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LEM Sensors Applied in Active Power Filter (APF)
李建林 高志剛
(中國科學院電工研究所)
摘要：本文在闡述傳感器重要作用的基礎(chǔ)上，介紹了LEM公司基于霍爾效應的電流傳感器，并給出了在實際科研工作中在有源電力濾波器(APF)中應用LEM公司LA 58-P電流傳感器的實例，試驗結(jié)果表明，補償后的電網(wǎng)電流正弦度高、基本達到單位功率因數(shù)。LEM公司LA 58-P電流傳感器工作可靠穩(wěn)定，精確度高，是一款值得信賴的電流傳感器。
關(guān)鍵詞：電流傳感器；有源電力濾波器；LEM公司；LA 58-P
中圖分類號： TM930 文獻標識碼：A
一、前言
中華人民共和國國家標準GB7665-1987對傳感器(transducer/sensor)的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定元件轉(zhuǎn)化成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件(sensing element)和轉(zhuǎn)換元件(transduction element)組成。
當前人類社會已經(jīng)跨入信息時代，人類的生產(chǎn)生活和科技活動都離不開測量，測量從本質(zhì)上來說是人類感觀的一種延伸，而傳感器的作用就是測量，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，其水平高低是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標志之一。可以想象，如果沒有傳感器對原始參數(shù)進行準確可靠在線實時的測量，那么無論后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理有多么強大，都是沒有意義的。圖1形象的表明了傳感器技術(shù)無可替代的重要作用。  圖1 傳感器的地位示意圖
在與電氣工程相關(guān)的科研活動中，不可避免的要對電流信號進行測量或感知。LEM公司的電流傳感器可以測量各種類型的電流，其主要工作原理是基于電磁效應－霍爾效應。霍爾效應的原理如圖2所示，當電流I流過金屬或半導體薄片，并在薄片的垂直方向上施加磁感應強度為B的磁場是，在垂直于電流和磁場的方向上(即霍爾輸出端之間)將會產(chǎn)生電動勢UH(稱為霍爾電勢或霍爾電壓)，且有
 (1)
其中,  為霍爾常數(shù)  ； 為待測電流(A)； B為磁感應強度(T)； d為霍爾元件厚度(m)；  稱為霍爾元件的靈敏度  。 由式1可知，霍爾電勢的大小正比于電流I和磁感應強度B，KH是表征在單位磁感應強度和單位電流時輸出霍爾電壓大小的一個重要參數(shù)，一般希望它越大越好�；魻栐撵`敏度與元件材料的性質(zhì)和幾何參數(shù)有關(guān)。由于半導體(尤其是N型半導體)的霍爾常數(shù)要比金屬大得多，所以實際中常采用N型半導體，此外元件厚度d越小，靈敏度也越高[1]。
二、電網(wǎng)問題及有源電力濾波器的提出
高次諧波對電網(wǎng)和用電設(shè)備造成的危害日趨嚴重，世界各國都對諧波問題十分關(guān)心和重視，不少國家己制定了電力系統(tǒng)和用電設(shè)備諧波和波形畸變的國家標準或電力部門的規(guī)定。此外，還有無功功率和負序電流等問題也嚴重危害電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全。無功功率的存在會增加設(shè)備容量，增加設(shè)備及線路損耗，以及引起電網(wǎng)電壓的波動，使一些用電設(shè)備無法正常工作，降低供電質(zhì)量。負序電流會引起旋轉(zhuǎn)電機和變壓器的附加發(fā)熱和振動，危及其安全運行和正常出力，引起以負序分量為起動元件的繼電保護發(fā)生誤動作，增加電網(wǎng)損耗，對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響正常通信質(zhì)量[6]。
不論是諧波、無功還是負序電流，從物理本質(zhì)上看，都可以歸結(jié)為波形的問題。諧波是工頻正弦波畸變，無功是電壓、電流波形相位不同，負序電流是三相電流波形不對稱。正是由于這種物理本質(zhì)的統(tǒng)一性，可以對電力系統(tǒng)中的諧波、無功和負序電流進行綜合補償[7]。
有源電力濾波器（Active Power Filter, APF）是一種用于動態(tài)抑制諧波和補償無功的新型電路電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波和無功分量進行實時的補償 [23]。作為柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）中的元件，APF的研究受到了各國學者的高度重視。APF以其優(yōu)異的運行特性和廣闊的應用前景使世界各國學者的研究興趣方興未艾。在不遠的將來，APF會成為電力系統(tǒng)諧波治理的主流。按APF在系統(tǒng)中的連接方式可將其分為圖2所示的串聯(lián)型、并聯(lián)型、與LC濾波器混合使用型以及串并混合使用型等幾種基本拓撲結(jié)構(gòu)，具體工作原理見文獻 [2][3]。  圖2 APF基本拓撲結(jié)構(gòu)圖 三、APF中LEM公司電流傳感器的應用 APF系統(tǒng)的流程圖如圖3所示，電網(wǎng)在拖動非線性負載后電流中諧波含量會增大，依據(jù)“補償為標準正弦波”的指導思想可以求得需要輸出的補償電流，DSP根據(jù)該參考信號發(fā)出適當?shù)拿}沖驅(qū)動逆變起工作，最終起到補償電網(wǎng)電流的作用。
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