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浅谈霍尔电流传感器在并联型有源电力滤波器(SAPF)中的选型与应用

2021-01-19 [89]

安科瑞 鲍静君

  摘要:介绍了霍尔电流传感器的工作原理,给出霍尔电流传感器在并联型有源电力滤波器(SAPF)中的具体应用方法。同时给出了采用霍尔电流传感器对并联型有源电力滤波器进行补偿前后的系统电流波形图。

  关键词:霍尔电流传感器;并联型有源电力滤波器;霍尔元件;补偿

  0引言

  近年来,谐波,提高电能质量已成为电力电子技术、电气自动化技术及电力系统研究领域的一个重大课题。而APF由于其自身的很多优点,已经成为目前谐波的一个发展趋势。由于目前电流型谐波源在电网中的比例很大,实际应用的装置多为并联型有源电力滤波器(SAPF)。

  SAPF技术的应用需要对SAPF的输入输出电流信号进行测量,其测量的精度直接影响到APF的谐波补偿效果。由于霍尔元件构成的霍尔电流传感器与普通的CT相比,具有量程宽,精度高,线型度高,灵敏度高等优点,因此,本文选用霍尔传感器作为SAPF中各个电流信号的检测设备。

  1霍尔电流传感器的工作原理

  1.1霍尔效应及霍尔器件

  霍尔电流传感器的核心是霍尔器件,它是根据霍尔效应的原理制成的。图1所示是霍尔器件的工作原理图。将通有电流的金属薄片置于磁场中,其中电流方向由1流向2,磁场方向与控制电流方向正交,此时导体中的自由电子受洛伦兹力的作用而向4发生偏转,从而使导体的3、4两侧出现一个电势差,这一现象称为霍尔效应。该电势差即为霍尔电压UH,它与磁感应强度B及电流I成正比。霍尔电压UH可用下式(1)表示:

式(1)

图1霍尔器件的工作原理

  式中:RH是霍尔系数(是由材料性质决定的一个常数),对于金属导体而言,RH=1/nq(n为载流子浓度或自由电子浓度,q为电子电量。),I为通过器件的电流,B为垂直于I的磁感应强度,d为导体的厚度,KH=RH/d称为霍尔元件的灵敏度,它是表征单位磁感应强度和单位电流时的霍尔电压输出大小的一个重要参数,一般希望它越大越好。若保证式(1)中I不变,那么,在一定条件下,就可通过测量霍尔电压UH来推算出磁感应强度B的大小,并由此建立了磁场与电压信号的联系。根据这一关系,人们研制出了霍尔器件。

  1.2霍尔电流传感器

  由前面的分析可知,利用霍尔器件可以进行非接触式电流测量,测量可分为直测法和磁平衡法。当一个环形导磁材料做成的磁芯套在被测电流流过的导线上时,导线周围就会产生磁场,磁场的大小与流过导线的电流成正比。这一磁场可以通过软磁材料聚集,然后用霍尔元件进行检测。由于磁场与霍尔元件的输出呈线性关系,因此可利用霍尔元件测得的信号大小,来反映被测电流的大小。这种测电流的方法称为直测法。以这种测量方式做成的霍尔电流传感器(直测式)的优点是结构简单,成本较低。但由于有随电流变大,磁芯有可能出现磁饱和以及频率升高,磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高等,从而使其精度、线性度变差,响应时间较慢,温度漂移较大,同时它的测量范围、带宽等也会受到一定的限制。

  磁平衡法(又称零磁通法、闭环反馈补偿法)则在直测法原理的基础上,又加入了磁平衡原理。即将前述霍尔器件的输出电压进行放大,再经功率放大后,让输出电流通过次级补偿线圈,使补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反,从而补偿原边磁场,使霍尔输出逐渐减小,这样,当原次级磁场相等时,补偿电流不再变大。实际上,这个平衡过程是自动建立的,是一个动态平衡,建立平衡所需的时间很短。平衡时,霍尔器件处于零磁通状态。磁芯中的磁感应强度很低(理想状态应为0),故不会使磁芯饱和,也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗。因此,与直测式霍尔电流传感器相比,磁平衡法做成的霍尔电流传感器(磁平衡式)的频带更宽,测试精度更高,响应时间更短。

  如图2所示,磁平衡式霍尔电流传感器由聚磁环、霍尔元件、一次线圈(一般为一匝,即穿过聚磁环的被测导线)、二次线圈、放大电路等组成。图2中,I1为一次线圈电流,I2为二次线圈电流,霍尔元件置于聚磁铁芯的气隙中,用于检测聚磁环中的磁场大小。当被测导线的电流产生的磁场导致聚磁环中的霍尔元件产生霍尔电势时,霍尔电势将使电子放大器调整输出电流I2,电流I2再使二次线圈产生的磁场抵消一次线圈电流I1产生的磁场,直至霍尔电势为零,从而达到磁路平衡,此时,霍尔元件将工作在零磁通状态,并有下面的公式(2)成立。

图2磁平衡式霍尔电流传感器原理图

式(2)

