项目八电流、电压的检测.doc

项目八 电流、电压的检测项目导航在电工学里，电流、电压是最基本的电磁量。测量电流不但本身十分重要，而且其他电磁量和非电量也可以通过变换器转换成电流、电压，然后进行测量。所以电流、电压测量是电磁测量的基础。 现代电气工程应用的很多场合（包括电力系统、电动机、电力电子技术和变频技术等领域），需要对电流和电压进行测量和控制。在电力工业朝着大电网、超高压、大机组、高参数、智能化方向发展的情况下，各种控制系统自动化程度、复杂性以及环境适应性（如高温、户外、地下、高空、电磁干扰、粉尘、潮湿等）要求越来越高，需要获取的信息量越来越多，特别是在一些需要对大电流和高电压测量和控制以及对所测电流和电压要求较高精确度的情况下，更需要使用安全、方便可靠精确度较高的电流、电压传感器。项目目标掌握各种电流、电压检测的原理和方法；掌握电流电压检测在电力系统以及自动控制工程中的应用；掌握运用自动检测实验室仪器对霍尔元件的线性度测量；培养工作细心、精益求精的工作作风；学会资料收集整理和分析的方法，培养学习能力；培养学会团队合理分工方法、团结协作、沟通交流的能力以及奉献团队的精神；知识目标掌握电电流互感器、霍尔电流传感器、磁阻式电流传感器、电阻式电流传感器、光纤电流传感器的结构、特性及测量原理；掌握电压互感器、霍尔电压传感器以及光纤电压传感器的结构、特性及测量原理；掌握霍尔电流传感器的测量原理；了解电流传感器的典型工程应用。技能目标认识电流互感器、霍尔电流传感器、电阻式电流传感器、光纤电流传感器，了解它们的异同与应用；能根据测量的要求和测量的其他条件等选择电路的电流检测方案，最终确定可以使用的电流传感器；掌握运用自动检测实验室仪器对霍尔元件的线性度测量；掌握霍尔电流传感器的安装方法与步骤。任务一 利用电流传感器测量变频器中的电流1.1任务布置一、任务说明变频就是改变供电频率。变频技术的核心是变频器，它通过对供电频率的转换来实现电动机运转速度率的自动调节，把50Hz的固定电网频改为变化的频率。同时，还使电源电压调整到一定适应范围。通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术。变频器是近几年发展起来的一种新型节能产品，对于各种交流电机设备，配备专用的变频器后，可以使原电机的能源利用率大大提高，从而达到节电之目的。在能源日益紧张的今天，变频器作为交流调速的一种主要手段，以其很强的可靠性和抗干扰能力，在工业生产中得到了越来越广泛的应用，具有广阔的市场潜力。下图8-1-1是一个通用变频器的电路方框图，接入电网的DC/AC逆变器是一台将直流信号转换为正弦波的全桥逆变器。流入电网的逆变器输出电流需要由电流传感器实时进行电流测量，目的主要一是防止过电流发生时损坏逆变器IGBT或晶闸管模块；二是为死区补偿；三是电流采样值反馈回至控制器进行脉宽调制（PWM）正弦波控制。图8-1-1 通用变频器的电路方框图二、任务书表8-1-1任务利用电流传感器测量变频器中的电流任务要求1. 各小组接受任务后讨论并制订工作计划； 2. 了解各类电流传感器的结构、特性及测量原理；3. 能根据测量的要求和测量的其他条件等对不同的电流传感器的特性进行研究、分析、比较， 选择电路的电流检测方案，最终确定可以使用的电流传感器；4. 掌握霍尔电流传感器的测量原理，掌握霍尔电流传感器的安装方法与步骤； 5.了解各类电流传感器的应用；6.完成霍尔传感器实验室的线性度测量； 7.小组讨论完成变频器中电流传感器应用的分析。 课时分配自学4课时，课堂2课时任务评价自评:互评:师评:1.2学习资料电流传感器可定义为：以一定的精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。电流传感器按照工作原理可以分为：电流互感器、霍尔电流传感器、磁阻式电流传感器、电阻式电流传感器、光纤电流传感器、电子束式电流传感器、新型电流传感器。本书重点的叙述电流互感器、霍尔电流传感器、电阻式电流传感器、光纤电流传感器。一、电流互感器(Current Transformer，CT)1.认识电流互感器一提到电流传感器，首先就想到了电流互感器，这就是我们在工厂里经常应用的一种传统电流传感器。电力系统一次系统的大电流、大电压不能直接测量，就要用到互感器，使用电流互感器的目的是用小量程电流表测量大电流，电流互感器拾取的较小电流信号，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。 图8-1-2普通电流互感器图片与电气符号2.电磁式电流互感器原理电磁式电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。