电流电压传感器课件

1、第十一章 电流电压传感器第一节 电流电压传感器的用途和特点第二节 电流电压传感器的工作原理与工作模式第三节 电流电压传感器模块及性能指标第四节 电流电压传感器的应用第一节 电流电压传感器的用途和特点在科学实验和工业应用的很多场合，需要对电流和电压进行测量和控制，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，需要使用安全、方便可靠精确度较高的电流电压传感器。早期，人们采用分流器和分压器的方法来实现对电流和电压的检测，但这种方法无法对主回路进行隔离测量，这种方法使用不安全、精确度低。后来人们又发明了互感器，它与直接分流、分压的方法相比，实现了主回路进行隔离检

2、测，无疑是一大进步，但它的应用范围比较窄，只适用于50Hz正弦波的工频检测，对于其他波形电流、电压的测量它就无能为力了。下一页返回第一节 电流电压传感器的用途和特点随着电力电子技术的发展，原有的电流检测元件（如分流器、互感器）已不能满足中、高频，高di/dt，宽频谱电流波形的传递，霍尔电流电压传感器是弥补这一空缺的、有着广泛应用范围和前景的主要检测元件。霍尔电流电压传感器与普通互感器相比有着下面的特点：(1)测量范围广：它可以测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲、三角波形等，甚至对瞬态峰值电流、电压信号也能忠实地进行反映；(2)响应速度快：最快者响应时间只为1us；(3)测量精度高：其

3、测量精度优于1%，该精度适合于对任何波形的测量；普通互感器是感性元件，接入后影响被测信号波形，其一般精度为3%5%，且只适合于50Hz正弦波形；上一页下一页返回第一节 电流电压传感器的用途和特点(4)线性度好：优于0.2%；(5)动态性能好：响应时间快，可小于1s；普通互感器的响应时间为1020ms；(6)工作频带宽：在0100KHz频率范围内的信号均可以测量；(7)可靠性高，平均无故障工作时间长：平均无故障时间5104小时；(8)过载能力强、测量范围大：0几十安培上万安培；(9)体积小、重量轻、易于安装。由于霍尔电流电压传感器以上的优点，故而可广泛应用与变频调速装置、逆变装置、UPS电源、逆

4、变焊机、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电流电压的各个领域中。上一页返回第二节 电流电压传感器的工作原理与工作模式一 工作原理霍尔电流电压传感器是一种新型的电检测元件，它是根据霍尔原理制成的。它的基本工作原理如图11-1所示。当被测的电流通过一根导线时，在该导线周围产生磁场B，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比。将霍尔器件接成如图11-1所示的电路并放置在磁场B之中，当电路中所产生的电流I通过1、3端提供给霍尔器件时，则霍尔器件的2、4端将输出一个霍尔电压Vk。输出电压Vk与输入电流I将满足以下的表达式： (11-1)式中：Kh霍尔系数； 电流与磁场的夹角。下一页

5、返回第二节 电流电压传感器的工作原理与工作模式二 两种工作模式霍尔传感器有两种工作方式，即直检式(开环)和磁平衡式（闭环）两种工作方式，现分别予以介绍。1、直检式(开环)它是一种开环式霍尔电流传感器。其通电导线周围所产生的磁场与流过导线的电流成正比，该磁场通过聚磁环聚集感应到霍尔器件上，使之有一信号输出。因为霍尔器件有良好的线性，可用标定后的霍尔输出测出电流的大小。这种模式称为直接检测式，如图11-2所示。其检测电流数学表达式如式11-2所示。式中、S 都为常数。不带放大器的输出只有几十毫伏，经过线性放大获得几伏的输出，其工作原理图如图11-3所示。上一页下一页返回第二节 电流电压传感器的工作

6、原理与工作模式2 磁补偿式（闭环）又称磁平衡式，它是一种闭环式霍尔电流传感器。它是利用磁平衡的工作原理，即主回路电流Ip在聚集磁环产生磁场，该磁场又被通过次级线圈的电流所产生的反向磁场所补偿，使霍尔器件处于检测零磁场的工作状态。其工作原理图如图11-4所示。其具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，由导线所产生的磁场被聚磁环所聚集，感应霍尔器件使之有一信号输出，这一信号驱动相应的功率管导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流通过多匝绕组产生的磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。 上一页下一页返回第二节 电流电压传感器的工作原理与工作模式当Ip与匝数

7、相乘所产生的磁场与Is与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，霍尔器件起到零磁通的作用。此时可以通过Is来测试Ip ，当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件就有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡，霍尔器件就有信号输出，经放大后，立即有响应的电流流过次级绕组，对失衡的磁场进行补偿。从磁场的失衡到再次平衡所需要的时间不到1us，这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级补偿电流的安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等，即： (11-3)式中：Np原边匝数； Ip原边电流； Ns次边匝数； Is次级补偿电流。上一页下一页返回第二节 电流电压传感器的工作原理与工作模式3两种工作模式的比较

