传感器原理说明及应用

霍尔电流电压传感器变送器模块性能及应用

霍尔电流、电压传感器变送器模块简介：

近年来，新一代功率半导体器件进入电力电子领域后，交流变频调速、逆变装置、开关电源等日渐普及，原有的电流、电压检出元件，已不适应中高频、高出di/dt电流波形的传递和检测。霍尔电流电压传感器模块，是近十几年发展起来的测量控制电流、电压的新一代工业用电量传感器，是弥补这一空缺的高性能电检测元件。

霍尔电流、电压传感器变送器模块的性能：

霍尔电流电压传感器模块有优越的电性能，是一种先进的能隔离主电流回路与电子控制电路的电检测元件，它综合了互感器和分流器的所有优点，克服了互感器和分流器的不足（如：互感器只适用于50Hz工频测量；分流器无法进行隔离检测。）同一只检测元件即可以检测交流也可以检测直流甚至检测瞬态峰值，是替代互感器和分流器的新一代产品。宇波模块的特点如下：

1．宇波模块可以测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量、副边电路忠实反应原边电流的波形。

普通互感器无法与其相比，它一般只适用于50HZ正弦波。

2．精度高在工作区内优于1％，该精度适合于任何波形的测量。

普通互感器一般精度为3％～5％，且只适合于50Hz正弦波形。

3．线性度好：优于0.1％。

4．动态性能好：响应时间小于lμs。

跟踪速度di/dt高于50A/μs。

宇波模块的优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础（无感元

件）

普通互感器响应时间为10~20ms，已不适应工业控制系统发展的需要（感性元件）5．工作频带宽：在0～100KHz频率范围内。

6．字波电流传感器模块尺寸小、重量轻易于安装。在系统中不会带来任何损失。

普通互感器是感性元件，接入后影响被测电流波形。

7．可靠性高、平均无故障工作时间＞5×104小时。

8．过载能力强、测量范围大。

它具有精度高、线性度好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点，因而广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测大电流电压的各领域中。电力电子产品中，对大电流进行精确的检测和控制是产品安全可靠运行的根本保证。宇波模块提供了这个保证，使得霍尔电流电压传感器变送器模块有广泛的应用前景。

霍尔电流、电压传感器变送器模块的原理：

霍尔电流电压传感器、变送器模块是一种新型的电检测元件下面简要介绍一下它的工作原理，霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的，有两种工作方式，即磁平衡式和直测式传感器，由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和放大电路等组成，如图1所示。

l 直测式（开环式CHFT系列）电流传感器：众所周知当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生一强磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，通过磁芯聚集感应到霍尔器件上，使之有一信号输出。这一信号经功率放大器放大后，直接输出，一般额定值标定为4V，此为直测型电流传感器。

l 磁补偿式电流传感器（闭环式CHB系列）：磁补偿式的工作原理是磁场平衡的，即主回路电流I P在聚磁环所产生的磁场，通过一个次级线圈的电流产生的磁场进行补偿，使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态，具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线产生的磁场被聚磁环聚集，感应霍尔器件使之有一个信号输出，这一信号驱动相应的功率管导通，从而获得一补偿电流I S。这一电流通过多匝绕组产生的磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小，当I P 与匝数相乘所产生的磁场与I S与匝数相乘所产生的磁场相等时，I S不再增加，霍尔器件起到指示零磁通的作用。此时可以通过I S来测试I P，当如变化时，平衡受到破坏，霍尔器件就有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡，一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出，经放大后，立即有相应的电流流过次级绕组，对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡所需的时间不到1μs 。

