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LEM Sensors Applied in Active Power Filter (APF)
李建林 高志剛
(中國科學(xué)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(yīng)的電流傳感器，并給出了在實(shí)際科研工作中在有源電力濾波器(APF)中應(yīng)用LEM公司LA 58-P電流傳感器的實(shí)例，試驗(yàn)結(jié)果表明，補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流正弦度高、基本達(dá)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(xiàn)標(biāo)識碼：A
一、前言
中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)前人類社會(huì)已經(jīng)跨入信息時(shí)代，人類的生產(chǎn)生活和科技活動(dòng)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(gè)國家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。可以想象，如果沒有傳感器對原始參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠在線實(shí)時(shí)的測量，那么無論后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理有多么強(qiáng)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(dòng)中，不可避免的要對電流信號進(jìn)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(yīng)－霍爾效應(yīng)。霍爾效應(yīng)的原理如圖2所示，當(dāng)電流I流過金屬或半導(dǎo)體薄片，并在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢UH(稱為霍爾電勢或霍爾電壓)，且有
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其中,  為霍爾常數(shù)  ； 為待測電流(A)； B為磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度B，KH是表征在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位電流時(shí)輸出霍爾電壓大小的一個(gè)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(dǎo)體(尤其是N型半導(dǎo)體)的霍爾常數(shù)要比金屬大得多，所以實(shí)際中常采用N型半導(dǎo)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(yán)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(biāo)準(zhǔn)或電力部門的規(guī)定。此外，還有無功功率和負(fù)序電流等問題也嚴(yán)重危害電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全。無功功率的存在會(huì)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(dòng)，使一些用電設(shè)備無法正常工作，降低供電質(zhì)量。負(fù)序電流會(huì)引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器的附加發(fā)熱和振動(dòng)，危及其安全運(yùn)行和正常出力，引起以負(fù)序分量為起動(dòng)元件的繼電保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)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(fù)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(fù)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(fù)序電流進(jìn)行綜合補(bǔ)償[7]。
有源電力濾波器（Active Power Filter, APF）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)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(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)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(xué)者的高度重視。APF以其優(yōu)異的運(yùn)行特性和廣闊的應(yīng)用前景使世界各國學(xué)者的研究興趣方興未艾。在不遠(yuǎn)的將來，APF會(huì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體工作原理見文獻(xiàn) [2][3]。  圖2 APF基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 三、APF中LEM公司電流傳感器的應(yīng)用 APF系統(tǒng)的流程圖如圖3所示，電網(wǎng)在拖動(dòng)非線性負(fù)載后電流中諧波含量會(huì)增大，依據(jù)“補(bǔ)償為標(biāo)準(zhǔn)正弦波”的指導(dǎo)思想可以求得需要輸出的補(bǔ)償電流，DSP根據(jù)該參考信號發(fā)出適當(dāng)?shù)拿}沖驅(qū)動(dòng)逆變起工作，最終起到補(bǔ)償電網(wǎng)電流的作用。
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