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ABB電流傳感器的應(yīng)用
,、前言
伴隨著城市人口和建設(shè)規(guī)模的擴大,,用電設(shè)備的增多,,用電量越來越大,,城市的供電設(shè)備經(jīng)常負(fù)荷運轉(zhuǎn),,用電環(huán)境變得越來越惡劣,,對電源的“考驗”越來越嚴(yán)重,。據(jù)統(tǒng)計,每天,,用電設(shè)備都要遭受120次左右的電源問題的侵?jǐn)_,,電子設(shè)備故障的6來自電源[7],。因此,電源問題的重要日益凸顯出來,。原先作為配角,,資金投入較少的電源越來越受到廠商和研究人員的重視,電源遂發(fā)展成為門嶄新的,。
而今,,小小的電源設(shè)備已經(jīng)融合了越來越多的新。例如開關(guān)電源,、硬開關(guān),、軟開關(guān)、參數(shù)穩(wěn)壓,、線反饋穩(wěn)壓,、磁放大器、數(shù)控調(diào)壓,、PWM,、SPWM、電磁兼容等等,。實際需求直接推動電源不斷發(fā)展和進步,,為了自動和顯示電流,并在過流,、過壓等危害情況發(fā)生時具有自動保護功能和的智能,,具有傳感、傳感采樣,、傳感保護的電源漸成趨勢,,電流或電壓的傳感器便應(yīng)運而生并在我國開始受到廣大電源設(shè)計者的青睞,本文主要介紹ABB公司的電流傳感器,。
二,、電流傳感器的工作原理[1]
ABB公司的電流傳感器可以測量類型的電流,從直流電到幾十千赫茲的交流電,,其所依據(jù)的工作原理主要是霍爾效應(yīng),,如圖1所示。
當(dāng)原邊導(dǎo)線經(jīng)過電流傳感器時,,原邊電流IP會產(chǎn)生磁力線①,,原邊磁力線集中在磁芯②周圍,內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電③可產(chǎn)生和原邊磁力線①成正比的大小幾毫伏的電壓,,電子電路④可把這個微小的信號轉(zhuǎn)變成副邊電流IS⑤,,并存在以下關(guān)系式
其中,IS—副邊電流;
IP—原邊電流,;
NP—原邊線圈匝數(shù),;
NS—副邊線圈匝數(shù);
NP/NS—匝數(shù)比,,般取NP=1,。
電流傳感器的輸出信號是副邊電流IS,它與輸入信號(原邊電流IP)成正比,,IS般很小,,只有100~400MA。如果輸出電流經(jīng)過測量電阻RM,,則可以得到個與原邊電流成正比的大小為幾伏的輸出電壓信號,。
三、電流傳感器主要特參數(shù)[1][2][3][4]
1,、額定值IPN和額定輸出電流ISN
IPN指電流傳感器所能測試的額定值,,用值表示(A.r.m.s),IPN的大小與傳感器產(chǎn)品的型號有關(guān),。
ISN指電流傳感器額定輸出電流,,般為100~400MA,某些型號可能會有所不同,。
2,、傳感器供電電壓VA
VA指電流傳感器的供電電壓,它必須在傳感器所規(guī)定的范圍內(nèi),。過此范圍,,傳感器不能正常工作或降低,另外,,傳感器的供電電壓VA又分為正供電電壓VA+和負(fù)供電電壓VA-,。
3、測量范圍Ipmax
測量范圍指電流傳感器可測量的zui大電流值,,測量范圍般于額定值IPN,。測量范圍可用下式計算
要注意單相供電的傳感器,其供電電壓VAmin是雙相供電電壓VAmin的2倍,,所以其測量范圍要于雙相供電的傳感器。
4,、過載
電流傳感器的過載能力參見圖2,。發(fā)生電流過載時,在測量范圍之外,,原邊電流仍會增加,,而且過載電流的持續(xù)時間可能很短,而過載值有可能過傳感器的允許值,過載電流值傳感器般測量不出來,,但不會對傳感器造成損壞,。
5、
霍爾效應(yīng)傳感器的取決于額定電流IPN,。在+25℃時,,傳感器測量受原邊電流影響的曲線如圖3所示,使用下面公式可計算出
其中,,K=NS/NP,。
計算時必須考慮偏移電流、線度,、溫度漂移的影響,。
(1).偏移電流ISO
