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霍爾傳感器在發(fā)電機(jī)功率測量系統(tǒng)中的應(yīng)用

更新時(shí)間:2020-12-09 點(diǎn)擊次數(shù): 1501次

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

摘要:文章分析了霍爾元件測量發(fā)電機(jī)輸出功率的原理,并根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)霍爾元件測量交流電源功率的電路,通過理論計(jì)算確定所用元件參數(shù)(交流電源、交流磁場源電路設(shè)計(jì))。根據(jù)軟硬件的設(shè)計(jì),做出了個(gè)簡單的測量裝置。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理以及誤差分析,驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性。

 

關(guān)鍵詞:霍爾元件;發(fā)電機(jī);輸出功率;交流磁場源

 

0引言

霍爾電流、電壓傳感器是近十幾年發(fā)展起來的測量電流、電壓的新代工業(yè)用電量傳感器,是種新型的高性能電氣檢測元件。電網(wǎng)中,越來越多的負(fù)載采用電源變換器供電,用普通的功率計(jì)測量這類電能有點(diǎn)困難。例如發(fā)電機(jī)運(yùn)行用的頻率變換器就是把直流電壓變換成頻率自由選擇的交流電壓。根據(jù)電機(jī)的頻率周期的變化,重復(fù)頻率可以高達(dá)20kHz,脈沖寬度在l~5O微秒范圍內(nèi)。雖然電機(jī)的電流是連續(xù)的,但是由于電機(jī)是感性負(fù)載,故電機(jī)的電壓是由許多高頻脈沖電壓組成的IS]。因此用普通的功率計(jì)不能測量脈寬調(diào)制的高頻脈沖電壓的有效值,采用霍爾效應(yīng)元件的電流測量法。因?yàn)槲挥诳刂苽?cè)的霍爾效應(yīng)元件具有把兩個(gè)高頻脈沖電量相乘的功能,只要再配上定的放大器電路就能把結(jié)果顯示出來日。

 

1基本原理

 

圖1系統(tǒng)基本組成框圖

圖1為霍爾式發(fā)電機(jī)功率測量系統(tǒng)基本原理框圖。螺線管產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為:

B=KbIL                         (1)

霍爾元件的輸出電壓為:

UH=KHIeB                       (2)

把(1)式代(2)式得:

UH=KbKHILIeB                    (3)

電機(jī)兩端電壓為:

UL=KLIe                        (4)

:Ie=UL/RL                      (5)

將(5)式代人(3)式得:

UH=Kb/RLULILB                     (6)

由(6)式得出:霍爾元件測得的輸出電壓UH與電機(jī)輸出的功率ULIL成線性關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載消耗功率的測量。那么在正弦交流電路中,電壓電流相量分別為UL,IL,它們之間相位差為φ,則:

Ie=KbUlmsinwt                     (7)

在負(fù)載上的電流為:

ilm=ILMsin(wt+f)                  (8)

其則在線圈上產(chǎn)生的垂直于霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度B可表示為:

B=K1ILMsin(wt+f)                  (9)

代入式(2)得:

UH=KUlmILMcosφ-KUlmILMcos(2wt+φ)非(10)

對上式求其平均值,得:

UH=KUlmILMcosφ=KP                 (11)

其中,K=KHKLKB,P=UIcosf為功率。因此只要測出了UH就可以計(jì)算出負(fù)載功率P。以上介紹的為相的功率測量方法,對于三相電路,只需用三個(gè)和圖l相同的電路進(jìn)行分別測量,然后求三個(gè)測量值的和即可。

 

2測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)的功率測量系統(tǒng)主要以霍爾轉(zhuǎn)換器和AT89S51為核心將電路中的電壓電流乘積即電路消耗的電功率轉(zhuǎn)化為霍爾元件的電勢形式,通過測量霍爾元件的霍爾電勢得到電路的電功率值,經(jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換等電路處理后,經(jīng)單片機(jī)AT89551根據(jù)不同時(shí)段價(jià)格計(jì)算出所用電量并送到LCD上顯示。系統(tǒng)包括霍爾元件傳感器裝置、微處理器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路等。

 

圖2霍爾式發(fā)電機(jī)功率測量系統(tǒng)硬件框圖

單片機(jī)AT89C51在整個(gè)系統(tǒng)中將采集的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入I/0口存儲,通過對采集的數(shù)字信號進(jìn)行計(jì)算出功率,并將結(jié)果送到LCD模塊顯示。單片機(jī)系統(tǒng)如圖3所示。

 

圖3單片機(jī)AT89C51系統(tǒng)

 

圖4二階有源低通濾波器

信號調(diào)理電路由前置放大電路、低通濾波器、階同相放大器組成,如圖4、5所示。圖6為LCD顯示電路,液晶顯示模塊采用EPSON點(diǎn)陣式EA—D20040模塊。圖7所示為A/D轉(zhuǎn)換電路,文章采用美信ICL7135轉(zhuǎn)換器芯片。

 

圖5階同相放大器

 

圖6EA—D20040與AT89S51接口電路

 

圖7A/D轉(zhuǎn)換電路

 

3安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型

3.1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)雜信號的隔離轉(zhuǎn)換,通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號能夠直接被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,電流測量范圍寬精度高,過載能力強(qiáng),線性好,抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器,UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。

 

3.2產(chǎn)品選型

3.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

型號

額定電流

供電電源

額定輸出

測量孔徑(mm)

準(zhǔn)確度

AHKC-EKA

0~(20-500)A

±15V

5V

φ20

1級

AHKC-EKAA

DC0~(50-500)A

12V/24V

4~20mA

φ20

1級

AHKC-EKDA

AC0~(50-500)A

12V/24V

4~20mA

φ20

1級

AHKC-EKB

0~(50-1000)A

±15V

5V

φ40

1級

AHKC-EKBA

DC0~(50-1000)A

12V/24V

4~20mA

φ40

1級

AHKC-EKBDA

AC0~(50~1000)A

12V/24V

4~20mA

φ40

1級

AHKC-EKC

0~(50-1500)A

±15V

5V

φ60

1級

AHKC-EKCA

DC0~(50-1500)A

12V/24V

4~20mA

φ20

1級

AHKC-EKCDA

AC0~(50-1500)A

12V/24V

4~20mA

φ20

1級

AHKC-K

0~(400-2000)A

±15V

5V

64×16

1級

AHKC-KAA

DC0~(400-2000)A

12V/24V

4~20mA

64×16

1級

AHKC-KDA

AC0~(400-2000)A

12V/24V

4~20mA

64×16

1級

AHKC-H

0~(500-3000)A

±15V

5V

82×32

1級

AHKC-KA

0~(500-5000)A

±15V

5V

104×36

1級

AHKC-HB

0~(2000-20000)A

±15V

5V

132×52

1級

AHKC-HBAA

DC0~(2000-20000)A

12V/24V

4~20mA

132×52

1級

AHKC-HBDA

AC0~(2000-20000)A

12V/24V

4~20mA

132×52

1級

表1

 

3.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器

型號

額定電流

供電電源

額定輸出

測量孔徑(mm)

準(zhǔn)確度

AHKC-E

0~(20-500)A

±15V

4V/5V

φ20

1級

AHKC-LT

0~(100-800)A

±15V

4V/5V

φ32.5

1級

AHKC-EA

0~(200-2000)A

±15V

4V/5V

Φ40

1級

AHKC-EB

0~(200-2000)A

±15V

4V/5V

Φ60

1級

AHKC-BS

0~(20-500)A

±15V

4V/5V

20.5*10.5

1級

AHKC-BSA

DC0~(50-500)A

12V/15V/24V

4~20mA

20.5*10.5

1級

AHKC-C

DC0~(100-800)A

±15V

4V/5V

31*13

1級

AHKC-F

0~(200-1000)A

±15V

4V/5V

43*13

1級

AHKC-FA

0~(200-1500)A

±15V

4V/5V

52*15

1級

AHKC-HAT

0~(400-2000)A

±15V

4V/5V

52*32

1級

表2

 

3.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

型號

額定電流

供電電源

額定輸出

測量孔徑(mm)

準(zhǔn)確度

AHBC-LTA

0~(100~300)A

±15V

50mA/100mA

φ20

0.5級

AHBC-LT1005

0~1000A

±15V

200mA

/

0.5級

AHBC-LF

0~2000A

±15V

400mA

/

0.5級

表3

3.2.4直流漏電流傳感器

型號

額定電流

供電電源

額定輸出

測量孔徑(mm)

準(zhǔn)確度

AHLC-LTA

DC0~(10mA~2A)

±15V

5V

φ20

1級

AHLC-EA

DC0~(10mA~2A)

±15V

5V

φ40

1級

AHLC-EB

DC0~(10mA~2A)

±15V

5V

φ60

1級

表4

 

4結(jié)束語

文章介紹的功率測量電路可用于測量變換器供電電機(jī)的功率消耗。由于這類工作電壓不是正弦波,而是脈寬調(diào)制的高頻矩形脈沖,所以這種電路適用于脈寬為1微秒的電壓,或者說脈沖重復(fù)頻率是500kHz。電壓的波形無關(guān)緊要,只要它的諧波低于2.5MHz。由于感應(yīng)電流的存在,電流的頻率不是很高,而且應(yīng)該是正弦的。當(dāng)電流頻率高于IkHz時(shí),本設(shè)計(jì)選用的測量傳感器仍可以正常工作。由于它的峰值電流為33A,測量電壓可以高達(dá)350V(峰峰值),所以可以測量測量的功率高達(dá)2900W。當(dāng)用于三相電源時(shí),這個(gè)值相當(dāng)于電機(jī)的功率為5O00w向。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理以及誤差分析,驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性。

 

【參考文獻(xiàn)】

  • 郭東棟.智能功率測量儀的設(shè)計(jì)[J].電子測試,2007(9)

[2] 黃穎輝.基于霍爾傳感器的發(fā)電機(jī)功率測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

 

作者簡介:劉細(xì)鳳,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事隔離式柵研究發(fā)展

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