其工作原理与结构和一般小型变压器基本相同，一次绕组的匝数(N1)较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流()通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流()；二次绕组的匝数(N2)较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷(Z)串联形成闭合回路，电磁式电流互感器结构原理图如图8-1-3所示。 图8-1-3普通电流互感器结构原理图 对于理想的电磁式电流传感器，铁心不消耗有功功率,也无需无功功率励磁，一次侧绕组和二次侧绕组的视在功率相等，变压器也没有损耗，则有 (8-1-1) 3.存在的问题实际上铁心和线圈均有损耗，导致电流互感器存在磁性误差和容性误差。容性误差是指一、二次本身和两者之间存在的容性泄漏电流所造成的测量误差。而磁性误差是由漏磁、励磁电流和气隙磁势造成。电流互感器的误差主要由励磁电流引起，为减小电流传感器误差，最为直接有效的办法就是减小励磁电流，传统的方法多是无源补偿，补偿磁动势和电动势， 常用的补偿方法有匝数补偿、二次负载并联电容补偿、辅助互感器补偿等，这些方法可以在一定程度上补偿了励磁电流造成的误差。由于电流互感器类似于变压器，除去励磁电流外，铁心的磁滞效应、涡流损 耗、磁路饱和、漏磁等都会很大程度上影响测量结果的准确性。同时由于其响应速度较慢，因此只能用作继电保护而不适用与对动态响应和实时性要求较高的检测反馈场合。 4.电流互感器国标(GB1208-87S) 1）准确级：以该准确级在额定电流下所规定的最大允许电流误差百分数标称。2）测量用电流互感器的标准准确级有：0.1、0.2、0.5、1、3、5；特殊要求的电流互感器的准确级有：0.2S和0.5S；保护用电流互感器准确级有：5P和10P两级。4.电流互感器使用注意事项1）极性连接要正确。电流互感器一般按减极性标注，如果极性连接不正确，就会影响计量，甚至在同一线路有多台电流互感器并联时，全造成短路事故。2）二次回路应设保护性接地点，并可靠连接。为防止一、二次绕组之间绝缘击穿后高电压窜入低压侧危及人身和仪表安全，电流互感器二次侧应设保护性接地点，接地点只允许接一个，一般将靠近电流互感器的箱体端子接地。3）运行中二次绕组不允许开路。否则会导致以下严重后果：a. 二次侧出现高电压，危及人身和仪表安全；b. 出现过热，可能烧坏绕组；c. 增大计量误差。4）用于电能计量的电流互感器二次回路，不应再接继电保护装置和自动装置等，以防互相影响。二、电阻式电流传感器1.认识电阻式电流传感器电阻式电流传感器是一种精密电阻器，阻值低，精密度高，一般在阻值精密度在1%以内，更高要求的用途时会采用0.01%精度的电阻。其主要作用是在控制电路中作为采样电阻，在电流环的控制电路中，电流放大器通常选择较大的增益，其好处是可以选择一个较小的电阻来获得足够的检测电压，而检测电阻小损耗也小。2. 电阻式电流传感器原理它工作原理简单，使用方便，其工作原理是将被测电流转化为电压信号，根据欧姆定律 ： (8-1-2)图8-1-4 电阻式电流采样（接地）采样电阻两端电压与流经该电阻的电流值成正比，测量电阻端电压即可得到被测回路电流值。如采样电阻电动势低的一端接地，则另一端电动势直接与电流正比，这样可以方便地将电流信号送至其他电路进行处理，因此采样电阻通常与接地端相连（见图8-1-4）。由于串入被测电流回路的采样电阻在一定程度上增加了电路的阻值，使得总电流有所减小，因此采样电阻值应该尽可能小一些，不至于影响到电流的准确性，通常的采样电阻阻值在10左右或者几十毫欧。另外，为保证电流采样的准确性，对采样电阻的阻值精度要求很髙，一般精度要求在1%以内，更高精度场合要求在0.10.01，并且电阻的温度系数要很低，在各种工作情况下电阻值应基本保持不变。很显然，在大功率、大电流电路中采用电阻检测的方法并不理想，因为检测电阻损耗大，达数瓦，甚至十几瓦；而且很难找到几百毫欧或几十毫欧那么小的电阻。3. 电阻式电流传感器应用电路由上说明可知，采样电阻值通常很小，因此经由采样电阻得到的电流信号通常需要经由放大电路处理后再输出，一般要求该放大电路具有高输人阻抗和低输出阻抗，通常采用电压负反馈放大电路，如图8-1-5所示。R2为采样电阻，根据放大器输入特性，输出电压为： (8-1-3)可以看到输出电压与采样电流呈线性关系，该电路还可以起到放大电流的 作用。由于电压信号从电阻两端引出，输出信号既含有共模信号又含有差模信号，而共模分量通常远远大于差模分量。经过放大电路放大后，差模信号可能被共模信号覆盖，共模信号作为噪声干扰被放大。在一些需要严格控制电流精度的场合，要求放大电路共模抑制比很大，或者放大电路要能够很好地消除共模信号。因此采用改进的差分放大电路代替原来的普通放大电路能够一定程度上抑制共模信号，提高输出电压精度。改进的差分放大电路如图8-1-6所示。图8-1-6 差分电流放大器 图8-1-5 电流放大器将采样电阻两端电动势经过分压后同时送到放大器同向输人端和反向输人端。