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传感器电流测量ABB电流传感器的应用分析

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一、前言

  伴随着城市人口和建设规模的扩大,各种用电设备的增多,用电量越来越大,城市的供电设备经常超负荷运转,用电环境变得越来越恶劣,对电源的“考验”越来越严重。据统计,每天,用电设备都要遭受 120 次左右各种的电源问题的侵扰,电子设备故障的 60% 来自电源 [7] 。因此,电源问题的重要性日益凸显出来。原先作为配角,资金投入较少的电源越来越受到厂商和研究人员的重视,电源技术遂发展成为一门崭新的技术。


  而今,小小的电源设备已经融合了越来越多的新技术。例如开关电源、硬开关、软开关、参数稳压、线性反馈稳压、磁放大器技术、数控调压、 PWM 、 SPWM 、电磁兼容等等。实际需求直接推动电源技术不断发展和进步,为了自动检测和显示电流,并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护功能和更高级的智能控制,具有传感检测、传感采样、传感保护的电源技术渐成趋势,检测电流或电压的传感器便应运而生并在我国开始受到广大电源设计者的青睐,本文主要介绍 ABB 公司的电流传感器

二、电流传感器的工作原理 [1]

  ABB 公司的电流传感器可以测量各种类型的电流,从直流电到几十千赫兹的交流电,其所依据的工作原理主要是霍尔效应,如图 1 所示。

  当原边导线经过电流传感器时,原边电流 I P 会产生磁力线①,原边磁力线集中在磁芯②周围,内置在磁芯气隙中的霍尔电极③可产生和原边磁力线①成正比的大小仅几毫伏的电压,电子电路④可把这个微小的信号转变成副边电流 I S ⑤,并存在以下关系式


其中, I S —副边电流;

I P —原边电流;

N P —原边线圈匝数;

N S —副边线圈匝数;

N P / N S —匝数比,一般取 N P =1 。

电流传感器的输出信号是副边电流 I S ,它与输入信号(原边电流 I P )成正比, I S 一般很小,只有 100~400mA 。如果输出电流经过测量电阻 R M ,则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的输出电压信号。

三、电流传感器主要特性参数 [1] [2] [3] [4]

1 、标准额定值 I PN 和额定输出电流 I SN

I PN 指电流传感器所能测试的标准额定值,用有效值表示( A.r.m.s ), I PN 的大小与传感器产品的型号有关。

I SN 指电流传感器额定输出电流,一般为 100~400mA ,某些型号可能会有所不同。

2 、传感器供电电压 V A

V A 指电流传感器的供电电压,它必须在传感器所规定的范围内。超过此范围,传感器不能正常工作或可靠性降低,另外,传感器的供电电压 V A 又分为正极供电电压 V A + 和负极供电电压 V A - 。

3 、测量范围 I pmax

测量范围指电流传感器可测量的最大电流值,测量范围一般高于标准额定值 I PN 。测量范围可用下式计算

要注意单相供电的传感器,其供电电压 V Amin 是双相供电电压 V Amin 的 2 倍,所以其测量范围要高于双相供电的传感器。

4 、过载

电流传感器的过载能力参见图 2 。发生电流过载时,在测量范围之外,原边电流仍会增加,而且过载电流的持续时间可能很短,而过载值有可能超过传感器的允许值,过载电流值传感器一般测量不出来,但不会对传感器造成损坏。

5 、精度

霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流 I PN 。在 +25 ℃时,传感器测量精度受原边电流影响的曲线如图 3 所示,使用下面公式可计算出精度

其中, K = N S / N P 。

计算精度时必须考虑偏移电流、线性度、温度漂移的影响。

(1). 偏移电流 I SO

偏移电流也叫残余电流或剩余电流,它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的。电流传感器在生产时,在 25 ℃, I P =0 时的情况下,偏移电流已调至最小,但传感器在离开生产线时,都会产生一定大小的偏移电流。产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响。

(2). 线性度

参见图 4 ,线性度决定了传感器输出信号(副边电流 I S )与输入信号(原边电流 I P )在测量范围内成正比的程度, ABB 公司的电流传感器线性度要优于 0.1% 。

(3). 温度漂移

  偏移电流 I SO 是在 25 ℃时计算出来的,当霍尔电极周边环境温度变化时, I SO 会产生变化。因此,考虑偏移电流 I SO 的最大变化是很重要的,这可以通过下式计算

其中, CV ( Catalogue value )是指电流传感器性能表中的温度漂移值,例如:对 CS2000BR 型来说, CV 为 0.5 × 10­­­­­ -4 / ℃,最大温度 T max 为 -40 ℃,额定输出电流为 400mA ,则偏移电流的最大变化。

四、传感器型号、结构和安装方法

ABB 公司的传感器产品说明一般由“传感器产品型号”和“生产日期”两部分构成 [5] 。“传感器产品型号”用于标明传感器的型号、额定测量值、标准型或非标准型。“传感器生产日期”则是由 8 位数字构成,表明传感器的生产年份、日期(一年中的第几日)及传感器序列号。