这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等即：N P?I P＋N S?I S＝0。其中，N P为原边匝数，I P为原边电流，I S为次级补偿电流。N P、N S可从使用手册中查到，测得I S的大小即可得知被测电流的大小。

l 霍尔电压传感器（CHV系列）的工作原理与电流传感器相似，也是磁平衡方式工作（略）。l 交流→直流变换器（CHZ系列）：与电流或电压传感器相配合使用的模块，它可把0~1V 的交、直流信号（0－100KHz）转换为4－20mA、0－20mA、l－5V、0－5V的标准直流信号。因为电流电压传感器的输出波形与被测波形完全一致，若用户测量非直流信号，需要传感器输出与仪表、A/D转换、计算机配合使用或需长线传钱，需要标准直流信号时，可将变换器与电流电压传感器配合使用，形成电流或电压变送器（若测量50Hz 信号可与电流电压传感器做为一体）；变送器也可以与压力、温度、流量等传感器配合使用，将它门的输出转换为标准直流信号，形成不同的变送模式。

霍尔电流、电压传感器变送器模块的使用方法：

电流、电压传感器只需外接正负直流电源，被测电流母线从传感器中穿过或接于原边端子，副边端子再做简单连接，即可完成立电路与控制电路的隔离检测，简化了电路设计。若与变送器配合使用，经A/D变换，可方便地与计算机和各种仪表接口，并可以长线传输。

1. 磁补偿式电流传感器（CHB－□□□P、CHB－□□□S系列、LA一□□P系列）

以上三个系列的传感器为磁补偿型电流传感器，输出信号为电流方式，若需要取电压输出方式，用户需在在M端与电源地之间根据所取电压大小外接取样电阻，（手册

中有推荐数值，一般为几十到几百欧姆）。阻值上限由下式决定：

S

S i

CE C

I

I R

V

V

R ?

?

=

max一①

式中：V c为电源电压Vce为晶体管饱和压降

Is为输出电流Ri为传感器内阻

传感器有三个接线端子：①十瑞：正电源输入端；②一端：负电源输入端；③M 端：信号输出瑞。接线方法如图2：

磁补偿型电流传感器接线方法

图2

2. 直测式电流传感器（CHFT－□□□A、CHFT－□□□S、CHFT－□□□A T系列）：

以上三个系列的传感器，输出信号为电压方式，额定值下标准输出±4V的信号，用户可根据需要选取，传感器上有零点和增益调整电位器，用户一般不用再做调整，若有特殊要求，可订做。

l CHFT—A系列对外连接为一只四芯插座，有四个接线端子。见图3.1

①正电源输入端；②负电源输入端；③M端：信号输出端；④公共地。

l CHFT—AS系列为电路板安装方式，有五个接线端子。见图3.2

①正电源输入端；②负电源输入端；③M端：信号输出端；④公共地后空脚。

l CHFT－A T系列对外连接为一只五芯插座，有五个接线端子。见图3.3

①＋M端：信号输出端+4V；②－M端：信号输出瑞-4V；③负电源输入端；

④公共地；⑤正电源输入端；

直测式电流传感器接线方法：

3. 电压传感器（CHV －25P 、CHV －100）

电压传感器有五只接线端子。其中两只为原边端子：被测电压输入端十；被测电压输入端一。另外三只为副边端子：十端：电源+15V ；一端：电源-15V ；M 端：信号输出端。

根据用户所测电压的大小，须将被测电压串接一只电阻R 后再接到传感器原边端子，串接电阻R 由下式决定：

in in

p R I V R ?= 一② 式中： R 为串联电阻；V p 为被测电压；I n 为额定输入电流（一般额定电压下取10mA ）； Rin 为传感器原边内阻。

串接电阻R 的功定确定：W ＝Vp ?Iin －③ 电压传感器的输出端应用与磁补偿型电流传感器相同，见图4

电压传感器接线方法：

图4

4. 变换器（变送器）系列（CHZ4－20MA 、CHZ0－20MA 、CHZ0－10V ）

变换器可以与传感器配合使用，形成不同的变送形式。电流传感器与变换器相接；形成电流变送器；电压传感器与变换器相接，形成电压变送器。变换器也可以单独使用，可以将其他传感器（如压力、温度等）的输出信号相接于变换器，变换成4～20mA 或0～20mA 的标准信号，便于长线传输或与计算机接口相接。接线方法见图5。

