閉環霍爾電流傳感器在變頻器中的設計應用

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，分析了閉環式霍爾電流傳感器的工作原理及其主要特點產品特點與選型，研究分析了霍爾電流傳感器在變頻器中的典型應用以及變頻器中的典型電流檢測電路，淺談其在變頻器中的典型應用。

關鍵詞：閉環霍爾電流傳感器；工作原理；變頻器應用

1.引言
  隨著現代工業技術的不斷發展，電流檢測廣泛地應用到工業控制領域，工業控制對電流檢測的精度和響應速度的要求較高，同時希望與被檢測的對象實現*隔離，霍爾電流傳感器很好地 解決了這些問題。霍爾電流傳感器以其優良的性能和精巧的結構，已經成為工業控制領域中電流隔離測量的解決方案，并且被廣泛應用于驅動器、變頻器、電機繞組和高頻大電流測量等場合中。

2. 工作原理
  霍爾電流傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。它有兩種工作方式，即開環（直放式）和閉環（磁平衡式）。直放式霍爾傳感器的優點是電路形式簡單，成本相對較低；其缺點是精度、線性度較差，響應時間較慢，溫度漂移較大。為了克服它的不足，出現了閉環（磁平衡式）霍爾電流傳感器。
  閉環式霍爾電流傳感器又稱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、霍爾元件次級線圈、放大器等組成。當原邊電流IP產生的磁通通過高品質磁芯集中在磁路中，霍爾元件固定在氣隙中檢測磁通，通過繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補償電流，用于抵消原邊IP產生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零。經過特殊電路的處理，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. 產品介紹
3.1產品選型
  閉環霍爾電流傳感器具有響應時間短、工作頻率高、過載能力強、高隔離度等眾多優點。一般情況下，根據輸入信號、外形、內孔尺寸來選擇霍爾電流傳感器。在傳感器行業內，江蘇安科瑞霍爾電流傳感器嚴格按照JB/T 7490-2007《霍爾電流互感器行業標準》規定的各項要求，相對于同行采用插針式接線不同，一律采用綠色可插拔端子，現場接線方便、可靠。常見的品牌產品如圖2。

圖2

3.2產品外形
型號：AHBC-LTA

圖3
 

3.3技術指標
  響應時間：≤1us
  頻寬：100kHz
  失調電流：0.1mA
  工作溫度：-25～70℃
  存儲溫度：-40～80℃
  輸出負載：根據不同輔助電源、輸入信號、輸出信號而定
  輸入過載能力：輸入量程值2倍可恢復正常工作
  耐壓：3.5kV/50Hz/1min

4. 應用
4.1  傳感器應用在變頻調速回路

圖4   變頻調速回路  Y為霍爾電流傳感器
 

  圖4中①用于檢測母線的直流電流，當檢測出主回路中出現異常脈沖，或有效值超出標準時，迅速切斷逆變觸發電路的觸發脈沖，保護逆變和整流模塊；
  圖4中②用于檢測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模塊因過流而損壞，此時要求短路電流保護在短路檢出后10us內切斷門驅動電路，這種逆變器必須采用快速過電流保護裝置，可以用霍爾電流傳感器檢測每個橋臂中的電流，若因換相失敗造成上下橋臂同時導電，則相應的兩個傳感器同時檢出電流信號，經與基準電壓比較轉換成方波后，通過門電路控制封鎖所有的逆變觸發脈沖，切斷短路途徑，保護昂貴的IBGT模塊；
  圖4中③用于檢測輸出電流的波形,接入逆變器的輸出回路中，用來檢測隨頻率變化的交流電流，可以更好地控制觸發脈沖，也可以提供用電設備的過載信號

4.2 使用注意事項
  4.2.1 為了得到較好的動態特性和靈敏度，必須注意原邊線圈和副邊線圈的耦合，要耦合得好，可用單根導線且導線*填滿霍爾傳感器模塊孔徑；
  4.2.2 使用中當大的直流電流流過傳感器原邊線圈，且次級電路沒有接通電源|穩壓器或副邊開路，則其磁路被磁化，而產生剩磁，影響測量精度（故使用時要先接通電源和測量端M），發生這種情況時，要先進行退磁處理。其方法是次邊電路不加電源，而在原邊線圈中通過同樣等級大小的交流電流并逐漸減小其值；
  4.2.3在大多數場合，霍爾傳感器都具有很強的抗外磁場干擾能力，一般在距離模塊5-10cm之間存在一個兩倍于工作電流Ip的電流所產生的磁場干擾是可以忽略的，但當有更強的磁場干擾時，要采取適當的措施來解決。通常方法有：
  ① 調整模塊方向，使外磁場對模塊的影響小；
  ② 在模塊上加罩一個抗磁場的金屬屏蔽罩；
  ③ 選用帶雙霍爾元件或多霍爾元件的模塊；
  ④ 測量的精度是在額定值下得到的，當被測電流遠低于額定值時，要獲得精度，原邊可使用多匝，即：IpNp=額定安匝數。另外，原邊饋線溫度不應超過８０℃。

5. 結束語
  霍爾電流傳感器優點眾多，通過對大電流進行精確 的檢測和控制，保證 了變頻器產品安全可靠的運行，使變頻器在正常輸出的同時，能對異常狀況及時處理，提升了變頻器 的可靠性，提高了變頻器的安全品質。所以霍爾電流傳感器在變頻器里的優勢越來越明顯，已成為變頻器行業中*的一部分。

【參考文獻】
  [1]安科瑞企業微電網設計與應用手冊 2019.11版
  [2]謝文和.傳感器及其應用[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用