ABB 公司的传感器产品很多,每种传感器的外形结构、尺寸大小等都有所不同,下面介绍几种典型的外形结构及安装接线方法。

1 、 MP25P1 电流传感器

MP25P1 电流传感器是 ABB 公司中一种量程很小的传感器,所能测量的额定电流为 5 、 6 、 8 、 12 、 25A ,原边管脚的不同接法可确定额定测量电流为多少,参见图 5 。

2 、 ES300C 电流传感器

如 MP25P1 一样,一般传感器都有正极( + )、负极( - )、测量端( M )三个管脚,但 ES300C 则没有此三个管脚,而是有红、黑、绿三根引线,分别对应于正极、负极及测量端。同时在 ES300C 型传感器中有一内孔,测量原边电流时要将导线穿过该内孔。

不管是 MP25P1 还是 ES300C 型等电流传感器,安装时管脚的接线应根据测量情况进行相应连线。

( 1 )在测量交流电时,必须强制使用双极性供电电源。即传感器的正极( + )接供电电源“ +VA ”端,负极接电源的“ -VA ”端,这种接法叫双极性供电电源。同时测量端( M )通过电阻接电源“ 0V ”端。

( 2 )在测量直流电流时,可使用单极性或单相供电电源,即将正极或负极与“ 0V ”端短接,从而形成只有一个电极相接的情况,其接法共有四种(见图 6 和图 7 )。

在传感器产品中,标有“ -N ”标志的表示该传感器没有电源意外倒置防护措施;标有“ -P ”标志的则表示该传感器具有防护措施。图 6 是无保护二极管时的单极性供电电源安装接线方法,图 7 是加有保护措施的传感器的接法。

(3) 具有屏蔽作用的传感器的连接方法

ABB 公司的部分电流传感器具有电磁屏蔽作用,其产品外壳上会多一个“ E ”标志的端口,其连接方式有两种:将屏蔽端和负极( -V A )或零线( 0V )相连,如图 8 所示。

  另外,安装时必须全面考虑产品的用途、型号、量程范围、安装环境等。比如传感器应尽量安装在利于散热的场合;如果环境只适于垂直安装,则必须选择带“ V ”字标志的传感器(如 CS300 BRV )。

五、提高测量精度的方法

除了安装接线、即时标定校准、注意传感器的工作环境外,通过下述方法还可以提高测量精度:

  1 、原边导线应放置于传感器内孔中心,尽可能不要放偏;

  2 、原边导线尽可能完全放满传感器内孔,不要留有空隙;

  3 、需要测量的电流应接近于传感器的标准额定值 I PN ,不要相差太大。如条件所限,手头仅有一个额定值很高的传感器,而欲测量的电流值又低于额定值很多,为了提高测量精度,可以把原边导线多绕几圈,使之接近额定值。例如当用额定值 100A 的传感器去测量 10A 的电流时,为提高精度可将原边导线在传感器的内孔中心绕九圈(一般情况, N P =1 ;在内孔中绕一圈, N P =2 ;……;绕九圈, N P =10 ,则 N P × 10A=100A 与传感器的额定值相等,从而可提高精度);

  4 、当欲测量的电流值为 I PN /5 的时,在 25 ℃仍然可以有较高的精度。

六、传感器的抗干扰性

1 、电磁场

  闭环霍尔效应电流传感器,利用了原边导线的电磁场原理。因此下列因素直接影响传感器是否受外部电磁场干扰。

(1) 传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化;

(2) 外部导线与传感器的距离、外部导线的形状、位置和传感器内霍尔电极的位置;

(3) 安装传感器所使用的材料有无磁性;

(4) 所使用的电流传感器是否屏蔽;

为了尽量减小外部电磁场的干扰,最好按安装指南安装传感器。

2 、电磁兼容性

电磁兼容性 EMC ,( Electro -Magnetic Compatibility )是研究电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态,即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作而又互不干扰,达到“兼容”状态的一门学科 [8] 。空间电磁环境的恶化越来越容易使电子元器件之间因互不兼容而引发系统的误动作,因此电工、电子设备电磁兼容性检测极有必要。由于实际生产、科研及市场推广的迫切需要,采用已通过电磁兼容性检测的电流和电压传感器已形成共识,并已成为一个强制性标准。 ABB 公司的所有电流传感器自 1996 年 1 月 1 日起,均已通过了 EMC 检测。

七、传感器标定

1 、偏移电流 I SO

偏移电流必须在 I P =0 、环境温度 T ≈ 25 ℃的条件下进行校准,按图 9 方法(双极性供电)接线,且测量电压 V M 必须满足:

V M ≦ R M × I SO (5)

2 、精度

在 I P = I PN ( AC or DC )、环境温度 T ≈ 25 ℃、传感器双极性供电、 R M 为实际测量电阻的条件下进行测量,其接线如图 10 所示,并用公式 (3) 计算精度。

3 、保护性测试

ABB 公司的传感器在测量电路短路、测量电路开路、供电电源开路、原边电流过载、电源意外倒置的条件下都可受到保护。对上述各项测试举例如下:

