閉環(huán)霍爾電流傳感器在變頻器中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

徐霜
安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定 

摘要：介紹了霍爾效應(yīng)，分析了閉環(huán)式霍爾電流傳感器的工作原理及其主要特點(diǎn)產(chǎn)品特點(diǎn)與選型，研究分析了霍爾電流傳感器在變頻器中的典型應(yīng)用以及變頻器中的典型電流檢測(cè)電路，淺談其在變頻器中的典型應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：閉環(huán)霍爾電流傳感器；工作原理；變頻器應(yīng)用

1.引言
  隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，電流檢測(cè)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，工業(yè)控制對(duì)電流檢測(cè)的精度和響應(yīng)速度的要求較高，同時(shí)希望與被檢測(cè)的對(duì)象實(shí)現(xiàn)*隔離，霍爾電流傳感器很好地 解決了這些問(wèn)題。霍爾電流傳感器以其優(yōu)良的性能和精巧的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域中電流隔離測(cè)量的解決方案，并且被廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器、變頻器、電機(jī)繞組和高頻大電流測(cè)量等場(chǎng)合中。

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(chǎng)傳感器。它有兩種工作方式，即開(kāi)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(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低；其缺點(diǎn)是精度、線性度較差，響應(yīng)時(shí)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(chēng)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(jí)線圈、放大器等組成。當(dāng)原邊電流IP產(chǎn)生的磁通通過(guò)高品質(zhì)磁芯集中在磁路中，霍爾元件固定在氣隙中檢測(cè)磁通，通過(guò)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(guò)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(shí)間短、工作頻率高、過(guò)載能力強(qiáng)、高隔離度等眾多優(yōu)點(diǎn)。一般情況下，根據(jù)輸入信號(hào)、外形、內(nèi)孔尺寸來(lái)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(xiàng)要求，相對(duì)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(chǎng)接線方便、可靠。常見(jiàn)的品牌產(chǎn)品如圖2。

圖2

3.2產(chǎn)品外形
型號(hào)：AHBC-LTA

圖3
 

3.3技術(shù)指標(biāo)
  響應(yīng)時(shí)間：≤1us
  頻寬：100kHz
  失調(diào)電流：0.1mA
  工作溫度：-25～70℃
  存儲(chǔ)溫度：-40～80℃
  輸出負(fù)載：根據(jù)不同輔助電源、輸入信號(hào)、輸出信號(hào)而定
  輸入過(guò)載能力：輸入量程值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4   變頻調(diào)速回路  Y為霍爾電流傳感器
 

  圖4中①用于檢測(cè)母線的直流電流，當(dāng)檢測(cè)出主回路中出現(xiàn)異常脈沖，或有效值超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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4中②用于檢測(cè)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(guò)流而損壞，此時(shí)要求短路電流保護(hù)在短路檢出后10us內(nèi)切斷門(mén)驅(qū)動(dòng)電路，這種逆變器必須采用快速過(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，若因換相失敗造成上下橋臂同時(shí)導(dǎo)電，則相應(yīng)的兩個(gè)傳感器同時(shí)檢出電流信號(hào)，經(jīng)與基準(zhǔn)電壓比較轉(zhuǎn)換成方波后，通過(guò)門(mén)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4中③用于檢測(cè)輸出電流的波形,接入逆變器的輸出回路中，用來(lái)檢測(cè)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(guò)載信號(hào)

4.2 使用注意事項(xiàng)
  4.2.1 為了得到較好的動(dòng)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，可用單根導(dǎo)線且導(dǎo)線*填滿(mǎn)霍爾傳感器模塊孔徑；
  4.2.2 使用中當(dāng)大的直流電流流過(guò)傳感器原邊線圈，且次級(jí)電路沒(méi)有接通電源|穩(wěn)壓器或副邊開(kāi)路，則其磁路被磁化，而產(chǎn)生剩磁，影響測(cè)量精度（故使用時(shí)要先接通電源和測(cè)量端M），發(fā)生這種情況時(shí)，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(guò)同樣等級(jí)大小的交流電流并逐漸減小其值；
  4.2.3在大多數(shù)場(chǎng)合，霍爾傳感器都具有很強(qiáng)的抗外磁場(chǎng)干擾能力，一般在距離模塊5-10cm之間存在一個(gè)兩倍于工作電流Ip的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾是可以忽略的，但當(dāng)有更強(qiáng)的磁場(chǎng)干擾時(shí)，要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)解決。通常方法有：
  ① 調(diào)整模塊方向，使外磁場(chǎng)對(duì)模塊的影響??；
  ② 在模塊上加罩一個(gè)抗磁場(chǎng)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(cè)量的精度是在額定值下得到的，當(dāng)被測(cè)電流遠(yuǎn)低于額定值時(shí)，要獲得精度，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(guò)８０℃。

5. 結(jié)束語(yǔ)
  霍爾電流傳感器優(yōu)點(diǎn)眾多，通過(guò)對(duì)大電流進(jìn)行精確 的檢測(cè)和控制，保證 了變頻器產(chǎn)品安全可靠的運(yùn)行，使變頻器在正常輸出的同時(shí)，能對(duì)異常狀況及時(shí)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(shì)越來(lái)越明顯，已成為變頻器行業(yè)中*的一部分。

【參考文獻(xiàn)】
  [1]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè) 2019.11版
  [2]謝文和.傳感器及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2003.
  [3]苑軍武.霍爾電流傳感器在變頻器中的應(yīng)用