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大連機(jī)車車輛有限公司 欒旭升
摘要：霍爾電流、電壓傳感器是當(dāng)今電子測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用最多的傳感器件之一，可廣泛用于電力、電子、交流變頻調(diào)速、逆變裝置、電子測(cè)量和開(kāi)關(guān)電源等諸多領(lǐng)域，可完全替代傳統(tǒng)的互感器和分流器，并具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失測(cè)量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。
1 引言
近年來(lái)，新一代功率半導(dǎo)體器件大量進(jìn)入電力電子、交流變頻調(diào)速、逆變裝置及開(kāi)關(guān)電源等領(lǐng)域。原有的電流、電壓檢測(cè)元件已不適應(yīng)中高頻、高di/dt電流波形的傳遞和檢測(cè)。霍爾電流、電壓傳感器是近十幾年發(fā)展起來(lái)的測(cè)量控制電流、電壓的新一代工業(yè)用電量傳感器，是一種新型的高性能電氣檢測(cè)元件。
霍爾電流、電壓傳感器由于具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失被測(cè)電路能量等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS電源、逆變焊機(jī)、變電站、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測(cè)大電流、電壓的各個(gè)領(lǐng)域中。在電力電子產(chǎn)品中，對(duì)大電流、電壓進(jìn)行精確的檢測(cè)和控制也是產(chǎn)品安全可靠運(yùn)行的根本保證。
2 霍爾傳感器的性能特點(diǎn)
霍爾電流、電壓傳感器具有優(yōu)越的電性能，是一種先進(jìn)的、能隔離主電路回路和電子控制電路的電檢測(cè)元件。它綜合了互感器和分流器的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了互感器和分流器的不足（互感器只適用于50Hz工頻測(cè)量；分流器無(wú)法進(jìn)行隔離測(cè)量）。利用同一只霍爾電流電壓傳感器檢測(cè)元件既可以檢測(cè)交流也可以檢測(cè)直流，甚至可以檢測(cè)瞬態(tài)峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代產(chǎn)品�；魻栯娏�、電壓傳感器具有如下特點(diǎn)：
●可測(cè)量任意波形的電壓和電流�；魻栯妷骸㈦娏鱾鞲衅骺梢詼y(cè)量任意波形的電流和電壓參量，如直流、交流和脈沖波形等。也可以對(duì)瞬態(tài)峰值參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其副邊電路可以忠實(shí)地反映原邊電流的波形。這一點(diǎn)普通互感器無(wú)法與其相比，因?yàn)槠胀ǖ幕ジ衅饕话阒贿m用于50Hz的正弦波；
●精度高。一般的霍爾電流電壓傳感器在工作區(qū)域內(nèi)的精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測(cè)量，而普通互感器精度一般為3%～5%，且只適合于50Hz的正弦波形；
●線性度優(yōu)于0.5%；
●動(dòng)態(tài)性能好。一般霍爾傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于7μs，跟蹤速度di/dt高于50A/μs；
霍爾電流電壓傳感器以其優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)（無(wú)感元件）。一般普通互感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為10～20μs，這顯然已不適應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的需要（感性元件）；
●工作頻帶寬�？稍�0～20kHz頻率范圍內(nèi)很好地工作；
●過(guò)載能力強(qiáng)，測(cè)量范圍大（0～±10000A）
●可靠性高，平均無(wú)故障工作大于5×10000小時(shí)；
●尺寸小，重量輕，易于安裝且不會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)任何損失。
3 霍爾傳感器的工作原理
霍爾電流、電壓傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的。它有兩種工作方式，即磁平衡式和直放式�；魻栯娏�、電壓傳感器一般由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、（次級(jí)線圈）和放大電路等組成。
3.1 直放式電流傳感器（開(kāi)環(huán)式HDC系列）
眾所周知，當(dāng)電流通過(guò)一根長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流成正比，它可以通過(guò)磁芯聚集感應(yīng)到霍爾器件上并使其有一信號(hào)輸出。這一信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大后直接輸出，一般的額定輸出標(biāo)定為4V。
3.2 磁平衡式電流傳感器（閉環(huán)式HNC系列）
磁平衡式電流傳感器也稱補(bǔ)償式傳感器，即主回路被測(cè)電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)次級(jí)線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。
磁平衡式電流傳感器的具體工作過(guò)程為：當(dāng)主回路有一電流通過(guò)時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。這一電流再通過(guò)多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用，此時(shí)可以通過(guò)Is來(lái)跟蹤Ip。當(dāng)Ip變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件有信號(hào)輸出，即重復(fù)上述過(guò)程，最后重新達(dá)到平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過(guò)次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1μs，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。
3.3 霍爾電壓傳感器（閉環(huán)式HNV系列）
霍爾電壓傳感器的工作原理與閉環(huán)式電流傳感器相似，也是以磁平衡方式工作的。
4 霍爾傳感器的連接方式
電流、電壓傳感器只需外接正負(fù)直流電源，被測(cè)電流母線一般從傳感器中穿過(guò)或接于原邊端子，然后在副邊端再作一些簡(jiǎn)單的連接即可完成主控制電路的隔離檢測(cè)，電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單。
若與變送器配合使用，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，可方便地與計(jì)算機(jī)或各種儀表接口，并可以進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。
4.1 磁平衡（補(bǔ)償）式接線法
磁平衡（補(bǔ)償）式電流、電壓傳感器/變換器有HNC、HNV兩系列：其輸出信號(hào)多為電流。（若需要電壓輸出方式，可在M端與電流地之間根據(jù)所需電壓大小外接取樣電阻或?qū)⑷与妷哼M(jìn)行必要的信號(hào)放大。）
該類常規(guī)傳感器的3個(gè)接線端子分別為：正電源輸入接“+”端，負(fù)電源輸入接“-”端，“M”端為信號(hào)輸出端。
4.2 直放式接線法
直放式電流傳感器有HDC系列。它的輸出信號(hào)為電壓方式，在額定工作條件下，其標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)為±4V，用戶可根據(jù)需要選取。傳感器上有零點(diǎn)和增益電位器，用戶一般不需再作調(diào)整。若用戶有特殊要求，可向廠方訂做。直放式電流傳感器的接線方法會(huì)因具體產(chǎn)品的不同而有所不同，但多為4個(gè)接線端子分別為：正電源輸入接“+”端，負(fù)電源輸入接“-”端，“M”端為信號(hào)輸出端，“0”端為電源地 。
4.3 電壓傳感器的接線法
電壓傳感器一般有5個(gè)接線端子，其中“V +”、“V-”為原邊端子，分別接被測(cè)電壓輸入端的正極和負(fù)極。另外3個(gè)端子為副邊端子，“+”端接+15V電源，“-”端接-15V電源，“M”端為信號(hào)輸出端。
根據(jù)所測(cè)電壓大小的不同，用戶可根據(jù)需要在被測(cè)電壓一端串接一個(gè)限流電阻R后再接到傳感器的原邊，串接電阻R的大小由下式?jīng)Q定：
R=Vp/Iin-Rin
式中R為串聯(lián)電阻，Vp為被測(cè)電壓，Iin為額定輸入電流，Rin為傳感器的原邊內(nèi)阻。
串接電阻功率大小由W=Vp·Iin確定。
5 霍爾電流電壓傳感器的應(yīng)用
5.1 電壓型逆奕器保護(hù)電路
在電壓型逆變器中，如果換相換敗，則很容易使一相中上下兩個(gè)橋臂中的半導(dǎo)體器件因過(guò)電流而損壞，如上下橋臂采用功率模塊時(shí)，要求短路電流保護(hù)電路能在短路檢出后10μs內(nèi)切斷門驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)還需考慮電路的傳輸時(shí)間。所以，這種逆變器必須有快速過(guò)電流保護(hù)裝置，可以用霍爾電流傳感器檢測(cè)每個(gè)橋臂中的電流。若因換相失敗造成了上下橋臂同時(shí)導(dǎo)電，則相應(yīng)的兩處傳感器可以同時(shí)檢出電流信號(hào)，該信號(hào)與基準(zhǔn)電壓比較后轉(zhuǎn)換成方波。這樣，可通過(guò)門電路控制封鎖所有的逆變觸發(fā)脈沖，從而達(dá)到切斷門驅(qū)動(dòng)電路的目的。電壓型逆變器保護(hù)電路優(yōu)點(diǎn)是，只要上下橋臂同時(shí)存在的電流超過(guò)基準(zhǔn)，保護(hù)電路立即動(dòng)作。因?yàn)楸Ｗo(hù)早，功率模塊不會(huì)經(jīng)受過(guò)大電流的沖擊。其次，保護(hù)動(dòng)作速度快。因?yàn)榛魻栯娏鱾鞲衅魇菬o(wú)感元件，在功率模塊判斷時(shí)，它不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。因此，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，提高效率。
5.2 用于變頻調(diào)速裝置
利用霍爾電流傳感器還可以檢測(cè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的主回路信號(hào)。使用時(shí)，第一個(gè)電流傳感器模塊接入整流濾波后的直流回路。當(dāng)檢測(cè)到主回路中出現(xiàn)異常尖峰或者有效值超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，電路將迅速切斷逆變觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖，以保護(hù)逆變和整流模塊。另外3個(gè)傳感器接入逆變器的輸出回路，用來(lái)檢測(cè)隨頻率變化的交流電流。這樣可以更好地控制轉(zhuǎn)矩，也可提供防止電機(jī)過(guò)載所需的信號(hào)。
5.3 電流傳感器在逆變焊機(jī)中的應(yīng)用
霍爾電流傳感器在直流檢測(cè)中同樣具有電隔離作用，在直流輸出的電力電子設(shè)備中，可以利用霍爾電流傳感器測(cè)得與主電路隔的直流測(cè)量信號(hào)，也可以通過(guò)電子控制電路對(duì)直流測(cè)過(guò)流、短路保護(hù)和顯示控制，還可用于電流反饋和穩(wěn)流調(diào)節(jié)。
６ 使用注意事項(xiàng)
使用霍爾傳感器時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
�。�1）使用傳感器時(shí)，應(yīng)先接通副邊電源，再接通原邊電流或電壓。
（2）測(cè)量電流時(shí)，最好用單根導(dǎo)線充滿模塊孔徑，以獲得最佳動(dòng)態(tài)特性和靈敏度。
�。�3）測(cè)量電壓時(shí)，被測(cè)電壓應(yīng)先串接限流電阻，在得到傳感器所規(guī)定的原邊電流后，再接入電壓傳感器原邊端子。
�。�4）模塊的最佳精度是在額定值下測(cè)得的。當(dāng)被測(cè)電流低于額定值時(shí)，為了獲得較好的精度，原邊可以使用多匝，即：Ip*Np=額定安匝數(shù).
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