔元件输出信号控制的补偿电流Im流过次级线圈产生的磁场补偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流Im即可精确反映原边电流In值。闭环霍尔电流传感器的工作原理介绍 闭环 霍尔电流传感器是利用霍尔器件为核心敏感元件用于隔离检测电流的模块化产品，它的工作原理是霍尔磁平衡式的。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： I B VH （2）式中：B为导线通电流后产生的磁感应强度；I为通过导线中的电流；VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压。当选择适当的比例系数，上述关系可以表示为等式。对于霍尔输出电压信号VH的处理，人们设计了许多种电路，但总体来讲可分为两类，一类为开环霍尔电流传感器；另一类为闭环霍尔电流传感器。闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的，即原边电流（IN）所产生的磁场，通过一个副边线圈的电流（IM）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：NIN= nIM （3）式中：N为原边线圈的匝数；IN为原边电流；n为副边线圈的匝数;IM为副边补偿电流。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IM的大小，即可推算出原边电流IN的值，从而实现了原边电流的隔离测量。针对霍尔传感器的电路形式而言，人们最容易想到的是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。如何提高接触器设计及使用的可靠性传统交流接触器应该是一种很可靠的电器，但使用中也常发生线圈烧坏、触头粘接、铁芯发响。本文针对国内使用已达到IEC标准的产品，出现不能可靠工作，进行了分析，并提出了用扩大线圈工作电压范围的方法，设计高可靠的交流接触器，并简介其设计要点。关键词宽电压工作高可靠接触器传统接触器在使用中常发生线圈烧坏、触头粘接、铁芯发响(三大顽症)。产生的原因有产品本身的原因，也有使用及电网供电方面的原因。如何提高传统接触器的设计制造水平，满足在电网电压变化范围较大时，仍能可靠工作是本文论述的目的。为了设计并制造高质量的接触器，首先必须弄清楚传统接触器产生三大故障的原因及其解决的途径。1.铁芯发响：究其原因，是交流电磁铁在电流过零时，吸力减少到小于反力时，铁芯吸合不牢，当铁芯极面不平时，就会产生噪声，这就是铁芯发响。在制造厂发响的铁芯是不会出厂的，尽管标准规定距离1m处，噪声不得超过40分贝，但出厂的标准往往是靠人工手感来判定，超过“微麻”就判不合格，目前用手感测铁芯是否合格，应该说是较严的。当然不是一个科学的标准，但是在生产车间环境噪声较高，使用分贝仪测试鉴别的方法也有不便。当手感出现分岐时，有事先存放的样品作为判据。在生产厂减少噪声的方法，将铁芯铆牢、磨平，达到要求即可。在使用中，出现噪声而停止使用的情况大致有：1)极面有污垢物(如铁芯生锈、油污垢);2)分磁环断;3)有异物落在极面上(如细小固态颗粒)它们都会使铁芯产生较强的噪声。2.线圈烧坏的原因较多：2.1设计裕度不够：2.1.1漆包线的选用不当：为了降低成本，选用耐温130以下的漆包线。甚至选用油性漆包线。2.1.2线圈温升：设计一般要求60K以下，高强度聚脂漆包线的耐热一般选用155，有的设计人员为了降低成本减少线圈匝数，提高线圈温升至70K80K有的甚至达到90K，使线圈漆包线长期处在高温下工作，降低了线圈绝缘强度。2.1.3吸力、反力配合不完好：电压低时，吸合困难，动作时间长，线圈承受起动大电流的时间增加，更加使线圈发热电阻增大，又驱使吸力更明显欠缺，吸合更加困难，直至不能吸合。线圈在空心电抗下工作，线圈电流大很快会烧坏。2.1.4产品工作电压范围不够宽，电压低于85%可能出现热态不能吸合，电压高于110%时，线圈过热烧坏。2.2生产过程中控制不严或失控：2.2.1进厂检验不严：漆包线漆膜不匀，局部露裸线存在针孔超标。2.2.2线圈绕制工艺存在缺陷，无涨力控制或控制不当;绕制线圈时，控制绕线涨力，是确保线圈不至绕制太松，更不要太紧，使漆包线拉长，造成绝缘耐压降低。2.3.使用中的相关问题：2.3.1控制线圈的电源：由变压器供电时，变压器输出的电压，达不到额定电压Us的要求值;电压过高超过标准规定。2.3.2控制线圈电压选用的影响：Us有380V、220V、110V直至12V可供选用，选用的一般原则：a、Us不宜太高，能用110V不应选用380V，因为高电压匝数多，分断时会产生很高的过电压，损坏线圈绝缘，电压高的线圈，用漆包线更细一些，细的漆包线绕制时涨力控制稍有偏差会使线圈产生层间、匝间绝缘强度的降低。