为使采样准确并且输人阻抗匹配，取R1=R3,R2=R4,R5=R6,R7=R8。该方法去除共模信号比较方便，但是间接地会增大放大器输出信号的等效内阻。由放大器端口特性，可知输出电压表达式为: (8-1-4)在用采样电阻测量电流值时，后续电路通常需要放大电路进行放大和滤波处 理,而采用分立元件和放大器组成的电路在可靠性和动态响应上均存在一定缺陷。将分立元件与放大器集成到一块芯片上，可以有效提高测量精度和可靠性，这样的电流传感器称为集成芯片电流传感器。如美国美信公司生产的电流检测芯片 MAX41735其电路图如图8-1-7所示。RSENSE图8-1-7 MAX41735电流检测电路 测量时只需外加一个供电滤波电容并将采样电阻与对应管脚相连，测量芯片便能开始工作。内部差分放大电路使得同相输入端电阻R1两端电压与RSENSE两端电压相等，即: (8-1-5)电流IR1经过电流镜转换和放大后输出电流IRD，其中: (8-1-6)式中：b为电流镜镜像电流系数。在通过RD将IRD转换为电压VOUT输出， 有： （8-1-7）即： , （8-1-8）实验表明该电流测量芯片动态精度高、响应速度快，可以用与于瞬态电流测量。三、光纤电流传感器(Optical Current Transformer，简称OCT)1、认识光纤电流传感器随着电力工业的迅速发展，电力传输系统容量不断增加，运行电压等级越来越高，不得不面对棘手的强大电流的测量问题。一次仪表和二次仪表之间的电绝缘和信息传递的可靠性要求可能使传统的测量手段无用武之地。而在高电压、大电流和强功率的电力系统中，测量电流的常规技术所采用的以电磁感应原理为基础的电流传感器(简称为CT)，暴露出一系列严重的缺点：由爆炸引起的灾难性事故的潜在危险;大故障电流导致铁芯磁饱和;铁芯共振效应;滞后效应;输出端开路导致高压;体积大、重量大、价格昂贵;精度无法做得很高;易受电磁干扰影响。传统CT已难以满足新一代电力系统在线检测、高精度故障诊断、电力数字网等发展的需要将光纤传感技术引入到电流检测中的光纤电流传感器(简称OCT)成为解决上述难题的最好方法。光纤传感技术已发展了30多年。与普通电磁互感器相比，在高强电流测量应用中光纤电流传感器具有以下优点：光纤电流传感器没有磁饱和现象，也不像通常的电磁互感器的动态工作范围受磁饱和效应的限制;光纤电流传感器抵抗高电磁干扰，对环境的要求低;光纤电流传感器可以在较宽的频带内，产生高线性度响应;光纤电流传感器体积比较小，安装使用比较方便等。总之，光纤电流传感器具有许多优点，尤其是它的绝缘性能好，体积小，成本低，并且频带宽，响应时间短，可同时用于测量直流、交流及脉冲大电流，因此可望成为高压下测量大电流的理想传感器。根据所采用的传感材料的不同,OCT 可分为两类:以光纤为敏感元件的FOCT(全光纤型) 和用光学玻璃作敏感元件的OCT 。2.基于法拉第效应的光学电流传感器1）基于法拉第效应的光学电流传感器结构光纤电流传感器是以法拉第磁光效应为基础、以光纤为介质的新兴电力计量装置,它通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。利用法拉第磁光效应进行电流传感的磁光玻璃型电子式电流互感器，其特点：一次传感器为磁光玻璃，无需电源供电。其示意图如下：图8-1-8 基于法拉第效应的光学电流传感器示意图传感头是光纤电流传感器最为重要和关键的部件。图8-1-9 光纤电流传感器2）法拉第磁光效应图8-1-10 法拉第磁光效应原理示意图如果通过一次导线的电流为i，导线周围所产生的磁场强度为H，当一束线偏阵光通过该磁场时，线偏阵光的偏振角度会发生偏振，其偏振角的计算公式为： （8-1-9）式中：V为磁光玻璃的verdet常数，L为光线在磁光玻璃中的通光路径长度。3）法拉第磁光效应在电子式电流互感器中的应用图8-1-11 无源磁光玻璃型电子式电流互感器在电子式电流互感器中将L设计为环路，由法拉第磁光效应原理，则： （8-1-9）根据安培环路定律，在环路中 （8-1-10）可推出： （8-1-11）根据马吕斯定律，在图中： （8-1-12） （8-1-13）式中：为输入光强 、为经检偏器分出的两条光强 为光路中的光强衰减系数 为起偏器与检偏器夹角（为常数）则：= （8-1-14）则可得出： （8-1-15） 4）基于法拉第效应的光学电流互感器的缺点1 由于目前尚没有高精度侧量偏振面旋转角度的检侧装置，所以通常采用检偏器将线偏振光的偏振面角度变化的信息转化为光强变化的信息，然后通过光电管将光强度信号变成电强度信号，以便于检测和处理；2 要求磁光晶体传感头具有较稳定的作条件，传感头能够在外界应力、温度等条件变化的情况下保持较稳定的verdet常数；3 对系统的电子电路系统的稳定性要求也较高。 3. 基于光纤干涉效应或全光纤效应的全光纤电流互感器（FOCT)全光纤型光电电流互感器的传感头即是光纤本身（而光学晶体型光电电流互感器的传感头一般是磁光晶体，不同于全光纤型的传感头特殊绕制的光纤传感头）。