工程案例
李茫茫
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：介紹了霍爾電流傳感器的工作原理,給出霍爾電流傳感器在并聯(lián)型有源電力濾波器(SAPF)中的具體應(yīng)用方法。同時(shí)給出了采用霍爾電流傳感器對(duì)并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行補(bǔ)償前后的系統(tǒng)電流波形圖。
關(guān)鍵詞：霍爾電流傳感器;并聯(lián)型有源電力濾波器;霍爾元件;補(bǔ)償
0引言
近年來(lái),諧波抑制,提高電能質(zhì)量已成為電力電子技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)及電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一個(gè)重大課題。而APF由于其自身的很多優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為目前諧波抑制的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。由于目前電流型諧波源在電網(wǎng)中的比例很大,實(shí)際應(yīng)用的裝置多為并聯(lián)型有源電力濾波器(SAPF)。
SAPF技術(shù)的應(yīng)用需要對(duì)SAPF的輸入輸出電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,其測(cè)量的精度直接影響到APF的諧波補(bǔ)償效果。由于霍爾元件構(gòu)成的霍爾電流傳感器與普通的CT相比,具有量程寬,精度高,線型度高,靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),因此,本文選用霍爾傳感器作為SAPF中各個(gè)電流信號(hào)的檢測(cè)設(shè)備。
1霍爾電流傳感器的工作原理
1.1霍爾效應(yīng)及霍爾器件
霍爾電流傳感器的核心是霍爾器件,它是根據(jù)霍爾效應(yīng)的原理制成的。圖1所示是霍爾器件的工作原理圖。將通有電流的金屬薄片置于磁場(chǎng)中,其中電流方向由1流向2,磁場(chǎng)方向與控制電流方向正交,此時(shí)導(dǎo)體中的自由電子受洛倫茲力的作用而向4發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而使導(dǎo)體的3、4兩側(cè)出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差,這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)差即為霍爾電壓UH,它與磁感應(yīng)強(qiáng)度B及電流I成正比?；魻栯妷篣H可用下式（1）表示:
式（1）
圖1霍爾器件的工作原理
式中:RH是霍爾系數(shù)(是由材料性質(zhì)決定的一個(gè)常數(shù)),對(duì)于金屬導(dǎo)體而言,RH=1/nq(n為載流子濃度或自由電子濃度,q為電子電量。),I為通過(guò)器件的電流,B為垂直于I的磁感應(yīng)強(qiáng)度,d為導(dǎo)體的厚度,KH=RH/d稱為霍爾元件的靈敏度,它是表征單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位電流時(shí)的霍爾電壓輸出大小的一個(gè)重要參數(shù),一般希望它越大越好。若保證式(1)中I不變,那么,在一定條件下,就可通過(guò)測(cè)量霍爾電壓UH來(lái)推算出磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小,并由此建立了磁場(chǎng)與電壓信號(hào)的聯(lián)系。根據(jù)這一關(guān)系,人們研制出了霍爾器件。
1.2霍爾電流傳感器
由前面的分析可知,利用霍爾器件可以進(jìn)行非接觸式電流測(cè)量,測(cè)量可分為直測(cè)法和磁平衡法。當(dāng)一個(gè)環(huán)形導(dǎo)磁材料做成的磁芯套在被測(cè)電流流過(guò)的導(dǎo)線上時(shí),導(dǎo)線周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流成正比。這一磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材料聚集,然后用霍爾元件進(jìn)行檢測(cè)。由于磁場(chǎng)與霍爾元件的輸出呈線性關(guān)系,因此可利用霍爾元件測(cè)得的信號(hào)大小,來(lái)反映被測(cè)電流的大小。這種測(cè)電流的方法稱為直測(cè)法。以這種測(cè)量方式做成的霍爾電流傳感器(直測(cè)式)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低。但由于有隨電流變大,磁芯有可能出現(xiàn)磁飽和以及頻率升高,磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會(huì)隨之升高等,從而使其精度、線性度變差,響應(yīng)時(shí)間較慢,溫度漂移較大,同時(shí)它的測(cè)量范圍、帶寬等也會(huì)受到一定的限制。
