ABB公司的電流傳感器的基本原理
| 一、前言 伴隨著城市人口和建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，各種用電設(shè)備的增多，用電量越來越大，城市的供電設(shè)備經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)， 用電環(huán)境變得越來越惡劣，對(duì)電源的“考驗(yàn)”越來越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每天，用電設(shè)備都要遭受120次左右各種的電 源問題的侵?jǐn)_，電子設(shè)備故障的60%來自電源[7]。因此，電源問題的重要性日益凸顯出來。原先作為配角，資金 投入較少的電源越來越受到廠商和研究人員的重視，電源技術(shù)遂發(fā)展成為一門嶄新的技術(shù)。 而今，小小的電源設(shè)備已經(jīng)融合了越來越多的新技術(shù)。例如開關(guān)電源、硬開關(guān)、軟開關(guān)、參數(shù)穩(wěn)壓、線性反饋穩(wěn) 壓、磁放大器技術(shù)、數(shù)控調(diào)壓、PWM、SPWM、電磁兼容等等。實(shí)際需求直接推動(dòng)電源技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，為了自 動(dòng)檢測(cè)和顯示電流，并在過流、過壓等危害情況發(fā)生時(shí)具有自動(dòng)保護(hù)功能和更高級(jí)的智能控制，具有傳感檢測(cè)、 傳感采樣、傳感保護(hù)的電源技術(shù)漸成趨勢(shì)，檢測(cè)電流或電壓的傳感器便應(yīng)運(yùn)而生并在我國(guó)開始受到廣大電源設(shè)計(jì) 者的青睞，本文主要介紹ABB公司的電流傳感器。 二、電流傳感器的工作原理[1] ABB公司的電流傳感器可以測(cè)量各種類型的電流，從直流電到幾十千赫茲的交流電，其所依據(jù)的工作原理主要是霍 爾效應(yīng)，如圖1所示。 當(dāng)原邊導(dǎo)線經(jīng)過電流傳感器時(shí)，原邊電流IP會(huì)產(chǎn)生磁力線①，原邊磁力線集中在磁芯②周圍，內(nèi)置在磁芯氣隙中 的霍爾電極③可產(chǎn)生和原邊磁力線①成正比的大小僅幾毫伏的電壓，電子電路④可把這個(gè)微小的信號(hào)轉(zhuǎn)變成副邊 電流IS⑤，并存在以下關(guān)系式： (1) 其中，IS—副邊電流； IP—原邊電流； NP—原邊線圈匝數(shù)； NS—副邊線圈匝數(shù)； NP/NS—匝數(shù)比，一般取NP=1。 電流傳感器的輸出信號(hào)是副邊電流IS，它與輸入信號(hào)（原邊電流IP）成正比，IS一般很小，只有100~400mA。如果 輸出電流經(jīng)過測(cè)量電阻RM，則可以得到一個(gè)與原邊電流成正比的大小為幾伏的輸出電壓信號(hào)。 三、電流傳感器主要特性參數(shù)[1] [2] [3] [4] 1、標(biāo)準(zhǔn)額定值IPN和額定輸出電流ISN IPN指電流傳感器所能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)額定值，用有效值表示（A.r.m.s），IPN的大小與傳感器產(chǎn)品的型號(hào)有關(guān)。 ISN指電流傳感器額定輸出電流，一般為100~400mA，某些型號(hào)可能會(huì)有所不同。 2、傳感器供電電壓VA VA指電流傳感器的供電電壓，它必須在傳感器所規(guī)定的范圍內(nèi)。超過此范圍，傳感器不能正常工作或可靠性降 低，另外，傳感器的供電電壓VA又分為正極供電電壓VA+和負(fù)極供電電壓VA-。 3、測(cè)量范圍Ipmax 測(cè)量范圍指電流傳感器可測(cè)量的******電流值，測(cè)量范圍一般高于標(biāo)準(zhǔn)額定值IPN。測(cè)量范圍可用下式計(jì)算： (2) 要注意單相供電的傳感器，其供電電壓VAmin是雙相供電電壓VAmin的2倍，所以其測(cè)量范圍要高于雙相供電的傳感 器。 4、過載 電流傳感器的過載能力參見圖2。發(fā)生電流過載時(shí)，在測(cè)量范圍之外，原邊電流仍會(huì)增加，而且過載電流的持續(xù)時(shí) 間可能很短，而過載值有可能超過傳感器的允許值，過載電流值傳感器一般測(cè)量不出來，但不會(huì)對(duì)傳感器造成損 壞。 5、精度 霍爾效應(yīng)傳感器的精度取決于標(biāo)準(zhǔn)額定電流IPN。在+25℃時(shí)，傳感器測(cè)量精度受原邊電流影響的曲線如圖3所示， 使用下面公式可計(jì)算出精度： (3) 其中，K=NS/NP。 計(jì)算精度時(shí)必須考慮偏移電流、線性度、溫度漂移的影響。 (1). 偏移電流ISO 偏移電流也叫殘余電流或剩余電流，它主要是由霍爾元件或電子電路中運(yùn)算放大器工作狀態(tài)不穩(wěn)造成的。