( 1 )测量电路短路

此项测试必须在 I P = I PN 、环境温度 T ≈ 25 ℃、传感器双向供电、 R M 为实际应用中的电阻条件下进行,连接图如图 11 所示,开关 S 应在一分钟之内合上和打开。

( 2 )测量电路开路

此项测试条件为 I P = I PN 、环境温度 T ≈ 25 ℃、传感器双向供电、 R M 是实际应用中的电阻。测试图如图 12 ,开关 S 应在一分钟之内完成闭合 / 打开切换动作。

( 3 )电源意外倒置测试

为防止电源意外倒置而使传感器损坏,在电路中专门加装了保护二极管,此项测试可使用万用表测试二极管两端,测试应在 I P =0 、环境温度 T ≈ 25 ℃、传感器不供电、不连接测量电阻的条件下进行。可使用以下两种方法测试:

第一种:万用表红表笔端接传感器“ M ”端,万用表黑表笔端接传感器“ + ”端;

第二种:万用表红表笔接传感器负极,万用表黑表笔接传感器 M 端;

在测试中,如万用表鸣笛,说明二极管已损坏。

八、传感器应用计算 [5]

根据图 13 ,电流传感器的主要计算公式如下:

N P I P = N S I S ; 计算原边或副边电流

V M = R M I ; 计算测量电压

V S = R S I S ; 计算副边电压

V A = e + V S + V M ; 计算供电电压

其中, e 是二极管内部和晶体管输出的压降,不同型号的传感器有不同的 e 值。这里我们仅以 ES300C 为例,这种传感器的匝数比 N P / N S =1/2000 、标准额定电流值 I PN =300A rms 、供电电压 V A 的范围为± 12V~ ± 20V (± 5% )、副边电阻 R S =30 Ω ,在双极性(± V A )供电,其传感器测量量程 >100A 且无防止供电电源意外倒置的保护二极管的情况下, e =1V 。在上述条件下:

( 1 )给定供电电压 V A ,计算测量电压 V M 和测量电阻 R M :

假设:供电电压 V A = ± 15V

根据上述公式得:

测量电压 V M =9.5V ;

测量电阻 R M =V M /I S =63.33 Ω;

副边电流 I S =0.15A 。

所以当我们选用 63.33 Ω的测量电阻时,在传感器满额度测量时,其输出电流信号为 0.15A ,测量电压为 9.5V 。

( 2 )给定供电电压和测量电阻,计算欲测量的峰值电流;

假设:供电电压 V A = ± 15V ,测量电阻 R M =12 Ω,

则: V M + V S = ( R M + R S )× I S = V A - e =14V

而: R M + R S =12 W +30 W =42 W ,

则最大输出副边电流: A

原边峰值电流: I P max= I S max( N S / N P )=666A

这说明,在上述条件下,传感器所能测量的最大电流即原边峰值电流为 666A 。如果原边电流大于此值,传感器虽测量不出来,但传感器不会被损坏。

( 3 )测量电阻(负载电阻)能影响传感器的测量范围。

测量电阻对传感器测量范围也存在影响,所以我们需要精心选择测量电阻。用下式可计算出测量电阻:

其中, V Amin —扣除误差后的最小供电电压;

e —传感器内部晶体管的电压降;

R S —传感器副边线圈的电阻;

I S max —原边电流 I P 为最大值时的副边电流值。

另外我们可以通过下式确认所选传感器的稳定性。

如果 V A min 不符合上式,则会造成传感器的不稳定。一旦出现这种情况,我们可以有以下三种方法克服:

1 )更换电压更大的供电电源;

2 )减小测量电阻的值;

3 )将传感器更换成 R S 较小的传感器。

例如,某种型号的电流传感器,其标准额定电流 I PN =1000A ,匝数比 N P / N S =1/2000 , e 值为 1.5V ,副边电阻 R S =30 Ω,测量电阻 R M =15 W ,用 15V 电源单极性供电。则 V A =30V (单极性供电是双极性供电的 2 倍), 而:

I S = I P × N P / N S =0.5A

V S = R S × I S =15V

V M = R M × I S =7.5V

=24V<30V

通过以上检验,可知这种传感器在此条件下测量能保证稳定性。它所能测量的原边电流的最大值(即测量范围)

九、结束语

在城市用电设备增多,农村供电设备老化欠修的情况下,城乡各地经常会出现电压不稳、电路短路、过流等现象,结果造成人民生活不便和仪器损毁。在电源技术中使用传感检测功能可以使电源设备更加小型化、智能化和安全可靠。

电源技术发展到今天,已融合了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华,我们有理由相信,在 21 世纪的电源技术中,传感器也将发挥着至关重要的作用,所以对电流传感器的应用和设计开发,传感器工作者应该给予足够重视。 ABB 公司的传感器因其型号多,量程宽(电流 5~6000A ;电压 50~5000V )、高精度、灵敏度高、线性度好、规范、易安装、抗干扰能力强、质量可靠、平均无故障时间 MTBF 长等优点,在各个领域特别是在机车牵引和工业应用领域中值得用户信赖。

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