2) 常见全光纤型电流传感器传感头的结构图8-1-12 全光纤型电流传感器传感头的结构3) 全光纤型电流传感器的结构图8-1-13 全光纤型电流传感器直通式结构图8-1-14 全光纤型电流传感器反射式结构 4) 反射式FOCT电流传感器原理处于高压侧的传感光纤为单模光纤，而处于高、低压两侧之间的传光光纤为椭圆心保偏光纤。基本工作原理是：由低压侧光源发出的光束经过光纤起偏器后变为线偏振光，其偏振方向与椭圆心光纤的长、短轴成45角，故在传光光纤中传输的是互为垂直的两束线偏振光。通过高压侧的延迟器后再变为旋转方向相反的圆偏振光，即左旋偏振光和右旋偏振光。它们在传感光纤中继续传输，并在电流产生的磁场作用下，各自旋转了不同角度。两束光在光纤末端被反射镜反射，根据反射定律，它们的旋转方向将发生交换，即左旋偏振光变为右旋偏振光，右旋偏振光变为左旋偏振光。返程的两束光在电流作用下，偏振角再次发生旋转，再经波片后，变为互相垂直的两束线偏振光，但它们原来的偏振方向发生了交换，即前进时在x方向的偏振光，返程时变为y方向的偏振光，反之亦然(所谓的“x方向偏振光、y方向的偏振光”是针对反射镜处而言)。经过电流调制的两束光状态与从起偏器出发时不一样了，它们在起偏器中产生干涉，根据偏振干涉原理，就可以获得被测电流的大小和相位。由此可见，两束光除偏振方向互相交换外，它们都在同一根光纤中传输，周围环境产生的光纤伸缩等效应对互感器的输出几乎没有影响，因此可以从理论上排除外来的干扰。而由电流产生的相移为(磁光效应) （8-1-16）式中，V为传感光纤的费尔德常数；N是环绕载流导体的光纤匝数；I为被测电流；系数4是本方案中有两束偏振光在传感光纤中往返两次传输的结果。干涉仪输出的光强为 （8-1-17）式中，正比于光源的光强。由信号处理电路求出上式的，再由测出高压母线中电流的大小和相位。5) FOCT电流传感器应用电力电缆图8-1-15 光纤电流传感器安装于275KV地下输电线，用于检测输电线的浪涌电流图8-1-16 安装在变压器瓷套基座的FOCT6) FOCT实用化存在的问题1 反射式光纤电流互感器实质上是一种偏振干涉仪，要求光在传播过程中保持特定的偏振态，而非理想的光学器件会造成偏振光之问的串扰，影响测量准确度。2 FOCT的户外部分为全光学器件，光学器件工作在变电站恶劣的环境下，因此FOCT同样存在所有干涉检测型传感器的偏振态变化和相位随机漂移而导致的信号衰落问题。3 虽然和FOCT技术类似的光学陀螺已经有产品面世，但这两种产品相比较，从运行环境、稳定性来看，显然FOCT具有更加严格的要求。4 变电站一次额定电流较小，同时被测电流的变化范围较大，当电流较小时，信噪比较低，对FOCT的信号调制和解调均提出了更高的要求。5 构成FOCT的关键光学器件（如激光器、保偏光纤等），甚至高性能的保偏光纤熔接机，都需要从国外进口，不但价格高，而且受制于人。四、霍尔电流传感器1.认识霍尔电流传感器霍尔电流、电压传感器/变送器模块是当今电子测量领域中应用最多的传感器件之一，可广泛用于电力、电子、交流变频调速、逆变装置、电子测量和开关电源等诸多领域，可完全替代传统的互感器和分流器。霍尔电流传感器的特点是可以实现电流的“无电位”检测。即测量电路不必接入被测电路即可实现电流检测，它们靠磁场进行耦合。因此，检测电路的输入、输出电路是完全电隔离的。检测过程中，被测电路的状态不受检测电路的影响，检测电路也不受被检电路的影响。并具有精度高、线性好、频带宽（可以检测从直流到MHz 级的各种波形的电流）、响应快（响应时间可短到1s 以下）、过载能力强和不损失测量电路能量等优点。1）霍尔电流传感器的结构霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次级线圈）和放大电路等组成。霍尔电流传感器的结构如图8-20 所示。用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。图8-1-17（a）所示的传感器用于测量电流强度较小的电流，图8-1-17(b)所示的传感器用于检测较大的电流。（b)（a) 图8-1-17霍尔电流传感器的结构2） 霍尔电流传感器的图片与符号efdcba 图8-1-18霍尔电流传感器图片与符号 2.霍尔器件与霍尔效应霍尔器件是霍尔电流传感器的核心元件，它本身就是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达m级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达55150。 1）霍尔效应 霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。