電流傳 感器在生產(chǎn)時(shí)，在25℃，IP=0時(shí)的情況下，偏移電流已調(diào)至最小，但傳感器在離開生產(chǎn)線時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一定大小 的偏移電流。產(chǎn)品技術(shù)文檔中提到的精度已考慮了偏移電流增加的影響。 (2). 線性度 參見圖4，線性度決定了傳感器輸出信號(hào)（副邊電流IS）與輸入信號(hào)（原邊電流IP）在測(cè)量范圍內(nèi)成正比的程度， ABB公司的電流傳感器線性度要優(yōu)于0.1%。 (3). 溫度漂移 偏移電流ISO是在25℃時(shí)計(jì)算出來的，當(dāng)霍爾電極周邊環(huán)境溫度變化時(shí)，ISO會(huì)產(chǎn)生變化。因此，考慮偏移電流ISO 的******變化是很重要的，這可以通過下式計(jì)算： (4) 其中，CV（Catalogue value）是指電流傳感器性能表中的溫度漂移值，例如：對(duì)CS2000BR型來說，CV為0.5×10- 4/℃，******溫度Tmax為-40℃，額定輸出電流為400mA，則偏移電流的******變化為： Ma 四、傳感器型號(hào)、結(jié)構(gòu)和安裝方法 ABB公司的傳感器產(chǎn)品說明一般由“傳感器產(chǎn)品型號(hào)”和“生產(chǎn)日期”兩部分構(gòu)成[5]?！皞鞲衅鳟a(chǎn)品型號(hào)”用于 標(biāo)明傳感器的型號(hào)、額定測(cè)量值、標(biāo)準(zhǔn)型或非標(biāo)準(zhǔn)型?！皞鞲衅魃a(chǎn)日期”則是由8位數(shù)字構(gòu)成，表明傳感器的生 產(chǎn)年份、日期（一年中的第幾日）及傳感器序列號(hào)。 ABB公司的傳感器產(chǎn)品很多，每種傳感器的外形結(jié)構(gòu)、尺寸大小等都有所不同，下面介紹幾種典型的外形結(jié)構(gòu)及安 裝接線方法。 1、 MP25P1電流傳感器 MP25P1電流傳感器是ABB公司中一種量程很小的傳感器，所能測(cè)量的額定電流為5、6、8、12、25A，原邊管腳的不 同接法可確定額定測(cè)量電流為多少，參見圖5。 2、ES300C電流傳感器 如MP25P1一樣，一般傳感器都有正極（+）、負(fù)極（-）、測(cè)量端（M）三個(gè)管腳，但ES300C則沒有此三個(gè)管腳，而 是有紅、黑、綠三根引線，分別對(duì)應(yīng)于正極、負(fù)極及測(cè)量端。同時(shí)在ES300C型傳感器中有一內(nèi)孔，測(cè)量原邊電流 時(shí)要將導(dǎo)線穿過該內(nèi)孔。 不管是MP25P1還是ES300C型等電流傳感器，安裝時(shí)管腳的接線應(yīng)根據(jù)測(cè)量情況進(jìn)行相應(yīng)連線。 （1）在測(cè)量交流電時(shí)，必須強(qiáng)制使用雙極性供電電源。即傳感器的正極（+）接供電電源“+VA”端，負(fù)極接電源 的“-VA”端，這種接法叫雙極性供電電源。同時(shí)測(cè)量端（M）通過電阻接電源“0V”端。 （2）在測(cè)量直流電流時(shí)，可使用單極性或單相供電電源，即將正極或負(fù)極與“0V”端短接，從而形成只有一個(gè)電 極相接的情況，其接法共有四種（見圖6和圖7）。 在傳感器產(chǎn)品中，標(biāo)有“-N”標(biāo)志的表示該傳感器沒有電源意外倒置防護(hù)措施；標(biāo)有“-P”標(biāo)志的則表示該傳感 器具有防護(hù)措施。圖6是無保護(hù)二極管時(shí)的單極性供電電源安裝接線方法，圖7是加有保護(hù)措施的傳感器的接 法。 (3)具有屏蔽作用的傳感器的連接方法 ABB公司的部分電流傳感器具有電磁屏蔽作用，其產(chǎn)品外殼上會(huì)多一個(gè)“E”標(biāo)志的端口，其連接方式有兩種：將 屏蔽端和負(fù)極（-VA）或零線（0V）相連，如圖8所示。 另外，安裝時(shí)必須全面考慮產(chǎn)品的用途、型號(hào)、量程范圍、安裝環(huán)境等。比如傳感器應(yīng)盡量安裝在利于散熱的場(chǎng) 合；如果環(huán)境只適于垂直安裝，則必須選擇帶“V”字標(biāo)志的傳感器（如CS300 BRV）。 五、提高測(cè)量精度的方法 除了安裝接線、即時(shí)標(biāo)定校準(zhǔn)、注意傳感器的工作環(huán)境外，通過下述方法還可以提高測(cè)量精度： 1、原邊導(dǎo)線應(yīng)放置于傳感器內(nèi)孔中心，盡可能不要放偏； 2、原邊導(dǎo)線盡可能完全放滿傳感器內(nèi)孔，不要留有空隙； 3、需要測(cè)量的電流應(yīng)接近于傳感器的標(biāo)準(zhǔn)額定值IPN，不要相差太大。