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霍尔电流传感器的应用

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  • 发布时间:2016/3/11 17:03:06
  • 作者:ly_yinhe

  近年来,随着交流变频调速、逆变装置、开关电源等技术日渐普及,原有的电流、电压检出元件,已不适应中高频、高di/dt电流波形的传递和检测。霍尔电流传感器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,是弥补这一空缺的高性能电检测元件。

霍尔电流传感器的应用——基本工作原理

 霍尔电流传感器原理示意图

图示:霍尔电流传感器原理示意图

  霍尔电流传感器可以测量各种类型的电流,从直流电到几十千赫兹的交流电,其所依据的工作原理主要是霍尔效应原理。

  如上图——霍尔电流传感器原理示意图中结构的磁路,将载流体周围的磁通集中穿过霍尔元件,同时霍尔元件电流端子通以规定的直流I。则霍尔元件电压端上就会产生霍尔电势,将此电势放大后输入磁芯补偿线圈,当补偿线圈产生的磁通完全补偿被测电流产生的磁通时,补偿线圈的电流按比例反应了被测电流的数值。图中被测电流为I,原边的安匝数为I*1安匝,设补偿线圈为N匝。补偿电流为I0,则在安匝数平衡时

  I*1=I0N

  I0可通过取样电阻R转换成电压输出,则R两端电压U0为

  U0=I0*R=IR/N

  显然U0与被测电流I成正比,只要测得U0即可换算得I,此即霍尔电流传感器的工作原理。

霍尔电流传感器的应用——与其他检测元件比较

  以往检测电流的常用元件有分流器电流互感器

  使用分流器存在的最大问题是输入与输出之间没有电隔离。此外,用分流器检测高频或大电流时,不可避免地带有感性,因此分流器的接入既影响被测电流波形,也不能真实传递非正弦波形。

  电流互感器在规定的工作频率下有较高的精确度,但是它能适应的频率范围很窄,尤其不能传递直流。此外,电流互感器工作时存在激励电流,所以它是电感性元件,存在和分流器相同的缺点。

霍尔电流传感器的应用——霍尔传感器主要技术参数

01霍尔电流传感器的供电电压VA

  传感器供电电压VA是指电流传感器的供电电压,它必须在传感器所规定的范围内。超过此范围,传感器不能正常工作或可靠性降低,另外,传感器的供电电压VA又分为正极供电电压VA+和负极供电电压VA-。要注意单相供电的传感器,其供电电压VAmin是双相供电电压VAmin的2倍,所以其测量范围要供高于双电的传感器。

02测量范围Ipmax

  是指指电流传感器可测量的最大电流值,测量范围一般高于标准额定值IPN。

03标准额定值IPN和额定输出电流ISN

  IPN指电流传感器所能测试的标准额定值,用有效值表示(Arms),IPN的大小与传感器产品的型号有关。ISN指电流传感器额定输出电流,一般为10~400mA,当然根据某些型号具体可能会有所不同。如果输出电流经过测量电阻R,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。

04偏移电流ISO

  偏移电流也叫残余电流或剩余电流,它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的。电流传感器在生产时,在25℃,IP=0时的情况下,偏移电流已调至最小,但传感器在离开生产线时,都会产生一定大小的偏移电流。

05线性度

  线性度决定了传感器输出信号(副边电流I0)与输入信号(原边电流I)在测量范围内成正比的程度。

06温度漂移

  偏移电流ISO是在25℃时计算出来的,当霍尔电极周边环境温度变化时,ISO会产生变化。因此,考虑偏移电流ISO的最大变化是很重要的,其中,IOT是指电流传感器性能表中的温度漂移值。

07过载

  电流传感器的过载能力是指发生电流过载时,在测量范围之外,原边电流仍会增加,而且过载电流的持续时间可能很短,而过载值有可能超过传感器的允许值,过载电流值传感器一般测量不出来,但不会对传感器造成损坏。

08精度

  霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流IPN。在+25℃时,传感器测量精度与原边电流有一定影响,同时评定传感器精度时还必须考虑偏移电流、线性度、温度漂移的影响。

霍尔电流传感器的应用——注意事项

  如常规电流传感器一样,一般霍尔电流传感器都有正极(+)、负极(-)、测量端(M)及地(0)四个管脚,但带线电流传感器则没有此四个管脚,而是有红、黑、黄、绿三根引线,分别对应于正极、负极、测量端及地。同时在大多传感器中有一内孔,测量原边电流时要将导线穿过该内孔。孔径大小与产品型号、测量电流大小有着必然的关系。

  不管是什么型号的电流传感器,安装时管脚的接线应根据说明书所注情况进行相应连线。

  1) 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(单指零磁通式)。

  2) 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。

  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。

  除了安装接线、即时标定校准、注意传感器的工作环境外,还应注意一下事项以保证测试精度:

  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十圈(一般情况,NP=1;在内孔中绕一圈,NP=2;……;绕九圈,NP=10,则NP×10A=100A与传感器的额定值相等,从而可提高精度)。