图5

电流电压传感器的计算举例

直测式电流传感器输出为电压信号，一般不需计算。

磁补偿式电流传感器的测量范围取决于电源所能提供的副边补偿电流I S 的能力，为说明问题把功率电路简化为图6的形式。

由图6可知：磁补偿式电流传感器的测量范围与电源电压、内阻压降、输出电压有关，内阻出厂时已固定，对用户来说，只与电源电压和取样电阻R m 有关，若需较高的输出电压，R m 相应增加，就需相应提高电源电压，电源能提供补偿电流I S 的能力：

m

i CE MIN SMAX R R V V I =?= ④ 确定测量范围时，还应考虑到所选元件和材料的耗散功率，以免发热损坏或影响测量精度。宇波模块的工作区如图7所示：

图7

1． 电流传感器模块设计计算举例：以CHB －300S 为例：

用户要求特性：额定电压I P =±300A 有效值，连续工作；电流峰值 I Pmax =±600A ， 2分钟／小时；电源电压V=±15V （±5％）；

当用户在测量端得到6V 电压，确定测量参数。

（1）确定测量电阻R m

已知：手册中可以查到匝比为N P :N S =1:2000

I S =I P ×（1/2000）=0.3A

?===203.06A

V I V R S m m 取样电阻R m 的精度应比用户要求的精度高一个数量级，功率应比实际耗散功率高出一倍（或适当留有余量）。

（2）可达到的最大测量电流I Pmax ：

A V V R R V V I m i CE MIN SMAX 275.020305.025.14=?

+??=+?= I pmax =I smax ×N s =0.275×2000＝550A

这样，用户所具备的现有条件，测到600A 峰值是不可能的，原因是测量电阻取值太高，电源不能提供所需的补偿电流所致，为达到要求，有两种方法：

①提高电源电压提高到±18V ，再重新计算。

②降低输出电压V m ，在保持电源为±15V 时测量600A 的峰值电流最大可取的R m 为：

?=??=

83.15min max s

s i ce I I R V V R ，建议当测量电流为600A 时，R m 仅取4.5V 。 理想测量状态：R m =20?，V Pmax =6V ，V=±18V 。 2． 电压传感器模块的设计计算举例：以CHV －100为例。

在测量电压时，在传感器原边电路必须先串接一只电阻R 以得到额定值时原边电流为10mA ，然后再并接到被测电压，如图4。

用户要求的特性：额定电压VP=±1000V 有效值，连续工作；电压最大峰值V pmax =±2000V ，2分钟／小时；电源电压V=±15V （±5％），当V P =±2000V 时得到4V 的输出电压。

确定测量参数：

（1）确定原边串联电阻R ：

?==+=K I V R R R p

p in 100总 其中：R in =1.8K ?（手册中可以查到）

所以：R ＝98.2K ?

R 的额定功率 Pr=100K ?（100mA ）2=10W ，选用时应留有一定余量，并由最大测量电压时的工作时间决定。

R 的精度通常要比用户要求测量精度高一个数量级

（2）确定测量电阻R m ：

手册中可以查到匝比为 N P :N S =10000:2000

mA mA N N I I S P P S 502000

1000010=×=×

= ?===80504mA V I V R S S m 取样电阻R m 的精度应比用户要求的精度高一个数量级，功率应比实际耗散功率高出一倍（或适当留有余量）

（3）可达到的最大测量电压V Pmax ：

()A R R V V I in m ce s 0982.060

805.0%5115min max =+??×=+?= 可测量原边电流的最大值为I Pmax ： A N N I I P S s P 01964.01000020000982.0max max =×=×