磁平衡法(又稱零磁通法、閉環(huán)反饋補(bǔ)償法)則在直測(cè)法原理的基礎(chǔ)上,又加入了磁平衡原理。即將前述霍爾器件的輸出電壓進(jìn)行放大,再經(jīng)功率放大后,讓輸出電流通過(guò)次級(jí)補(bǔ)償線圈,使補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反,從而補(bǔ)償原邊磁場(chǎng),使霍爾輸出逐漸減小,這樣,當(dāng)原次級(jí)磁場(chǎng)相等時(shí),補(bǔ)償電流不再變大。實(shí)際上,這個(gè)平衡過(guò)程是自動(dòng)建立的,是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,建立平衡所需的時(shí)間很短。平衡時(shí),霍爾器件處于零磁通狀態(tài)。磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度很低(理想狀態(tài)應(yīng)為0),故不會(huì)使磁芯飽和,也不會(huì)產(chǎn)生大的磁滯損耗和渦流損耗。因此,與直測(cè)式霍爾電流傳感器相比,磁平衡法做成的霍爾電流傳感器(磁平衡式)的頻帶更寬,測(cè)試精度更高,響應(yīng)時(shí)間更短。
如圖2所示,磁平衡式霍爾電流傳感器由聚磁環(huán)、霍爾元件、一次線圈(一般為一匝,即穿過(guò)聚磁環(huán)的被測(cè)導(dǎo)線)、二次線圈、放大電路等組成。圖2中,I1為一次線圈電流,I2為二次線圈電流,霍爾元件置于聚磁鐵芯的氣隙中,用于檢測(cè)聚磁環(huán)中的磁場(chǎng)大小。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)線的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致聚磁環(huán)中的霍爾元件產(chǎn)生霍爾電勢(shì)時(shí),霍爾電勢(shì)將使電子放大器調(diào)整輸出電流I2,電流I2再使二次線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消一次線圈電流I1產(chǎn)生的磁場(chǎng),直至霍爾電勢(shì)為零,從而達(dá)到磁路平衡,此時(shí),霍爾元件將工作在零磁通狀態(tài),并有下面的公式（2）成立。
圖2磁平衡式霍爾電流傳感器原理圖
式（2）
式中,N1為一次線圈匝數(shù),N2為二次線圈匝數(shù)。當(dāng)N1、N2的值已知時(shí),通過(guò)測(cè)量I2的大小,即可推算出I1的值,從而實(shí)現(xiàn)電流的隔離測(cè)量。
在二次線圈輸出回路增加測(cè)量電阻RL,則:
式（3）
從式(3)可以看出,測(cè)量電阻RL上的電壓VL與一次線圈的被測(cè)電流I1是成線性關(guān)系的。因此,知道了VL的大小,也就知道了輸出電壓VOUT的值。
1.3磁平衡式霍爾電流傳感器的主要特性
磁平衡式霍爾電流傳感器可同時(shí)測(cè)量任意波形電流,其二次線圈測(cè)量電流與一次線圈被測(cè)電流之間完全電氣隔離,絕緣電壓一般為2～12kV。它可對(duì)額定1mA～50kA的電流進(jìn)行測(cè)量,且動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性很好。此外,該傳感器還具有精度高、線性度好,以及過(guò)載、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
2在并聯(lián)型有源電力濾波器中的應(yīng)用
圖3為SAPF系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖,其中負(fù)載為諧波源,主電路采用PWM變流器。該SAPF系統(tǒng)由兩部分組成,即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中,指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象中的諧波電流分量。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào),來(lái)產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。其基本原理是通過(guò)檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流,并經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令信號(hào),再將該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大,并得出補(bǔ)償電流,然后將補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波電流相抵消,得到期望的電源電流波形。
圖3并聯(lián)型有源電力濾波器原理電路
其中補(bǔ)償對(duì)象中的電壓電流以及補(bǔ)償電流信號(hào)是通過(guò)霍爾電流傳感器獲得的。然后可將該信號(hào)再送到數(shù)字信號(hào)處理器ADMC401的A/D輸入口(但是這些輸入量要在A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍之內(nèi),否則將不能完成轉(zhuǎn)換)。本設(shè)計(jì)采用CHB-50P型霍爾電流傳感器,它的額定電流是50A,輸出電流為100mA。測(cè)量范圍是0～50A,匝數(shù)比是1:500,其測(cè)量精度、線性度、頻率范圍及反應(yīng)時(shí)間都符合磁平衡式霍爾電流傳感器特性中的數(shù)值。它與A/D轉(zhuǎn)換口的連接電路如圖4所示。