如图8-22所示，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图8-1-19中的VH，这种现象就是霍尔效应，是由德国物理学家爱德文霍尔在1879年发现的。VH称为霍尔电压。图8-1-19霍尔效应这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压VH。VH与磁感应强度B及控制电流IC成正比，经过理论推算有式（8-1-18）关系。VH=RHBIC/d （8-1-18） 式中：B为磁感应强度；IC为控制电流；RH为霍尔系数；d为半导体厚度。设RH/d=K，则式(8-18)可写为:VH=KBIC (8-1-19)可见，霍尔电压与控制电流及磁感应强度的乘积成正比，K称为乘积灵敏度。K值越大，灵敏度就越高；元件厚度越小，输出电压也越大。在式(8-1-19)中，若控制电流Ic=常数，磁感应强度B与被测电流成正比，就可以做成霍尔电流传感器。反之，若固定Ic为常数，B与被测电压成正比，又可制成霍尔电压传感器。由于霍尔电压VH和Ic与B的乘积成正比，因此还可以制成霍尔功率传感器。在片子上作四个电极，其中C1、C2间通以工作电流I，C1、C2称为电流电极，C3、C4间取出霍尔电压VH，C3、C4称为敏感电极。将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件（又称霍尔片）。 图8-1-20 霍尔元件 2）霍尔器件 霍尔器件分为:霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。 a.霍尔元件 霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。 GaAs霍尔元件输出特性见图8-1-21。图8-1-21 GaAs霍尔元件输出特性b. 霍尔线性集成电路 由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器（霍尔线性集成电路）。 它由霍尔元件、运算放大器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，它的功能框图和输出特性示于图8-1-22和图8-1-23。 这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。 图8-1-22 霍尔线性电路的功能框图 图8-1-23霍尔线性电路UGN3501的磁电转换特性曲线3.霍尔电流传感器原理实际的霍尔电流传感器有两种构成形式，一类为开环 ( 或称直测式、直检式 ) 霍尔电流传感器；另一类为闭环(或称零磁通式、磁平衡式 ) 霍尔电流传感器。1）开环 ( 或称直测式、直检式 ) 霍尔电流传感器原理如图827所示。当原边导线被测电流流过磁芯时，原边被测电流IP会产生磁场，原边磁场集中在磁芯气隙周围，内置在开口磁芯磁隙中的霍尔器件由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔器件输出的电压讯号U0可以间接反映出被测电流IP的大小，即产生和原边磁场成正比的、大小仅为几毫伏的感应电压。被测电流IP在铁心中产生感应磁场，其磁感应强度B的表达式为：B=KIP (8-1-20) 式中：K为比例系数。磁力线垂直穿过霍尔元件，在元件前后两端产生电势差，此为霍尔电压。其表达式为:UH=KHICB (8-1-21)KH称为乘积灵敏度；IC为霍尔元件控制电流；UH 为霍尔元件输出电压。由式(8-1-20)和式(8-1-21)可得UH=KHICKIP （8-1-22） 令 C=KHICK则有 U0=CIP （8-1-23）可以看到，在不考虑其他因素，即认为C为常数时，霍尔元件的输出电压UH与被测电流IP成正比，即：UHBIP。如果输人电流为直流量，则输出电压为直流量；输入电流为交流量，则输出电压亦为交流量。图8-1-24 开环霍尔电流传感器原理图在实际应用中，受多种因素影响，如温度、不等电位等，比例系数C不可能是一常数，如果不采取一定的补偿方法，输出电压将会存在一定的误差，在某些高精度应用场合是不允许的，这时就要采用带补偿的闭环(或称零磁通式、磁平衡式 ) 霍尔电流传感器。2）闭环(或称零磁通式、磁平衡式 ) 霍尔电流传感器。图8-1-25 闭环(或称零磁通式、磁平衡式 ) 霍尔电流传感器原理图磁平衡法（又称零磁通法、闭环反馈补偿法）在直测法原理的基础上，又加入了磁平衡原理。即将前述霍尔器件的输出电压进行放大，再经功率放大后，让输出电流通过二次补偿线圈，使补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，从而补偿一次磁场，使霍尔输出逐渐减小，这样，当一、二次磁场相等时，补偿电流不再增大。实际上，这个平衡过程是自动建立的，是一个动态平衡，建立平衡所需的时间极短。