霍尔电流、电压传感器变送器模块在电子测量中的应用

霍尔电流、电压传感器变送器模块在电子测量中的应用

1电流、电压传感器/变送器模块近年来，新一代多功能半导器件已进入能源电子、通信频率谱、逆变器和开关源领域。原有的电流、电压检测元件已不适应中高频、高di/dt电流波形的传递和检测。霍尔电流、电压传感器/变送器模块是近十几年发展起来的测量控制电流、电压的新一代工业用电量传感器,是一种新型的高性能电气检测元件。霍尔电流、电压传感器/变送器由于具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点,因而被广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS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、电压的各个领域中。在电力电子产品中,对大电流、电压进行精确的检测和控制也是产品安全可靠运行的根本保证。2基于物及电流和电压传感器/变送器的新型传感检测器霍尔电流、电压传感器/变送器模块具有优越的电性能,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50Hz工频测量;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。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50Hz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50Hz的正弦波形;○线性度优于0.1%;○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1μs,跟踪速度di/dt高于50A/μs;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(无感元件)。一般普通互感器的动态响应时间为10~20μs,这显然已不适应工业控制系统发展的需要(感性元件);○工作频带宽。可在0~100kHz频率范围内很好地工作;○过载能力强,测量范围大(0～±6000A);○可靠性高,平均无故障工作时间大于5×104小时;○尺寸小,重量轻,易于安装且不会给系统带来任何损失。3霍姆电流、电压传感器组成霍尔电流、电压传感器是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式,即磁平衡式和直测式。霍尔电流、电压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。图1所示为霍尔电流、电压传感器/变送器的工作原理。3.1磁场传感众所周知,当电流通过一根长导线时,在导线周围将产生一磁场,这一磁场的大小与流过导线的电流成正比,它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经功率放大器放大后直接输出,一般的额定输出标定为4V。3.2固定时的磁场补偿磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器,即主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿,从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。磁平衡式电流传感器的具体工作过程为:当主回路有一电流通过时,在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上,所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通,从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场,该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。当IP与匝数相乘所产生的磁场与IS和匝数相乘所产生的磁场相等时,IS不再增加,这时的霍尔器件起指示零磁通的作用,此时可以通过IS来测试IP。当IP变化时,平衡受到破坏,霍尔器件有信号输出,即重复上述过程,最后重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡,霍尔器件就有信号输出。经放大后,立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡,所需的时间不到1μs,这是一个动态平衡的过程。3.3霍夫电压传感器chv系列霍尔电压传感器的工作原理与电流传感器相似,也是以磁平衡方式工作的。3.4交、直流信号转换交流/直流变换器与电流或电压传感器相配合使用所组成的模块可以把0~1V的交、直流信号转换为4~20mA(或0~20mA)、0~5V的标准直流信号。