= V pmax ＝I pmax ×R=1964

由以上计算可知，用户要求的特性基本可以满足。

霍尔电流、电压传感器变送器模块的应用举例：

随着电力电子技术的发展，现有检出和测量电流的元件（如分流器、互感器）已不能

满足中、高频，高di/dt ，宽频谱电流波形的传递，电流传感器是弥补这一空缺的主要电流检测元件。

霍尔电流、电压传感器用来测量直流、交流和脉动电流、电压以及利用这些测量值进行显示、控制的系统均可使用。例如：在电力机车、地下铁道、无轨电车、铁路等许多领域得到应用，并且在变换器，逆变器，整流器、变频调速器和逆变焊机上得到广泛应用，电力电子电路中的电流往往有很大的di/dt ，非正弦，直流成分等，要真实地检测出这种电流波形，霍尔元件是目前最适当的元件，利用霍尔电流传感器工作频带宽的特点，可用于检测非正弦电源供谐波分析，峰值测量等。

例1．在电压型逆变器中，由于换相失败很容易使一相中上下两个桥臂中的半导体器件因过电流而损坏，如上下桥臂采用IGBT 模块时，要求短路电流保护在短路检出后10μs 内切断门驱动电路，这还包括电路的传输时间，所以，这种逆变器必须采用快速过电流保护装置，可以用霍尔电流传感器检测每个桥臂中的电流，若因换相失败造成上下桥臂同时导电，则相应的两个传感器同时检出电流信号，经与基准电压比较转换成方波后，通过门电路控制封锁所有的逆变触发脉冲，切断短路途径。这种方法的优点是：首先，只要上下桥臂同时存在极小的电流，超过基准值后，保护电路立即动作，因为保护早、功率模块不会经受过大电流冲击；其次，保护动作速度快，因为霍尔电流传感器是无感元件，在功率模块关断时，它不会产生过电压，所以逆变电路的设计和吸收电路的设计不必考虑传感器的接入，简化了设计过程，提高效率，见图8。

例2．霍尔电流传感器在直流检测中同样具有电隔离，因而扩展了它的应用范围，在输出直流的电力电子设备中，可以利用霍尔电流传感器测得与生电路隔离的直流测量信号，通过电子控制电路用于直流测过流、短路路保护和显示等，还可用于电流反馈，稳流调节等作用。例如：电流传感器在逆变焊机中的应用见图9

例3．用于变频调速装置，第一个电流传感器模块接入整流滤波后的直流回路，当检测出主回路中出现异常尖峰时，或有效值超出标准时，迅速切断逆变触发电路触发脉冲，保护逆变和整流模块，另外三个传感器接入逆变器的输出回路中，用来检测随频率变化的交流电流，可以更好地控制转矩，也提供了防止电机过载所需要的信号。见图8。

例4．随着电力电子设备单机容量的提高，设备从电网中吸取的电流谐波增大，可用霍尔传感器检测交流进线电流中的谐波，利用脉冲宽度调制控制（PWM ），以改善电力电子设备输入或输出电流波形的技术已得到广泛应用要分析轻微的电流波形畸变，目前，唯有使用高保真度霍尔电流传感器。

用于变频调速生回路信号检测，为传感器模块

图8

①电压传感器用于检测母线直流电压

②电流传感器用于检测母线直流电流

③检测输出电流波形

④检测上下两桥臂中的电流差

为电流传感器模块

图9

霍尔电流、电压传感器变送器模块的应用举例：

l 传感器在使用时，应先接通到边电源再接通原边电流或电压。

l 用户在选用传感器时，要根据测量范围、精度、反应时间及接线方式等，选择不

同型号和档次的电流电压传感器变送货模块。

l 测量电流时，最好使用单根导线充满字波模块孔径，以便得到最佳的动态特性和

灵敏度。

l 测量电压时，被测电压应先串接限流电阻，得到传感器所规定的原边电流后，再

接入电压传感器原边端子。

l 宇波模块的最佳精度是在额定值下测得的，当被测电流低于额定值时，为得到最

佳精度，原边可使用多匝即：I P N P =额定安匝数。