平衡时，霍尔器件处于零磁通状态。磁芯中的磁感应强度极低（理想状态应为0，故不会使磁芯饱和，也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗。因此，与直测式霍尔电流传感器相比，磁平衡法做成的霍尔电流传感器磁平衡式），其频带更宽，测试精度更高，响应时间更短，其电路图如图8-28所示。霍尔元件在工作中有下述关系式存在，即：IPN1=ISN2 (8-1-24)式中：N1为一次线圈匝数；N2为二次线圈匝数；IS为副边输出电流，在二次线圈输出回路增加测量电阻RL，则：US=RLIS=RLIPN1/N2 (8-1-25)令A=RLN1/N2 则： US=AIP (8-1-26)可以看到，经过放大处理后输出电压US与被测电流之间成线性关系，实现了电流测量。电流传感器的输出信号是副边电流IS，它与输入信号（原边电流IP）成正比，IS一般很小，只有100400mA。如果输出电流经过测量电阻RM，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的输出电压信号。4.霍尔电流传感器型号、结构和安装方法在此以ABB 公司的传感器产品说明为例，“传感器产品型号”用于标明传感器的型号、额定测量值、标准型或非标准型。ABB 公司的传感器产品很多，每种传感器的外形结构、尺寸大小等都有所不同，下面介绍几种典型的外形结构及安装接线方法。1） MP25P1 电流传感器MP25P1 电流传感器是ABB 公司中一种量程很小的传感器，所能测量的额定电流为5、6、8、12、25A，原边管脚的不同接法可确定额定测量电流为多少，参见图8-1-26。图8-1-26 MP25P1 电流传感器原边接线法图2）ES300C 电流传感器如 MP25P1 一样，一般传感器都有正极（+）、负极（-）、测量端（M）三个管脚，但ES300C 则没有此三个管脚，而是有红、黑、绿三根引线，分别对应于正极、负极及测量端。同时在ES300C 型传感器中有一内孔，测量原边电流时要将导线穿过该内孔。不管是 MP25P1 还是ES300C型等电流传感器，安装时管脚的接线应根据测量情况进行相应连线。a. 在测量交流电时，必须强制使用双极性供电电源。即传感器的正极（+）接供电电源“+VA”端，负极接电源的“-VA”端，这种接法叫双极性供电电源。同时测量端（M）通过电阻接电源“0V”端。b.在测量直流电流时，可使用单极性或单相供电电源，即将正极或负极与“0V”端短接，从而形成只有一个电极相接的情况，其接法共有四种。在传感器产品中，标有“-N”标志的表示该传感器没有电源意外倒置防护措施；标有“-P”标志的则表示该传感器具有防护措施。图8-1-27是无保护二极管时的单极性供电电源安装接线方法，图8-1-28是加有保护措施的传感器的接法。图8-1-27 无保护二极管时的单极性供电电源安装接线图8-1-28 有保护二极管时的单极性供电电源安装接线3)具有屏蔽作用的传感器的连接方法ABB 公司的部分电流传感器具有电磁屏蔽作用，其产品外壳上会多一个“E”标志的端口，其连接方式有两种：将屏蔽端和负极（-VA）或零线（0V）相连，如图8-1-29 所示。图8-1-29 有屏蔽作用的电流传感器供电电源安装接线另外，安装时必须全面考虑产品的用途、型号、量程范围、安装环境等。比如传感器应尽量安装在利于散热的场合；如果环境只适于垂直安装，则必须选择带“V”字标志的传感器（如CS300 BRV）。4）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：a. 原边导线应放置于传感器内孔中心，尽可能不要放偏；b. 原边导线尽可能完全放满传感器内孔，不要留有空隙；c. 需要测量的电流应接近于传感器的标准额定值IPN，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几圈，使之接近额定值。例如当用额定值100A 的传感器去测量10A 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，NP=1；在内孔中绕一圈，NP=2；.；绕九圈，NP=10，则NP10A=100A 与传感器的额定值相等，从而可提高精度）；d. 当欲测量的电流值为IPN=5A 时，在25仍然可以有较高的精度。6.霍尔电流传感器工程应用1）霍尔电流传感器在电动机控制中的应用在现代电气传动中，几乎所有的电动机驱动系统都是转速、电流双闭环调速结构，因此离不开电流采样。电流采样的准确性与快速性直接影响到电流环的响应特性，因此在驱动电路中恰当地选用电流传感器是保证电动机控制精度的关键所在。目前通常用于电气传动的电动机主要有直流电动机、感应电动机、永磁同步电动机、无刷直流电动机、开关磁阻电动机等。