  式中,N1为一次线圈匝数,N2为二次线圈匝数。当N1、N2的值已知时,通过测量I2的大小,即可推算出I1的值,从而实现电流的隔离测量。

  在二次线圈输出回路增加测量电阻RL,则:

式(3)

  从式(3)可以看出,测量电阻RL上的电压VL与一次线圈的被测电流I1是成线性关系的。因此,知道了VL的大小,也就知道了输出电压VOUT的值。

  1.3磁平衡式霍尔电流传感器的主要特性

  磁平衡式霍尔电流传感器可同时测量任意波形电流,其二次线圈测量电流与一次线圈被测电流之间完全电气隔离,绝缘电压一般为2~12kV。它可对额定1mA~50kA的电流进行测量,且动态响应特性很好。此外,该传感器还具有精度高、线性度好,以及过载、抗干扰能力强等特点。

  2在并联型有源电力滤波器中的应用

  图3为SAPF系统的构成原理图,其中负载为谐波源,主电路采用PWM变流器。该SAPF系统由两部分组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中,指令电流运算电路的核心是检测补偿对象中的谐波电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号,来产生实际的补偿电流。其基本原理是通过检测补偿对象的电压和电流,并经指令电流运算电路计算出补偿电流的指令信号,再将该信号经补偿电流发生电路放大,并得出补偿电流,然后将补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流相抵消,得到期望的电源电流波形。

图3并联型有源电力滤波器原理电路

  其中补偿对象中的电压电流以及补偿电流信号是通过霍尔电流传感器获得的。然后可将该信号再送到数字信号处理器ADMC401的A/D输入口(但是这些输入量要在A/D转换的电压范围之内,否则将不能完成转换)。本设计采用CHB-50P型霍尔电流传感器,它的额定电流是50A,输出电流为100mA。测量范围是0~50A,匝数比是1:500,其测量精度、线性度、频率范围及反应时间都符合磁平衡式霍尔电流传感器特性中的数值。它与A/D转换口的连接电路如图4所示。

图4电流检测电路

  由公式(3)和图4可知,调整测量电阻RL的取值,就能得到所需比例的输出信号。但应注意的是,由于ADMC401的A/D口的电压范围是±2V,因此RL的取值是有限制的。从图2可以看出,在输出回路中,除了测量电阻RL以外,还有电子放大器输出级的射极跟随管以及二次线圈,因此有下式(4)成立:

式(4)

  式中,VCC是供电电源电压,一般为±12~±24V;VT是电子放大器输出管的压降(饱和值为1.5~2V);V2是二次线圈压降。若二次线圈内阻为R2,则有:V2=I2R2。

  这样,将(4)式带入(3)式中,便可以推导出计算公式为:

式(5)

  3实验分析

  本设计中,并联型有源电力滤波器主电路采用富士公司的IGBT-IPM模块7MBP150RA-120,信号检测采用霍尔电流传感器,主控电路由AD公司的数字信号处理器ADMC401来实现。三相连接电感的大小为0.68mH,直流侧电容为2个大小为10000μF的电容器串联,输出电压由额定电压为380V,额定电流为53A的调压器供给。负载是一个由可调电阻、电感以及二极管构成的整流桥。在380V线电压的情况下,该负载可以提供30A的电流。由CHB-50P的特点可以推出,在该电流下,系统可输出大约60mA的电流,因此,根据公式(5)就可以计算出阻值约为25Ω。所用的测量工具是TektronixTDS1012型示波器

  本实验旨在测试在使用霍尔电流传感器后,SAPF装置稳定运行时的补偿效果。其实际的补偿效果如图5所示。

图5A相补偿前后及补偿电流的波形

  图5中的1、2、3分别对应于380V线电压条件下A相系统在电流补偿前、补偿后以及补偿电流本身的波形。从1可以看到,补偿前负载电流波形基本上是一个类似矩形的阶梯波,其谐波含量非常多,通过对A相负载电流做频谱分析,其中的5次谐波达到了20.3%,7次谐波也将近达13%,总的谐波畸变率为25.7%,大大超出了国家标准。从2可以看到,在补偿后,A相的系统电流基本上由矩形阶梯波调整为标准的正弦波,通过做频谱分析,5次谐波下降到4%以下,7次谐波下降到3.5%以下,总的谐波畸变率由25.7%下降到了5.4%。补偿效果已满足国家关于配电系统谐波指标所规定的要求。

  4安科瑞霍尔传感器产品选型

  4.1产品介绍

  霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换,通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受,响应时间快,电流测量范围宽精度高,过载能力强,线性好,抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器,UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。

  4.2产品选型

  4.2.1开口式开环霍尔电流传感器

表1

  4.2.2闭口式开环霍尔电流传感器

表2

  4.2.3闭环霍尔电流传感器

表3

  4.2.4直流漏电流传感器

表4

  5结束语

  通过并联型有源电力滤波器中的成功应用表明,采用霍尔电流传感器作为电流取样元件具有电流控制精度高、动态响应快、性能稳定等优点。与普通的电流互感器相比,采用霍尔电流传感器更能无失真的反映测量电流。随着霍尔传感器技术水平的提高,它必将广泛的应用于社会中的各个行业。