b、Us也不宜太低，能用48V的不宜选12V，因为当电压低于20V时，触头接通有时会出现接触不可靠。低电压线径较粗，漆包线不会产生拉伸变细，但过粗的线径不便于绕制，尤其是大容量(250A)以上的接触器，最好不选用Us低于110V的电压值。3.触头熔焊产生的原因：3.1设计选材不合理：有的设计人员，认为纯银触头在25A的电路中耐磨性能不如含银量低的AgNi10，通过实践证明AgNi20在32A电路中，也有较好的耐电磨损性能，为了节约用银，有的企业技术人员选用含银量低的AgCdo15触头，降低了产品性能。3.2生产过程中控制不严或失控：3.2.1进厂检验不能控制触头质量：触头制造材料、工艺或成份产生偏差，致使抗熔焊性降低;3.2.2为确保触头焊接质量，对于焊接的工艺参数：电流、时间、压力等一定要严加控制，否则会造成触头焊接不良。3.2.3动触头焊接：因有两个触点，先焊点的热量，会影响后焊点的焊接质量，保证后焊点焊接强度的工艺措施尤为重要。3.3使用中的相关问题：3.3.1控制线路中的故障(如线圈电路中，常闭触头超程小、振动时，触头时通时断)3.3.2正、反向控制电路设计未考虑换接时的燃弧时间(尤其是连续具有反接制动、能耗制动的重任务工作，灭弧室温升过高，灭弧时间会延长。)，或由于使用者片面追求快速，将转换延时单元弃用，而造成电弧短路，使触头烧蚀严重直至熔焊而不能分开。3.3.3由于接线原因，造成接线处温升过高：过高的热量传递至触头系统，使动触头变软或影响触头压力变化，造成触头接通熔焊。同时高温会使相间绝缘变坏，造成相间短路。3.3.4负载电路出现故障或短路：致使接触器分开短路电流而造成熔焊或烧毁。3.3.5重载起动时，网络电压Us跌落到85%以下，甚至达到70%使起动接触器不能可靠吸合，产生抖动。主触头在起动电流下连续通、断，电弧熔化触点，直到熔粘焊牢。3.3.6连续频繁点动：点动对于要求运动机械产生很小的位移是一种常用的方法，例如，冲压机对模，起重机械吊起时或吊重物要求轻放时。由于点动电动机只能转动一个很小的角度，就立即分断，连续频繁的点动，使触点处在大电流燃弧下工作，使触点熔焊而粘牢，故障立即发生。综上所述，一个传统的好接触器，能保证做到符合GB、IEC、VDE等标准的要求，但仍然有出现故障的可能。因此如何改进设计，提高产品性能，使产品达到有较高可靠性已是一个课题。4.高可靠接触器的设计在95年前后，国内某空调大公司，使用近50万台已得到国外大公司许可证的接触器。有200余台产品(万分之四)出现线圈烧坏，或触头熔焊。某空调大公司进行了验证试验，证明产品是符合标准的。这就提出了设计高可靠产品的必要性。笔者认为问题的出现是由于使用环境电网电压存在差异所至，并提出以下设计要点：4.1线圈设计采用直流工作：消除噪声，减少功耗。4.2设计具有宽电压工作特性的接触器：在传统接触器内加入一个宽电压工作组件，使交流接触器具有良好的宽电压工作特性。4.3图解：4.3.1从图中看出,尽管使用交流电源，但线圈工作在直流电路中,电磁铁不会发响.4.3.2由于直流工作,彻底根除了线圈绕组中短路匝的危害。4.3.3由于直流工作,保持吸合所需电压(以9A接触器为例)可减少至8V10V。线圈实际功耗仅为0.3瓦左右线圈温升很低,线圈不会因过热烧坏。由于电容降压，线圈绕组承受的工作电压很低，线圈可避免高工作电压击穿损坏绝缘。4.3.4从图中可看出,当产品完成吸合后,自控开关K分开，使线圈从直流全压起动,转变为直流低压保持，这种工作特性，为允许控制线圈电压范围增大留下了空间，当工作电压增加至140%时，线圈的功耗大约接近2瓦。线圈温升大约40K,比传统接触器还要少20%30%。4.4宽电压工作特性：宽电压工作体现在允许线圈工作电压从传统接触器的85%110%扩大到70%130%。上限到130%主要为确保网络电压偏高时线圈不烧毁。下限到70%为了确保当控制线圈电压突然跌落至70%时，产品也能正常工作，根除传统接触器在这时出现的抖动吸合，使主电路不会在6倍起动电流时接通分断电路，避免造成触点熔焊。设计宽电压工作特性的关键是：4.4.1吸合电压：设计调整线径、匝数，增加启动安匝数。必须达到65%68%确保线圈在热态下不出现抖动吸合。4.4.2释放电压：在本设计中要求释放电压精选较低值，接近标准值(大于0.1Us)，这样，可获得较好的释放特性(一放到底)。释放电压的设计,主要根据自控开关的开距以及降压电容器的容量大小来确定，自控开关开距大，降压电容器的容量小，可获得较高的释放电压，自控开关开距小，降压电容器的容量大，可获得较低的释放电压值。4.4.3自控开关的分断时机：自控开关的分断应设计在主触头接通的前后，对于主触头开距大，动触头支持件及衔铁运动系统的惯量大时，应设计在主触头接通前分断，对于运动惯量小的系统，只能设计在主触头接通后断开或同时完成。在同一系统中自控开关在主触头接通前分断，比选择在主触头接通后分断好，磁铁系统的剩余冲击能量要小些，对于触头产生振动小，有益于产品提高机械寿命和电