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霍尔电压传感器原理详解及特点分析

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  • 发布时间:2013/11/12 11:10:41
  • 作者:AnyWay中国

前言

  霍尔电压传感器相对电磁式电压互感器而言,具有体积小、重量轻、宽频带、交直流两用等优点,在工业测控领域得到了广泛应用。
  随着电力电子技术的高速发展,变频调速技术在电机驱动中应用越来越广,对采用变频调速技术的电机系统进行准确的能效计量检测,既是对变频调速技术节能效果的检测,也是变频调速技术科学、持续发展的基础。而霍尔电压传感器是目前变频器及风力发电机、交流牵引电机、电动汽车电机等变频电机的检试验和能效计量检测的主要测量装置。本文旨在通过对霍尔电压传感器原理剖析,了解霍尔电压传感器的主要特点,并以此指导工程应用。
霍尔电压传感器实物图
图1 霍尔电压传感器实物图

霍尔电压传感器原理

  如图2所示,霍尔电压传感器主要包括初级线圈、磁环、次级线圈、放大电路及与初级线圈串联的限流电阻R。抛开限流电阻R,剩余部分相当于一个闭环霍尔电流传感器。不同之处在于该传感器的初级电流非常小,一般为毫安级。
  直观分析:小信号测量难度大,测量精度低,因此,同样基于霍尔效应的霍尔电压传感器的性能远远低于霍尔电流传感器
霍尔电压传感器原理
图2 霍尔电压传感器原理
  显然,初级线圈的电流越大,电阻R的功率越大。过大的电流会带来如下的弊端:
  ◆传感器消耗较大功率,并对被测回路造成影响;
  ◆电阻发热量大,温度高,温漂对测量精度的影响大;
  ◆为了散发这些热量,必然增大霍尔电压传感器的体积,同时对绝缘不利。
  上述原因决定了实际霍尔电压传感器的输入限流电阻较大,并且,测试电压越高,其阻值越大。

霍尔电压传感器特点

  上节分析了霍尔电压传感器原理,我们知道霍尔电压传感器的输入有一个阻值较大的电阻,且一次绕组的匝数较大。
  客观世界中,不存在理想的电阻元件,因为电阻元件本身具有一定的形状和体积,必然造成其附加的电感和电容,此外,环境的分布电感和分布电容也对电阻元件起到一定的影响。如图3所示,电阻元件可以等效为电阻R与电感L串联后再与电容C并联。
电阻元件等效电路
图3 霍尔电压传感器串联的电阻元件的等效电路
  图3中电阻元件的阻抗为:
霍尔电压传感器输入电阻等效模型公式
  上式中,Re和Xe分别为等效电阻的分量和等效电抗分量。
  由于L、C一般较小,1/LC较大,在ω2<<1/LC时和ω<<1/RC,上式可简化为:
  霍尔电压传感器输入电阻简化数学模型
  一般而言,由于L很小,第一项可忽略。对于第二项,当RC较小时,非常接近R。然而,当R较大时,RC不可忽略。
  当RC相对ω不可忽略时,第二项对霍尔电压传感器的精度和带宽都有较大的影响。
  由此得出第一个结论:采用相同技术时,输入电阻越大,分布参数对霍尔电压传感器的带宽影响越大。
  通过分析霍尔电压传感器原理,我们知道,霍尔电压传感器初级线圈匝数较多。线圈匝数越多,其电感越大。正常情况下,多匝线圈呈现明显的感性,不适宜用于交流电压测试。但是,从霍尔电压传感器原理分析可知,霍尔电压传感器正常工作时,在补偿绕组磁场的作用下,霍尔元件处的磁感应强度为零。假如初级线圈内部及外部处处磁感应强度为零,那么,线圈实际上的等效电感为零。这是霍尔电压传感器适合交流电压测试且一般具备较宽频带的重要原因之一。
  然而,初级线圈和补偿线圈不可能完全重合,初级线圈内部和附近不可能磁场处处为零,存在磁场,就必然对电流的变化起到影响,并对霍尔电压传感器的带宽造成一定的影响。
  为了使霍尔元件具有足够的灵敏度,霍尔电压传感器的初级电流越小,需要的匝数越多。匝数越多,霍尔电压传感器带宽越窄。
  由此得出第二个结论:采用相同技术时,初级绕组匝数越多,对霍尔电压传感器的带宽越大。
  对于霍尔电压传感器而言,考虑到电流通过电阻会发热,一般而言,被测电压越高,限流电阻R越大,RC对霍尔电压传感器的影响也越大。被测电压越高,初级线圈的电流越小,初级线圈的匝数越多。
  这就是为何同一个厂家的霍尔电压传感器,随着测试电压的增高,带宽逐步降低的主要原因。

常用霍尔电压传感器的技术指标

  下表为常用霍尔电压传感器及AnyWay的SP103501C型变频功率传感器的上升时间、精度及带宽指标,由表可知,随着测试电压的升高,霍尔电压传感器的精度降低,且上升时间变大,带宽变窄。
常见霍尔电压传感器常见技术指标
表1 常用霍尔电压传感器主要技术指标
  注:由于目前大多霍尔电压传感器未公布带宽指标,可依据经验公式BW=0.35/tr对带宽进行估算。表中的带宽就是依据此公式计算获取。
  表中所述霍尔电压传感器的精度及带宽随着被测变化趋势与第三节的分析相符。此外,表中所述6400V霍尔电压传感器的带宽仅700Hz,用于交流电量时需要特别注意。
  在变频功率(通常也称宽频功率测量)测量中,目前的多数变频功率分析仪可直接测量1kV以内的电压,霍尔电压传感器主要用于测量1kV以上的交流电压,而1kV以上的霍尔电压传感器的精度较低、带宽较窄,用户在构建1kV以上高电压变频功率测试系统时需特别注意。