该变送器也可以与压力、温度、流量等传感器配合使用,并将它们的输出转换为标准直流信号以形成不同的变送模式供各种系统使用。4主电路与控制电路隔离检测功能的实现电流、电压传感器只需外接正负直流电源,被测电流母线一般从传感器中穿过或接于原边端子,然后在副边端再作一些简单的连接即可完成主电路与控制电路的隔离检测,电路设计非常简单。若与变送器配合使用,经A/D转换后,可方便地与计算机或各种仪表接口,并可以进行长距离传输。4.1a-p电路设计磁平衡(补偿)式电流、电压传感器/变换器有以下3个系列:CHB-×××P、CHB-S和LA-××P,其输出信号均为电流。若需要电压输出方式,可在M端与电源地之间根据所需电压大小外接取样电阻(产品手册中有推荐值,一般为几十到几百欧姆),其典型接线方法如图2所示。传感器的3个接线端子分别为:正电源输入接“+”端,负电源输入接“-”端,“M”端为信号输出端。4.2输出电压式直测式电流传感器有CHFT-×××A、CHFT-×××AS、CHFT-×××AT等3个系列。它们的输出信号为电压方式,在额定工作条件下,其标准输出信号为±4V,用户可根据需要选取。传感器上有零点和增益电位器,用户一般不需再作调整。若用户有特殊要求,可向厂方订做。直测式电流传感器的接线方法因产品系列的不同而有所不同,图3为直测式电流传感器的接线图。4.3v电源接口设备电压传感器(如CHV-25P、CHV-100等)一般有5个接线端子,其中“+HT”、“-HT”为原边端子,分别接被测电压输入端的正极和负极。另外3个端子为负边端子,“+”端接+15V电源,“-”端接-15V电源,“M”端为信号输出端。电压传感器的接线方法如图4所示。根据所测电压大小的不同,用户可根据需要在被测电压一端串接一个电阻R后再接到传感器的原边,串接电阻R的大小由下式决定:式中R为串联电阻,VP为被测电压,IIN为额定输入电流,RIN为传感器的原边内阻。串接电阻功率大小由W=Vp.IIN确定。电压传感器的输出端的应用接线方法与磁平衡式电流传感器相同,可参考图4接线法。4.4各类变送形式变换器有CHZ4-20MA、CHZ0-20MA、CHZO-10V三个系列,它们与传感器配合使用可形成不同的变送形式。电流传感器与变换器相接可组成电流变换器;电压传感器与变换器相接可组成电压变换器。变换器也可以单独使用。如果将其它传感器(如压力、温度等)的输出信号接于变换器,则可将普通的传感器输出信号变换成0~20mA或4~20mA的标准信号以便于长距离传输或与计算机接口其接线方法如图5所示。5霍夫电流压计的应用5.1过电流保护装置在电压型逆变器中,如果换相失败,则很容易使一相中上下两个桥臂中的半导体器件因过电流而损坏,如上下桥臂采用功率模块时,要求短路电流保护电路能在短路检出后10μs内切断门驱动电路,同时还需考虑电路的传输时间。所以,这种逆变器必须有快速过电流保护装置,可以用霍尔电流传感器检测每个桥臂中的电流。若因换相失败造成了上下桥臂同时导电,则相应的两处传感器可以同时检出电流信号,该信号与基准电压比较后转换成方波。这样,可通过门电路控制封锁所有的逆变触发脉冲,从而达到切断门驱动电路的目的。图6为电压型逆变器保护电路,这种电路的优点是,只要上下桥臂同时存在的电流超过基准,保护电路立即动作。因为保护早,功率模块不会经受过大电流的冲击。其次,保护动作速度快。因为霍尔电流传感器是无感元件,在功率模块关断时,它不会产生过电压。因此,可简化设计过程,提高效率。图6中,“(1)”为电压传感器,用于检测母线直流电压;“(2)”为电流传感器,用于检测母线直流电流;“(3)”用来检测输出电流波形;“(4)”用于检测上下两个桥臂中的电流差。5.2流变器出现状及传感器输出回路利用图6所示电路也可以检测变频调速系统的主回路信号。使用时,第一个电流传感器模块接入整流滤波后的直流回路。当检测到主回路中出现异常尖峰或有效值超出标准时,电路将迅速切断逆变触发电路的触发脉冲,以保护逆变和整流模块。另外3个传感器接入逆变器的输出回路,用来检测随频率变化的交流电流。这样可以更好地控制转矩,也可提供防止电机过载所需的信号。5.3在子设备中的应用霍尔电流传感器在直流检测中同样具有电隔离作用,在直流输出的电力电子设备中,可以利用霍尔电流传感器测得与主电路隔离的直流测量信号,也可以通过电子控制电路对直流测过流、短路保护和显示控制,还可用于电流反馈和稳流调节。电流传感器在逆变焊机中的应用电路如图7所示。6chb系列电路设计霍尔电流、电压传感器/变送器模块的命名一般由4部分组成,下面以北京701厂的产品为例说明其命名方法,图8是CHB系列霍尔电流电压传感器/变送器的名称含义示意图,具体说明如下:(1)主称:CH表示模块名称B-闭环电流传感器系列FT-开环电流传感器系列V-电压传感器系列Z-变换器系列(3)额定电流:用数字表示P-印刷板安装S-园形穿孔A-方形穿孔T-带原边电流排7被测电流的测量使用霍尔传感器/变送器模块时,应注意以下几点: