霍爾電流傳感器的工作原理及應(yīng)用解析

1. 引言

隨著經(jīng)濟(jì)改革的不斷深入，節(jié)能降耗已經(jīng)成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一，而變頻調(diào)速技術(shù)正是順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)自動化發(fā)展的要求，開創(chuàng)了一個全新的智能電機(jī)時代。目前，該技術(shù)在電力、冶金、化工、造紙、食品、紡織等多種行業(yè)的電機(jī)傳動設(shè)備中得到實際應(yīng)用，已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。用變頻器控制電機(jī)實現(xiàn)調(diào)速，可節(jié)省10%以上的電能。

霍爾電流傳感器由于其優(yōu)異的特性，越來越多的變頻器制造商選擇它作為電量監(jiān)控的元器件。

2. 工作原理

霍爾電流傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。它有兩種工作方式，即開環(huán)（直放式）和閉環(huán)（磁平衡式）。直放式霍爾傳感器的優(yōu)點是電路形式簡單，成本相對較低；其缺點是精度、線性度較差，響應(yīng)時間較慢，溫度漂移較大。為了克服它的不足，出現(xiàn)了閉環(huán)（磁平衡式）霍爾電流傳感器。

閉環(huán)式霍爾電流傳感器又稱零磁通式霍爾電流傳感器，如圖1所示，它是由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾元件次級線圈、放大器等組成。當(dāng)原邊電流IP產(chǎn)生的磁通通過高品質(zhì)磁芯集中在磁路中，霍爾元件固定在氣隙中檢測磁通，通過繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補(bǔ)償電流，用于抵消原邊IP產(chǎn)生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零。經(jīng)過特殊電路的處理，傳感器的輸出端能夠輸出精確反映原邊電流的電流變化。

圖1

3. 產(chǎn)品介紹

3.1產(chǎn)品選型

閉環(huán)霍爾電流傳感器具有響應(yīng)時間短、工作頻率高、過載能力強(qiáng)、高隔離度等眾多優(yōu)點。一般情況下，根據(jù)輸入信號、外形、內(nèi)孔尺寸來選擇霍爾電流傳感器。在傳感器行業(yè)內(nèi)，江蘇安科瑞霍爾電流傳感器嚴(yán)格按照J(rèn)B/T 7490-2007《霍爾電流互感器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的各項要求，相對于同行采用插針式接線不同，一律采用綠色可插拔端子，現(xiàn)場接線方便、可靠。常見的品牌產(chǎn)品如表1。

3.2產(chǎn)品外形

型號：AHBC-LTA

3.3技術(shù)指標(biāo)

響應(yīng)時間：≤1us

頻寬：100kHz

失調(diào)電流：0.1mA

工作溫度：-25～70℃

存儲溫度：-40～80℃

輸出負(fù)載：根據(jù)不同輔助電源、輸入信號、輸出信號而定

輸入過載能力：輸入量程最大值2倍可恢復(fù)正常工作

耐壓：3.5kV/50Hz/1min

4. 應(yīng)用

4.1 傳感器應(yīng)用在變頻調(diào)速回路

圖2 變頻調(diào)速回路 Y為霍爾電流傳感器

圖2中①用于檢測母線的直流電流，當(dāng)檢測出主回路中出現(xiàn)異常脈沖，或有效值超出標(biāo)準(zhǔn)時，迅速切斷逆變觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖，保護(hù)逆變和整流模塊；

圖2中②用于檢測兩橋臂的中的電流差，由于換相失敗很容易使一相中上下兩橋臂中的IBGT模塊因過流而損壞，此時要求短路電流保護(hù)在短路檢出后10us內(nèi)切斷門驅(qū)動電路，這種逆變器必須采用快速過電流保護(hù)裝置，可以用霍爾電流傳感器檢測每個橋臂中的電流，若因換相失敗造成上下橋臂同時導(dǎo)電，則相應(yīng)的兩個傳感器同時檢出電流信號，經(jīng)與基準(zhǔn)電壓比較轉(zhuǎn)換成方波后，通過門電路控制封鎖所有的逆變觸發(fā)脈沖，切斷短路途徑，保護(hù)昂貴的IBGT模塊；

圖2中③用于檢測輸出電流的波形，接入逆變器的輸出回路中，用來檢測隨頻率變化的交流電流，可以更好地控制觸發(fā)脈沖，也可以提供用電設(shè)備的過載信號

4.2 使用注意事項

1、為了得到較好的動態(tài)特性和靈敏度，必須注意原邊線圈和副邊線圈的耦合，要耦合得好，最好用單根導(dǎo)線且導(dǎo)線完全填滿霍爾傳感器模塊孔徑；

2、使用中當(dāng)大的直流電流流過傳感器原邊線圈，且次級電路沒有接通電源|穩(wěn)壓器或副邊開路，則其磁路被磁化，而產(chǎn)生剩磁，影響測量精度（故使用時要先接通電源和測量端M），發(fā)生這種情況時，要先進(jìn)行退磁處理。其方法是次邊電路不加電源，而在原邊線圈中通過同樣等級大小的交流電流并逐漸減小其值；

3、在大多數(shù)場合，霍爾傳感器都具有很強(qiáng)的抗外磁場干擾能力，一般在距離模塊5-10cm之間存在一個兩倍于工作電流Ip的電流所產(chǎn)生的磁場干擾是可以忽略的，但當(dāng)有更強(qiáng)的磁場干擾時，要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫鉀Q。通常方法有：

① 調(diào)整模塊方向，使外磁場對模塊的影響最小；

② 在模塊上加罩一個抗磁場的金屬屏蔽罩；

③ 選用帶雙霍爾元件或多霍爾元件的模塊；

④ 測量的最佳精度是在額定值下得到的，當(dāng)被測電流遠(yuǎn)低于額定值時，要獲得最佳精度，原邊可使用多匝，即：IpNp=額定安匝數(shù)。另外，原邊饋線溫度不應(yīng)超過８０℃。

5. 結(jié)束語

霍爾電流傳感器因其眾多優(yōu)點，通過對大電流進(jìn)行精確的檢測和控制，保證了變頻器產(chǎn)品安全可靠的運行，使變頻器在正常輸出的同時，能對異常狀況及時處理。提升了變頻器的可靠性，提高了變頻器的安全品質(zhì)。所以霍爾電流傳感器在變頻器里的優(yōu)勢越來越明顯，已成為變頻器行業(yè)中不可缺少的一部分。
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