圖4電流檢測(cè)電路
由公式(3)和圖4可知,調(diào)整測(cè)量電阻RL的取值,就能得到所需比例的輸出信號(hào)。但應(yīng)注意的是,由于ADMC401的A/D口的電壓范圍是±2V,因此RL的取值是有限制的。從圖2可以看出,在輸出回路中,除了測(cè)量電阻RL以外,還有電子放大器輸出級(jí)的射極跟隨管以及二次線圈,因此有下式（4）成立:
式（4）
式中,VCC是供電電源電壓,一般為±12～±24V;VT是電子放大器輸出管的壓降(飽和值為1.5～2V);V2是二次線圈壓降。若二次線圈內(nèi)阻為R2,則有:V2=I2R2。
這樣,將(4)式帶入(3)式中,便可以推導(dǎo)出計(jì)算公式為:
式（5）
3實(shí)驗(yàn)分析
本設(shè)計(jì)中,并聯(lián)型有源電力濾波器主電路采用富士公司的IGBT-IPM模塊7MBP150RA-120,信號(hào)檢測(cè)采用霍爾電流傳感器,主控電路由AD公司的數(shù)字信號(hào)處理器ADMC401來(lái)實(shí)現(xiàn)。三相連接電感的大小為0.68mH,直流側(cè)電容為2個(gè)大小為10000μF的電容器串聯(lián),輸出電壓由額定電壓為380V,額定電流為53A的調(diào)壓器供給。負(fù)載是一個(gè)由可調(diào)電阻、電感以及二極管構(gòu)成的整流橋。在380V線電壓的情況下,該負(fù)載可以提供30A的電流。由CHB-50P的特點(diǎn)可以推出,在該電流下,系統(tǒng)可輸出大約60mA的電流,因此,根據(jù)公式(5)就可以計(jì)算出阻值約為25Ω。所用的測(cè)量工具是TektronixTDS1012型示波器
本實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)試在使用霍爾電流傳感器后,SAPF裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的補(bǔ)償效果。其實(shí)際的補(bǔ)償效果如圖5所示。
圖5A相補(bǔ)償前后及補(bǔ)償電流的波形
圖5中的1、2、3分別對(duì)應(yīng)于380V線電壓條件下A相系統(tǒng)在電流補(bǔ)償前、補(bǔ)償后以及補(bǔ)償電流本身的波形。從1可以看到,補(bǔ)償前負(fù)載電流波形基本上是一個(gè)類似矩形的階梯波,其諧波含量非常多,通過(guò)對(duì)A相負(fù)載電流做頻譜分析,其中的5次諧波達(dá)到了20.3%,7次諧波也將近達(dá)13%,總的諧波畸變率為25.7%,大大超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。從2可以看到,在補(bǔ)償后,A相的系統(tǒng)電流基本上由矩形階梯波調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,通過(guò)做頻譜分析,5次諧波下降到4%以下,7次諧波下降到3.5%以下,總的諧波畸變率由25.7%下降到了5.4%。補(bǔ)償效果已滿足國(guó)家關(guān)于配電系統(tǒng)諧波指標(biāo)所規(guī)定的要求。
4安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型
4.1產(chǎn)品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過(guò)霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時(shí)間快，電流測(cè)量范圍寬精度高，過(guò)載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)采集和反饋控制。
4.2產(chǎn)品選型
4.2.1開(kāi)口式開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器
表1
4.2.2閉口式開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器
表2
4.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器
表3
4.2.4直流漏電流傳感器
表4
5結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)并聯(lián)型有源電力濾波器中的成功應(yīng)用表明,采用霍爾電流傳感器作為電流取樣元件具有電流控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。與普通的電流互感器相比,采用霍爾電流傳感器更能無(wú)失真的反映測(cè)量電流。隨著霍爾傳感器技術(shù)水平的提高,它必將廣泛的應(yīng)用于社會(huì)中的各個(gè)行業(yè)。
【參考文獻(xiàn)】
[1]于樹(shù)海,程漢湘,羅其鋒．霍爾電流傳感器在并聯(lián)型有源電力濾波器(SAPF)中的應(yīng)用.
[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2020.06版