三相桥电路是这些电动机中的多数所采用的驱动电路（直流电动机所采用的H桥电路与三相桥类似），因此这里用图8-1-30所示的三相桥电路为例说明电流传感器在电动机驱动中的应用。图8-1-30 三相桥电机驱动电路由电动机驱动器的特点，通常采用霍尔传感器或采样电阻对电动机相电流进行采样，如图6-2 6所示。在伺服系统或其他高精度应用中，一般选择霍尔传感器作为电流传感器，如图6-26中HALLA和HALLB, 直接接在电动机A相、B相与三相桥输出端，霍尔传感器输出电压可以直接送入电流调节器进行计算。通常只需要两个传感器即可，因为对电动机相电流有: （8-1-27）则 （8-1-28）因此另一相电流可以通过其他两相电流之和取反得到。这样可以节约成本，另外这样的采样方法还有一个好处：在实际应用中，受到各种干扰的影响，就算在三相绕组端都加上电流传感器，三相电流之和也不一定为零。而采用这种方法，可以将干扰影响全部转换到C相电流上，这样可以始终保证三相电流完全对称，在一定程度上能够提高控制精度。目前几乎所有的电动机驱动系统中采用的传感器都是霍尔电流传感器。在小功率电动机驱动中，为节约成本，可以采用图8-33中RA和RB作为采样电阻来对电流进行采样。这种采样方法的原理是：在电动机正常工作时，开关管总共有6种工作状态，因此可以将开关状态与流过下桥臂电流之间的关系用表8-1-2进行描述。表8-1-2 开关状态与桥臂电流关系表开关状态电流ABCIAIB1000IDC/2110001010IDC011IDC0001IDC/2IDC/2010IDC/20这样便可以通过开关器件导通关系与采样电阻实测电流值，再结合三相电流之和为零的公式计算出每一相的电流值。之所以将采样电阻放在下桥臂，是因为这样两采样电阻共地，反馈电路易于设计，而如果将采样电阻放在上桥臂，采样电阻低电动势端浮地，输出电压需要进行隔离，增加了电路复杂程度。在很多工业产品应用上，用一个采样电阻来进行相电流的采样，特别是在生成SVPWM中，如图8-1-30中的RLINE，这种采样方法的原理为：无论开关器件导通情况如何，总有一个桥臂中的某一个器件里流过的是母线电压，可能为正，也可能为负，根据开关器件导通关系可以很容易确定电动机三相定子电流与直流母线电流之间的关系，其关系见表8-1-3。表8-1-3 开关状态与母线电流关系表开关状态电流ABCIDC100IA011-IA010IB101-IB001IC110-IC00001110根据以上关系，在每一个开关状态下，只要检测直流母线上的电流，就可以得到电动机的某一相电流。在某一开关状态下当有两个上桥臂的开关管导通时，某一相的电流总是与直流母线电流大小相等、符号相反。如果PWM频率足够大，则电动机的相电流在相邻周期内变化不大，而在一个PWM周期内开关状态由两个开关状态与零开关状态组成，在一个PWM周期内可以得到两相定子电流，另外一相电流可以根据公式(8-1-27)得到。因此，一个采样电阻来检测直流母线电流IDC，也可以得到电动机三相电流。2） 霍尔电流传感器在电网中的应用在电网中，发电、配电以及输电过程都需要在输电线的适当位置安装电流传感器实时监测电流值，以保证电网正常运行。此外，通过检测到的电流值，计算出电网容量，对于科学调度电网电能，实现能源高效利用，有非常重要的意义。另外在现代电力系统中，对电网谐波含量要求十分严格，提高电能质量已成为电力电子技术及电力系统研究领域的一个重大课题。APF(有源功率校正）电路以其优良的谐波抑制能力成为常用的控制谐波电路。在APF电路中，需要对输入输出电流信号进行测量，其精度直接影响到APF的谐波补偿效果。为保证测量精度，通常采用霍尔电流传感器作为电流信号检测设备。APF系统的原理图如图8-1-31所示。图8-1-31中负载为谐波源，主电路采用PWM变流器。该SAPF系统由两部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路，其中指令电流运算电路的核心是检测补偿对象中的谐波电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流指令信号，来产生实际的补偿电流。其基本原理是通过检测补偿对象的电压和电流，并经指令电流运算电路计算出补偿电流的指令信号，再将该信号经补偿电流发生电路放大，并得出补偿电流，然后将补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流相抵消，最终得到期望的电源电流波形。其中，主电流和补偿电流信号都是通过电流传感器得到。图8-1-31 APF系统原理图电网运行过程中，还需要在线监测电容性设备的绝缘介电特性，保证设备安全可靠运行。在监测中，一般要采用环形铁心结构的电流传感器套在设备接地线上，抽取设备绝缘的泄漏电流信号。这种信号抽取方式将测量电路与主电路隔开，其中没有电的直接联系，可使二次测量设备及微型计算机免受主电路中危险过电压造成的破坏。. 3)霍尔电流传感器在电源控制中的应用随着目前用电设备的不断增多，对供电电源的品质要求也在不断提高。