8、两种模式传感器在性能上有不少异同之处，现将它们异同之处作一比较：（1）磁平衡式建立时间为1us，它与瑞士LEM公司的产品相当，用作达林顿、MOS功率管，IGBT的较大电流的检测和保护。直接检测式建立时间典型值为15us；（2） 两种方式的传感器检测的电流的范围均可达几百安培、几千安培、几万安培；可满足大电流工业环境测量控制的要求；（3） 两种模式传感器均可测任何波形的电流；（4）测量精度高，一般精度优于1%，在窄温区使用时可达到0.5%或更高；（5） 线性度好，直接检测式优于1%，磁平衡式优于0.1%；频带宽，磁平衡式可达到0100kHz的频率响应，直检型可达到020kHz；（6）测量区间宽，

9、过载能力强。上一页返回第三节 电流电压传感器模块及性能指标霍尔电流电压传感器模块在我国已有几家企业进行生产，其产品和型号的命名各异。我们在这里介绍电流电压传感器，就要选择有代表性的产品，进行比较细致的对比和分析，才能对其进行深入了解和认识。北京七零一厂森社科技公司是我国最早研制电检测元件的厂家之一，具有较强的科研和生产能力，现已形成较大的生产规模，具备四个系列（CHB、CHF、CHV、CHY）、上百种规格产品的生产能力。其中CHB系列是磁平衡式电流传感器，CHF系列是直测型输出零点可调电流传感器， CHV系列是电压传感器，CHY系列是交流直流变送器。这些产品统称为宇波模块，该系列产品性能稳定可

10、靠，价格适中，市场占有率较高，现对它们的性能指标分类列表（表11-1表11-4）介绍如下,以便用户根据自己的需要进行选择。下一页返回第三节 电流电压传感器模块及性能指标CHY系列产品是专门为测量工频与中频电流电压设计的变送器，它实际上是将传感器与变换器集成在一起的模块，它可以把频率在50Hz400Hz之间01V的交流信号转变为420mA、020mA、15V、05V的标准直流信号。由于电流电压变送器输出是标准直流信号，而当用户需要其输出信号与仪表、A/D变换器、计算机配合使用，需要标准直流信号时，就需要该系列的交流直流变送器，以得到所需要的标准直流信号。另外该系列的变送器也可以与压力、温度、流量

11、等传感器配合使用，将它们的输出转换为所需的标准直流信号，形成不同的变送模式。上一页返回第四节 电流电压传感器的应用一、使用方法电流电压传感器的使用连接比较简单，它们首先需要外接正负直流电源，对电流传感器而言被测电流的导线从其中穿过，对电压传感器而言被测电压通过一个串接电阻接于原边端子上，副边端子再作简单连接，即可完成主回路与检测回路的隔离检测。若与变送器配合使用，经A/D 变换，可方便地与计算机和各种仪表接口连接，并可以长线传输。下面分类介绍其使用方法。1.磁平衡式电流传感器（CHB）的使用该系列传感器的外形封装结构上和连线如图11-5所示。下一页返回第四节 电流电压传感器的应用它有三个接线端

12、子： 端：正电源输入端；端：负电源输入端M端：信号输出端。由于该系列传感器输出信号为电流方式，如果要取电压输出方式，用户需在M端与电源地之间根据所取电压大小外接一个取样电阻Rmax。阻值的上限由下式决定： = (11-4)式中：VC电源电压。单位V； Vce晶体管饱和压降，单位V； IS输出电流，单位A； Ri传感器内阻，单位。一般说该电阻的数值在几十至几百欧姆。上一页下一页返回第四节 电流电压传感器的应用2.直测式电流传感器（CHF、CHK系列）的使用该系列电流传感器的输出信号为电压方式，当其测量值达到额定值时其输出电压为4V的信号，其测量电流0额定值与其输出电压04V成对应的线性关系。传感

13、器上有零点和增益调整电位器。该系列产品又分若干个子系列，不同系列的产品在外型结构和安装方式不同，接线方式基本相同。如图11-6所示。CHF、CHK子系列为四芯插座（2510KL），有四个接线端子，分别标有1/2/3/4。正电源输入端 负电源输入端 信号输出端 公共地 上一页下一页返回第四节 电流电压传感器的应用3. 电压传感器（CHV系列）的使用该系列传感器外型封装结构和连线如图11-7所示。它有五个接线端子。其中两个为原边端子，即被测电压输入端HT和被测电压输入端-HT；另外三个为副边端子，它们分别为15V电源输入端，-15V电源输入端和信号输出端M。在使用时，根据用户所测电压的大小，需将被

