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淺談霍爾傳感器在地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)中的選型與應(yīng)用

更新時(shí)間：2021-05-21點(diǎn)擊次數(shù)：1492次

摘要：文中簡(jiǎn)單介紹了地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)，以及基于霍爾效應(yīng)的霍爾電流傳感器與霍爾電壓傳感器的工作原理，確認(rèn)了霍爾傳感器在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了霍爾傳感器在電力監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電力監(jiān)控系統(tǒng)；霍爾效應(yīng)；閉環(huán)；電流傳感器；電壓傳感器

1電力監(jiān)控系統(tǒng)概述

隨著我城鎮(zhèn)化進(jìn)展與城市交通的日益擁擠，地鐵交通已然成為現(xiàn)代城市的重要交通工具。近年來(lái)我加快發(fā)展地鐵交通建設(shè)步伐。當(dāng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在地鐵交通中得以廣泛的運(yùn)用，該系統(tǒng)包括電力監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等。電力監(jiān)控系統(tǒng)是地鐵交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的個(gè)重要部分，其主要是對(duì)地鐵交通接觸網(wǎng)上的各種設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過(guò)對(duì)各種電量參數(shù)的測(cè)量、比較與運(yùn)算，實(shí)時(shí)反饋上報(bào)至系統(tǒng)，以供系統(tǒng)根據(jù)反饋信息處理各類(lèi)事故及報(bào)警事件。電力監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖１所示。

圖1電力監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

電力監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)和測(cè)量的電量參數(shù)主要為各個(gè)主要回路的電流與電壓。傳統(tǒng)電流測(cè)量是通過(guò)檢測(cè)電阻將電流轉(zhuǎn)成電壓，該方式存在兩個(gè)問(wèn)題：在大電流檢測(cè)時(shí)檢測(cè)電阻消耗能量，降低效率；檢測(cè)電流與輸出電壓不隔離。傳統(tǒng)電壓檢測(cè)也存在檢測(cè)電壓與輸出電壓非隔離的問(wèn)題?；魻栃蛡鞲衅饔捎诰哂休^小的體積、低噪聲、低功耗、良好的隔離效果等點(diǎn)，已在電流和電壓測(cè)量方面受到廣泛的應(yīng)用。

2霍爾傳感器簡(jiǎn)介

2.1霍爾效應(yīng)

如圖2所示，將塊長(zhǎng)度為Ｌ、寬度為Ｗ的半導(dǎo)體薄片，垂直放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為Ｂ的磁場(chǎng)中，通過(guò)外部施加電壓使得薄片橫向的通電電流為I。

圖2霍爾效應(yīng)和霍爾電壓

當(dāng)電流I流經(jīng)霍爾片時(shí)，由洛倫茲定理可知，霍爾片中的載流子會(huì)分別向霍爾片上下兩側(cè)偏轉(zhuǎn)聚集，從而形成霍爾電場(chǎng)。當(dāng)霍爾電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力和洛侖茲力相等時(shí)，霍爾片兩側(cè)建立起個(gè)穩(wěn)定的電壓，即霍爾電壓ＵＨ，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，該薄片稱(chēng)為霍爾片。霍爾電壓ＵＨ可以表示為：

ＵＨ=（ＲＨ/ｄ）IB (1)

式中，ＲＨ為霍爾系數(shù)，由霍爾片材料的性質(zhì)決定；ｄ為霍爾片的厚度；ＲＨ/ｄ稱(chēng)為靈敏度，其值越大，則該霍爾片就越靈敏。由式（1）可見(jiàn)霍爾電壓ＵＨ與控制電流I及磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ成正比。若通過(guò)外圍電路給霍爾片施加恒定電流I，且使磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ與產(chǎn)生該磁場(chǎng)的被測(cè)電流呈正比，則可利用此原理制成霍爾電流傳感器；仍固定電流I，若使得Ｂ與產(chǎn)生該磁場(chǎng)的被測(cè)電壓呈正比。

霍爾電流、電壓傳感器的測(cè)量均屬于間接測(cè)量，可對(duì)直流或交流的電流和電壓進(jìn)行測(cè)量，且可以做到輸入輸出隔離。根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為開(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式兩種。

2.2開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器

如圖３所示，當(dāng)電流IＰ流經(jīng)穿過(guò)磁環(huán)的長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)周?chē)鷮a(chǎn)生與電流IＰ成正比的磁場(chǎng)，磁力線(xiàn)方向可用右手定則判定。開(kāi)口磁環(huán)氣隙中的霍爾元件可以檢測(cè)垂直穿過(guò)的磁場(chǎng)強(qiáng)度并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)放大處理后輸出電壓ＵＳ，ＵＳ可以精確的反映電流IＰ的大小。