高品质的供电电源是保证电动机等用电设备正常有效工作的重要条件。因此，对于如何提高供电品质，保证电源良好输出特性和抗干扰能力，是目前电源领域的一个热门研究方向。在电源系统中，电流信号的反馈是一个非常重要的环节，需要使用电流传感器将电流信号采样后送至控制环节或者保护环节。以小功率单端反激式开关电源为例，说明电流传感器保护中所起的作用。通常开关电源的控制芯片选择高性能电流模式控制器UC3842，其外围电路如图8-1-32所示。图中UC3842管脚3为电流反馈端，流经反激式变压器一次电流经过功率器件V。采样电阻为四个并联电阻R6R9,电流信号转换为电压信号后送与管脚3。该芯片管脚3内部电压最大值被限定在1V。当输出电压过载或者采样电压缺失，异常工作情况出现，此时该管脚上电压超过1V，芯片将停止工作。图8-1-32 UC3842电流检测原理图在一些大功率电源应用中，电源构成复杂，往往直流部分又有交流部分，交流传感器可以采用交流电压互感器，直流传感器可以采用采样电阻。但是电流互感器往往只能工作在工频条件下，而采样电阻又需要经过隔离后输出。随着电力电子技术的发展，这些传统的电流检测器件已经不能很好地满足中高频率、高电流变化率、宽频谱电流波形的测量，因此目前主流都是采用霍尔电流传感器，它能够实现对电源系统输出电流的隔离测量，即传感器输出信号与电源的输出电流实现电气隔离，并且具有测量范围宽、响应速度快、测量精度高、可靠性高等优点，这使得其在UPS电源、逆变焊机、车用电源等系统中被广泛采用。以电焊机中的逆变电源为例，电焊机输出特点为电流大、持续时间短，因此对电焊机输出电流的精确控制直接关系到焊件质量的优劣、使用性能和使用寿命。在焊接过程中，根据不同的工件要求，电焊机工作状况也不一样，这要求电焊机逆变器输出特性必须很好地适应外特性的变化，这就需要通过电压电流反馈来实现。电焊机逆变电路原理图如图8-1-33所示。除此之外，在焊接逆变电源发生过载或者短路时，电流传感器检测到的焊接电流值超过过电流保护电路的电流设定值时，经过电流保护电路中比较器判断，保护信号封锁PWM控制器，使逆变器停止工作，保护系统。通常逆变器的开关频率一般都在20KHZ以上，其中的功率器件开关特性将直接影响到逆变器稳定性。流过其中的电流，不仅含有基波分量，还有开关频率以上的谐波分量，因此采用一般采样电阻不能很好满足要求，而霍尔电流传感器能够很好地满足需求，因此电焊机中所采用的电流传感器一般都是霍尔电流传感器。图8-1-33 电焊机逆变电路原理图另外，在车用电源系统、航空电源系统、船舶电源系统、电动车电源系统中，也会用到电流传感器。总之在现代电源中，都离不开电流传感器的检测保护作用。任务二 利用电压传感器测量变频器电压2.1任务布置一、任务说明见图8-1-1通用变频器的电路方框图，变频器的过电压或欠电压集中表现在直流母线的电压值上。正常情况下，变频器直流电压为三相全波整流后的平均值。若以380V线电压计算，则平均直流电压Ud=1.35U线=513V 。在过电压发生时，直流母线的储能电容将被充电，主电路内的逆变器件、整流器件以及滤波电容等都可能受到损害，当电压上升至约800V左右时，变频器过电压保护功能动作;另外变频器发生欠压时(350V左右)也不能正常工作。对变频器而言，有一个正常的工作电压范围，当电压超过或低于这个范围时均可能损坏变频器，因此，必须在线检测母线电压。二、任务书参见表8-2-1任务利用电压传感器测量变频器电电压任务要求5. 各小组接受任务后讨论并制订工作计划； 6. 了解各类电压传感器的结构、特性及测量原理；7. 能根据测量的要求和测量的其他条件等对不同的电压传感器的特性进行研究、分析、比较， 选择电路的电压检测方案，最终确定可以使用的电压传感器；8. 掌握霍尔电压传感器的测量原理，掌握霍尔电压传感器的安装方法与步骤； 5.了解各类电压传感器的应用；6.小组讨论完成变频器中电压传感器应用的分析。 课时分配自学4课时，课堂2课时任务评价自评:互评:师评:2.2学习资料电压测量是电子、电气测量中一个十分重要的内容，电气系统的许多工作特性，如增益、衰减、调幅度、灵敏度、频率特性等都是电压的派生量；而电子、电气系统中的各种控制信号、反馈信号、保护信号往往也直接表现为电压量的形式。因此，电压测量是许多参量测量的基础。电压传感器是能感受被测电压并转换成可用输出信号的测量装置。利用电压传感器对电压进行测量，一般要求所采集到的电压信号与被测电压量在幅值上成比例，两者的相角完全相同或相差极小。此外，对于电压传感器还有以下的基本要求。1. 电压传感器接人被测电路应基本上不影响被测电压的幅值和波形。2. 电压传感器所得电压波形应与被测电压波形相同，分压比应与被测电压频率和幅值无关。3. 电压分压比与大气条件（气压、气温、湿度）无关或基本无关。4. 电压传感器所消耗的电能应该不大。在一定的冷却条件下，分压器所耗散的电