14、测电压串接一只电阻R后在接到传感器原边端子，串接电阻R由式（11-5）决定： (11-5)式中：R串联电阻，单位； VP被测电压，单位V； Iin额定输入电流（一般额定电压下取10mA），单位A； Rin传感器原边内阻，单位。上一页下一页返回第四节 电流电压传感器的应用根据式（11-5）确定了R的阻值之后，还需确定R的额定功率，以使测量工作安全稳定可靠。的额定功率值由下式确定 (11-6)4.交流直流变送器（CHY系列）的应用上一节谈到，该系列产品可将交流信号直接变换为直流标准信号，以形成便于长线输出或与计算机接口的标准直流信号。其接线方法见图11-8,其中图11-8(a)为与被测电压信号的连

15、接，图11-8(b)为与被测电流信号的连接。上一页下一页返回第四节 电流电压传感器的应用二电流电压传感器参数计算举例对于直测式电流传感器而言，其输出为电压信号，一般不需要计算。使用时只需选取相应的额定值与测量电流配合即可。对于磁补偿电流传感器而言，其测量范围取决于电源所能提供的副边补偿电流的能力；对于电压传感器而言，所测电压的大小又与原边端子上所串电阻的大小有关；所以对磁补偿式电流传感器和电压传感器在使用时，根据所测物理量的大小，都有参数计算的问题。1.磁补偿式电流传感器参数的计算磁补偿式电流传感器功率输出级电路如图11-9所示。上一页下一页返回第四节 电流电压传感器的应用它的测量范围与电源电

16、压、内阻压降、输出电压有关。内阻出厂时已固定，对用户来说，只与电源电压和测量电阻（又称取样电阻）Rm有关。测量时如果需要所期望的输出电压值，就要通过计算选取适当的Rm值。电源能提供补偿电流IS的能力为： (11-7)式中：ISmax最大测试补偿电流，单位A； Vmin正负最小电源电压，单位V； Vce晶体管饱和压降，单位V； Ri传感器内阻，单位。上一页下一页返回第四节 电流电压传感器的应用计算举例：以图11-5磁补偿式电流传感器为例，设传感器初次级线图匝数比为NP:NS=1:5000，V=15V（5%），Ri=30, Vce=0.5V当所测电流峰值为1000A时，考虑Rm上能否得到10V的输

17、出电压。解：由题意可得 IS=1000A( )=0.2A Rm= = 50这是理想情况，在实际电路中，可能得到的最大测试补偿电流由式（11-7）所决定，即：上一页下一页返回第四节 电流电压传感器的应用这一最大测试补偿电流所对应的最大峰值电流为： 它不足以测量1000A的峰值电流，Rm必须重新由下式选定： 因此当Rm =39时，测量1000A的峰值电流，在Rm上得到的电压为Vm=0.2A39=7.8V若想在测量1000A时得到10V的输出电压，只有提高供电电压，可将V=18v；V=24v重新计算。上一页下一页返回第四节 电流电压传感器的应用2.电压传感器参数的计算在利用电压传感器测量电压时，首先

18、进行如图11-7的电路连接,也就是在传感器原边串接一只电阻R，以得到原边额定值电流10mA，然后再并接到被测电压。这有三个测量参数需要通过计算确定，即原边串联电阻R，测量电阻Rm和可达到的最大测量电压VPmax。计算举例：用户要求测量特性额定电压VP=1000V有效值，连续工作；最大峰值电压VPmax=2000V；所用传感器其Rin=160，NP:NS=10000:2000,电源电压V=15V（5%），测量电流Iin=10mA,当VPmax=2000V时得到输出电压VS=4V,试通过计算确定测量参数。上一页下一页返回第四节 电流电压传感器的应用解：（1）确定原边串联电阻R 选用时要留一定余量。

19、（2）确定测量电阻Rm上一页下一页返回第四节 电流电压传感器的应用（3）可达到的最大测量电压副边最大补偿为VPmax：副边最大补偿ISmax为：可测量原边电流的最大值IPmax为： 可测量原边电压的最大值UPmax为： 由以上计算可知，基本可以满足用户要求的测量特性。上一页返回图11-1 霍尔器件基本工作原理返回图11-2 直检式示意图返回图11-3 直检式工作原理图返回图11-4 磁补偿式工作原理图返回表11-1直测型输出零点可调电流传感器（CHF系列） 下一页序号型号测量范围额定值输出/V频率范围/kHz线性度孔径/mm绝缘性能/KV1CHF-*PIN150%40201%PCB2.52CH

20、F-*AIN150%40201%10202.53CHF-*ASIN150%40201%162.54CHF-*EIN150%40201%2035CHF-*FIN150%40201%2036CHF-*GIN150%40201%3557CHK-*RIN150%40201%4058CHK-*Y4IN150%40201%1541.559CHK-*Y3IN150%40201%5262510CHK-*Y2IN150%40201%23103.5511CHK-*Y1IN150%40201%501655表11-2 磁平衡式电流传感器（CHB系列） 下一页上一页序号型号测量范围/A额定值输出/mA频率范围/kHz线性度孔径/mm绝缘性能/KV1CHB-5P0101001000.2%1032CHB-10P0202001000.2%1033CHB-50P01005001000.2%1034CHB-100P015010001000.1%1035CHB-100S020010001000.1%1