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1、霍尔电流电压传感器/变送器模块的性能及应用摘要：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,并具有精度高、线性好、频带宽、响应快、 过载水平强和不损失测量电路能量等优点.1引言近年来,新一代功率半导体器件大量进入电力电子、交流变 频调速、逆变装置及开关电源等领域.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开展起来的测量限制电流、电压 的新一代工业用电量传感器,是一种新型的高
2、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、过载水平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限制也是产品平安可靠运行的根本保 证.2霍尔传感器/变送器的性能特点霍尔电流、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限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 缺乏互感器只适用于
3、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、电流传感器度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,由于普 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
4、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0.5%; 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7g 跟踪速度di/dt高于50A/ s s;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升 现代限制系统的性能提供了关键的根底无感元件.一般普通互 感器的动态响应时间为1020区s,这显然已不适应工业限制系统开展的需要感性元件； 工作频带宽.可在020kHz频率范围内很好地工作； 过载水平强,测量范围大0 10000A 可靠性高,平均无故障工作大于 5X 10000小时； 尺寸小,重量轻,易于安装且不会给系统带来任何损失. 霍尔传感器/
5、变送器的工作原理霍尔电流、电压传感器是根据霍尔原理制成的.它有两种工作方式,即磁平衡式和直放式.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.3.1 直放式电流传感器开环式 HDC系列众所周知,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.这一信号经信号放大器放大后直接输出,一般的额定输出标定为 4V.3.2 磁平衡式电流传感器闭环式 HNC系列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
6、,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.当与Ip与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来跟踪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,最后重新到达平衡.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
7、尔器件就有信号输出.经功率放大后,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,所需的时间理论上不到1ws,这是一个动态平衡的过程.3.3 霍尔电压传感器闭环式 HNV系列霍尔电压传感器的工作原理与闭环式电流传感器相似,也是以磁平衡方式工作的.3.4 交流/直流变换器HY系列交流/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01V的交、直流信号转换为 420mA 或020mA、05V的标准直流信号可分隔离和非隔离两种.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霍尔传感器/变送
8、器的连接方式电流、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限制电路的隔离检测,电路设计非常简单.假设与变送器配合使用,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4.1 磁平衡补偿式接线法磁平衡补偿式电流、电压传感器 废换器有HNC、HNV两系列：其输出信号多为电流.假设需要电压输出方式,可在 M端与电流地之间根据所需电压大小外接取样电阻或将取样电压进行必要的信号放大.该类常规彳t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 直放式接线法直放
9、式电流传感器有HDC系列.它的输出信号为电压方式,在额定工作条件下,其标准输出信号为士 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.假设用户有特殊要求,可向厂方订做.直放式电流传感器的接线方法会因具体产品的不同而有所不同,但多为 4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,“0端为电源地.4.3 电压传感器的接线法电压传感器一般有5个接线端子,其中“ V +、“V-为原边端子,分别接被测电压输入端的正极和负极.另外3个端子为副边端子,“ + 端接+15V电源,“-端接-15V电源,“M端为信号输出端.根据所测电压大小的不同
10、,用户可根据需要在被测电压一端串接一个限流电阻R后再接到传感器的原边,串接电阻 R的大小由下式决定：R=Vp/Iin-Rin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.4.4 变换器变送器接线法变换器有HY1HY6等六个系列,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,那么可将普通的传感器输出信号变换放大或变换成 020mA或420mA的标准信号,以便于长距离
11、传输或与计算机接口.根据用户需要可分隔离和非隔离两种5霍尔电流电压传感器/变送器的应用5.1 电压型逆奕器保护电路在电压型逆变器中,如果换相换败,那么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10区s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.假设因换相失败造成了上下桥臂同时导电,那么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拟后转换成方波.这样,可通过门电路限制封锁所有的逆变触发脉冲,从而到达切断门驱 动电路的目的.电压
12、型逆变器保护电路优点是,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.由于保护早,功率模块 不会经受过大电流的冲击.其次,保护动作速度快.由于霍尔电流 传感器是无感元件,在功率模块判断时,它不会产生过电压.因此 ,可简化设计过程,提升效率.5.2 用于变频调速装置利用霍尔电流传感器还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者有效值超出标准时,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.这样可以更好地限制转矩,也可提供预
13、防电机过载所需的信号.5.3 电流传感器在逆变焊机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,也可以通过电子限制电路对直流测过流、短路 保护和显示限制,还可用于电流反应和稳流调节.6霍尔传感器/变送器的命名方法霍尔电流、电压传感器/变送器模块的命名一般由3局部组成,下面以南京中旭的产品为例说明其命名方法,具体说明如下：如：HDC50LB 主称+原理+类别+电流+结构(1)主称：H表木模块为霍尔效应(2)原理：用字母表示D-直放开环原理N-零磁通闭环原理(3)类别C-电流传感器系列V-电压传感器系列Y-变换器系列(4)额定电流：用数字表示50-额定电流为50A(5)结构形式：用字母表示LB-外壳是LB型外壳7使用考前须知使用霍尔传感器/变送器模块时,应注意以下几点：(1)使用传感器时,应先接通副边电源,再接通原边电流或电压.(2)测量电流时,最好用单根导线充满模块孔径,以获得最佳动态特性和灵敏度.(3)测量电压时,被测电压应先串接限流电阻,在得到传感器所规定的原边电流后,再接入电压传感器原边端子.(4)模块的最正确精度是在额定值下测得的.当被测电流低于额定值时,为了获得较好的精度,原边可以使用多匝,即： Ip*Np=额定安匝数