如條件所限，手頭僅有一個(gè)額定值很高的 傳感器，而欲測(cè)量的電流值又低于額定值很多，為了提高測(cè)量精度，可以把原邊導(dǎo)線多繞幾圈，使之接近額定 值。例如當(dāng)用額定值100A的傳感器去測(cè)量10A的電流時(shí)，為提高精度可將原邊導(dǎo)線在傳感器的內(nèi)孔中心繞九圈（一 般情況，NP=1；在內(nèi)孔中繞一圈，NP=2；……；繞九圈，NP=10，則NP×10A=100A與傳感器的額定值相等，從而可 提高精度）； 4、當(dāng)欲測(cè)量的電流值為IPN/5的時(shí)，在25℃仍然可以有較高的精度。 六、傳感器的抗干擾性 1、電磁場(chǎng) 閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器，利用了原邊導(dǎo)線的電磁場(chǎng)原理。因此下列因素直接影響傳感器是否受外部電磁場(chǎng)干 擾。 (1)傳感器附近的外部電流大小及電流頻率是否變化； (2)外部導(dǎo)線與傳感器的距離、外部導(dǎo)線的形狀、位置和傳感器內(nèi)霍爾電極的位置； (3)安裝傳感器所使用的材料有無磁性； (4)所使用的電流傳感器是否屏蔽； 為了盡量減小外部電磁場(chǎng)的干擾，最好按安裝指南安裝傳感器。 2、電磁兼容性 電磁兼容性EMC，（Electro -Magnetic Compatibility ）是研究電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自 功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設(shè)備都能正常工作而又互不干擾，達(dá)到“兼容”狀態(tài)的一 門學(xué)科[8]?？臻g電磁環(huán)境的惡化越來越容易使電子元器件之間因互不兼容而引發(fā)系統(tǒng)的誤動(dòng)作，因此電工、電子 設(shè)備電磁兼容性檢測(cè)極有必要。由于實(shí)際生產(chǎn)、科研及市場(chǎng)推廣的迫切需要，采用已通過電磁兼容性檢測(cè)的電流 和電壓傳感器已形成共識(shí)，并已成為一個(gè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。ABB公司的所有電流傳感器自1996年1月1日起，均已通過了 EMC檢測(cè)。 七、傳感器標(biāo)定 1、偏移電流ISO 偏移電流必須在IP=0、環(huán)境溫度T≈25℃的條件下進(jìn)行校準(zhǔn)，按圖9方法（雙極性供電）接線，且測(cè)量電壓VM必須 滿足： VM≦RM×ISO (5) 2、精度 在IP=IPN（AC or DC）、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙極性供電、RM為實(shí)際測(cè)量電阻的條件下進(jìn)行測(cè)量，其接線如 圖10所示，并用公式(3)計(jì)算精度。 3、保護(hù)性測(cè)試 ABB公司的傳感器在測(cè)量電路短路、測(cè)量電路開路、供電電源開路、原邊電流過載、電源意外倒置的條件下都可受 到保護(hù)。對(duì)上述各項(xiàng)測(cè)試舉例如下： （1）測(cè)量電路短路 此項(xiàng)測(cè)試必須在IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM為實(shí)際應(yīng)用中的電阻條件下進(jìn)行，連接圖如圖11 所示，開關(guān)S應(yīng)在一分鐘之內(nèi)合上和打開。 （2）測(cè)量電路開路 此項(xiàng)測(cè)試條件為IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM是實(shí)際應(yīng)用中的電阻。測(cè)試圖如圖12，開關(guān)S應(yīng) 在一分鐘之內(nèi)完成閉合/打開切換動(dòng)作。 （3）電源意外倒置測(cè)試 為防止電源意外倒置而使傳感器損壞，在電路中專門加裝了保護(hù)二極管，此項(xiàng)測(cè)試可使用萬用表測(cè)試二極管兩 端，測(cè)試應(yīng)在IP=0、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器不供電、不連接測(cè)量電阻的條件下進(jìn)行?？墒褂靡韵聝煞N方法測(cè) 試： 第一種：萬用表紅表筆端接傳感器“M”端，萬用表黑表筆端接傳感器“+”端； 第二種：萬用表紅表筆接傳感器負(fù)極，萬用表黑表筆接傳感器M端； 在測(cè)試中，如萬用表鳴笛，說明二極管已損壞。 八、傳感器應(yīng)用計(jì)算[5] 根據(jù)圖13，電流傳感器的主要計(jì)算公式如下： NPIP=NSIS； 計(jì)算原邊或副邊電流 VM=RMI； 計(jì)算測(cè)量電壓 VS=RSIS； &nbs |
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