圖3開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器

2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

如圖４所示，閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理如下：當(dāng)電流IＰ流經(jīng)穿過(guò)磁環(huán)的長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，磁環(huán)氣隙中的霍爾器件會(huì)感應(yīng)到導(dǎo)線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)并輸出為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大輸出后用于驅(qū)動(dòng)晶體管并使其輸出個(gè)電流IＳ。電流IＳ通過(guò)開(kāi)口磁環(huán)的副邊多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)改變?cè)摱嘣牙@組的繞向使得該磁場(chǎng)與原邊被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性相反，因而對(duì)原邊電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)補(bǔ)償電流IＳ與次級(jí)繞組匝數(shù)NＳ的乘積等于原邊導(dǎo)線(xiàn)電流IＰ與原邊匝數(shù)NＰ乘積相等時(shí)（本例中NＰ＝１），磁場(chǎng)達(dá)到平衡，補(bǔ)償電流IＳ即穩(wěn)定，此時(shí)可以通過(guò)測(cè)量IＳ來(lái)計(jì)算IＰ。根據(jù)安匝平衡即有：

圖4閉環(huán)霍爾電流傳感器

當(dāng)IＰ發(fā)生任何變化時(shí)，上述磁場(chǎng)平衡或者安匝平衡即受到破壞，霍爾器件即有信號(hào)輸出，則會(huì)有相應(yīng)的補(bǔ)償電流流經(jīng)副邊多匝繞組對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，即重復(fù)上述過(guò)程重新達(dá)到平衡。從失衡到再次平衡，這樣個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，理論上所需的時(shí)間不到1μｓ。因此對(duì)于閉環(huán)式霍爾電流傳感器來(lái)說(shuō)，次級(jí)的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時(shí)間都與初級(jí)被測(cè)電流的安匝數(shù)相等。因此閉環(huán)電流傳感器又被稱(chēng)為磁平衡式電流傳感器或補(bǔ)償式傳感器。

2.4 閉環(huán)霍爾電壓傳感器

如圖５所示，當(dāng)原邊被測(cè)電壓Ｕp通過(guò)限流電阻Ｒi產(chǎn)生的電流Ｉp流過(guò)原邊線(xiàn)圈時(shí)，磁環(huán)氣隙中的霍爾器件通過(guò)感應(yīng)磁環(huán)中的磁場(chǎng)并輸出為電壓信號(hào)，其工作原理與閉環(huán)式霍爾電流傳感器相同，也是以磁平衡方式工作的。

圖5閉環(huán)霍爾電壓傳感器

3 霍爾傳感器在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

通過(guò)上文關(guān)于霍爾電流傳感器和電壓傳感器工作原理的介紹，可以明確地認(rèn)識(shí)到霍爾傳感器在地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)與測(cè)量過(guò)程中具有廣泛的應(yīng)用。

霍爾電流和電壓傳感器可以應(yīng)用在電力監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)與各個(gè)子系統(tǒng)，如圖１所示。

4應(yīng)用過(guò)程中需要注意的問(wèn)題

(1)應(yīng)根據(jù)被測(cè)電流的大小合理選擇導(dǎo)線(xiàn)或者匯流條，然后選擇合適孔徑的電流傳感器，匯流條盡量充滿(mǎn)傳感器孔徑或處于孔徑的中心位置。

(2)傳感器的供電電壓有+5V 或±15V 等，測(cè)試時(shí)應(yīng)先打開(kāi)供電電源，再打開(kāi)測(cè)試電源。關(guān)機(jī)時(shí)應(yīng)先關(guān)閉被測(cè)電源，再關(guān)閉供電電源，對(duì)傳感器進(jìn)行消磁處理。

(3)霍爾傳感器應(yīng)盡量安裝在遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)位置的區(qū)域，如應(yīng)與變壓器、大電感、大電流匯流條等保持距離。

(4)使用霍爾電壓傳感器時(shí)應(yīng)注意限流電阻的耐壓及功耗，避免電阻受到超限應(yīng)力而損壞。

5安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型

5.1產(chǎn)品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過(guò)霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時(shí)間快，電流測(cè)量范圍寬精度高，過(guò)載能力強(qiáng)，線(xiàn)性好，抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)采集和反饋控制。

5.2產(chǎn)品選型

5.2.1開(kāi)口式開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器

表1

5.2.2閉口式開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器

表2

5.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

表3

5.2.4直流漏電流傳感器

表4

6結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了霍爾電流、電壓傳感器的工作原理，對(duì)霍爾傳感器在地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并提示了在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題。可以明確地認(rèn)識(shí)到霍爾傳感器在地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)與測(cè)量過(guò)程中具有廣泛的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張夏夏．地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：華東交通大學(xué)，2012．

[2]王威,魏曉娟.霍爾傳感器在地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2020.06版

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