偏移電流也叫殘余電流或剩余電流,它主要是由霍爾元件或電子電路中運算放大器工作狀態(tài)不穩(wěn)造成的,。電流傳感器在生產(chǎn)時,,在25℃,IP=0時的情況下,,偏移電流已調(diào)至zui小,,但傳感器在離開生產(chǎn)線時,都會產(chǎn)生大小的偏移電流,。產(chǎn)品文檔中提到的已考慮了偏移電流增加的影響,。
(2).線度
參見圖4,線度決定了傳感器輸出信號(副邊電流IS)與輸入信號(原邊電流IP)在測量范圍內(nèi)成正比的程度,,ABB公司的電流傳感器線度要優(yōu)于0.1%,。
(3).溫度漂移
偏移電流ISO是在25℃時計算出來的,當(dāng)霍爾電周邊環(huán)境溫度變化時,,ISO會產(chǎn)生變化,。因此,考慮偏移電流ISO的zui大變化是很重要的,,這可以通過下式計算
其中,,CV(CatalogueVALUE)是指電流傳感器能表中的溫度漂移值,例如:對CS2000BR型來說,,CV為0.5×10-4/℃,,zui大溫度Tmax為-40℃,額定輸出電流為400MA,,則偏移電流的zui大變化,。
四、傳感器型號,、結(jié)構(gòu)和安裝方法
ABB公司的傳感器產(chǎn)品說明般由“傳感器產(chǎn)品型號”和“生產(chǎn)日期”兩部分構(gòu)成[5],。“傳感器產(chǎn)品型號”用于標(biāo)明傳感器的型號,、額定測量值、型或非型,。“傳感器生產(chǎn)日期”則是由8位數(shù)字構(gòu)成,,表明傳感器的生產(chǎn)年份、日期(年中的第幾日)及傳感器序列號,。
ABB公司的傳感器產(chǎn)品很多,,每種傳感器的外形結(jié)構(gòu)、尺寸大小等都有所不同,,下面介紹幾種的外形結(jié)構(gòu)及安裝接線方法,。
1、MP25P1電流傳感器
MP25P1電流傳感器是ABB公司中種量程很小的傳感器,,所能測量的額定電流為5,、6、8,、12,、2,原邊管腳的不同接法可確定額定測量電流為多少,,參見圖5,。
2、ES300C電流傳感器
如MP25P1樣,,般傳感器都有正(+),、負(fù)(-)、測量端(M)三個管腳,,但ES300C則沒有此三個管腳,,而是有紅、黑,、綠三根引線,,分別對應(yīng)于正、負(fù)及測量端,。同時在ES300C型傳感器中有內(nèi)孔,,測量原邊電流時要將導(dǎo)線穿過該內(nèi)孔。
不管是MP25P1還是ES300C型等電流傳感器,,安裝時管腳的接線應(yīng)根據(jù)測量情況進行相應(yīng)連線,。
(1)在測量交流電時,必須強制使用雙供電電源,。即傳感器的正(+)接供電電源“+VA”端,,負(fù)接電源的“-VA”端,這種接法叫雙供電電源,。同時測量端(M)通過電阻接電源“0V”端,。
(2)在測量直流電流時,可使用單或單相供電電源,,即將正或負(fù)與“0V”端短接,,從而形成只有個電相接的情況,其接法共有四種(見圖6和圖7),。
在傳感器產(chǎn)品中,,標(biāo)有“-N”標(biāo)志的表示該傳感器沒有電源意外倒置防護措施;標(biāo)有“-P”標(biāo)志的則表示該傳感器具有防護措施,。圖6是無保護二管時的單供電電源安裝接線方法,,圖7是加有保護措施的傳感器的接法。
(3)具有作用的傳感器的連接方法
ABB公司的部分電流傳感器具有電磁作用,,其產(chǎn)品外殼上會多個“E”標(biāo)志的端口,,其連接方式有兩種:將端和負(fù)(-VA)或零線(0V)相連,如圖8所示,。
另外,,安裝時必須考慮產(chǎn)品的用途、型號,、量程范圍,、安裝環(huán)境等。比如傳感器應(yīng)盡量安裝在利于散熱的場合,;如果環(huán)境只適于垂直安裝,,則必須選擇帶“V”字標(biāo)志的傳感器(如CS300BRV)。
五,、提測量的方法
除了安裝接線,、即時標(biāo)定校準(zhǔn)、注意傳感器的工作環(huán)境外,,通過下述方法還可以提測量:
1,、原邊導(dǎo)線應(yīng)放置于傳感器內(nèi)孔中心,盡可能不要放偏,;
2,、原邊導(dǎo)線盡可能放滿傳感器內(nèi)孔,不要留有空隙,;
3,、需要測量的電流應(yīng)接近于傳感器的額定值IPN,不要相差太大,。如條件所限,,手頭有個額定值很的傳感器,而欲測量的電流值又低于額定值很多,,為了提測量,,可以把原邊導(dǎo)線多繞幾圈,,使之接近額定值。例如當(dāng)用額定值100A的傳感器去測量10A的電流時,,為提可將原邊導(dǎo)線在傳感器的內(nèi)孔中心繞九圈(般情況,,NP=1;在內(nèi)孔中繞圈,,NP=2,;……;繞九圈,,NP=10,,則NP×10A=100A與傳感器的額定值相等,從而可提),;
4,、當(dāng)欲測量的電流值為IPN/5的時,在25℃仍然可以有較的,。
六,、傳感器的
1、電磁場
閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器,,利用了原邊導(dǎo)線的電磁場原理,。因此下列因素直接影響傳感器是否受外部電磁場干擾。
(1)傳感器附近的外部電流大小及電流頻率是否變化,;
(2)外部導(dǎo)線與傳感器的距離,、外部導(dǎo)線的形狀、位置和傳感器內(nèi)霍爾電的位置,;
(3)安裝傳感器所使用的材料有無磁,;
(4)所使用的電流傳感器是否;
為了盡量減小外部電磁場的干擾,,按安裝指南安裝傳感器,。
2、電磁兼容
電磁兼容EMC,,(Electro-MagneticCompatibility)是研究電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài),,即要求在同電磁環(huán)境中的上述設(shè)備都能正常工作而又互不干擾,達到“兼容”狀態(tài)的門學(xué)科[8],??臻g電磁環(huán)境的惡化越來越使電子元器件之間因互不兼容而引發(fā)系統(tǒng)的誤動作,因此電工,、電子設(shè)備電磁兼容有必要,。由于實際生產(chǎn)、科研及市場推廣的迫切需要,,采用已通過電磁兼容的電流和電壓傳感器已形成共識,,并已成為個強制,。ABB公司的電流傳感器自1996年1月1日起,均已通過了EMC,。
七,、傳感器標(biāo)定
1、偏移電流ISO
偏移電流必須在IP=0,、環(huán)境溫度T≈25℃的條件下進行校準(zhǔn),按圖9方法(雙供電)接線,,且測量電壓VM必須:
VM≦RM×ISO(5)
2,、
在IP=IPN(ACorDC)、環(huán)境溫度T≈25℃,、傳感器雙供電,、RM為實際測量電阻的條件下進行測量,其接線如圖10所示,,并用公式(3)計算,。
3、保護測試
ABB公司的傳感器在測量電路短路,、測量電路開路,、供電電源開路、原邊電流過載,、電源意外倒置的條件下都可受到保護,。對上述各項測試舉例如下:
(1)測量電路短路
此項測試必須在IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃,、傳感器雙向供電,、RM為實際應(yīng)用中的電阻條件下進行,連接圖如圖11所示,,開關(guān)S應(yīng)在分鐘之內(nèi)合上和打開,。
(2)測量電路開路
此項測試條件為IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃,、傳感器雙向供電,、RM是實際應(yīng)用中的電阻。測試圖如圖12,,開關(guān)S應(yīng)在分鐘之內(nèi)完成閉合/打開切換動作,。
(3)電源意外倒置測試
為防止電源意外倒置而使傳感器損壞,在電路中加裝了保護二管,,此項測試可使用萬用表測試二管兩端,,測試應(yīng)在IP=0、環(huán)境溫度T≈25℃,、傳感器不供電,、不連接測量電阻的條件下進行,。可使用以下兩種方法測試:
*種:萬用表紅表筆端接傳感器“M”端,,萬用表黑表筆端接傳感器“+”端,;
第二種:萬用表紅表筆接傳感器負(fù),萬用表黑表筆接傳感器M端,;
在測試中,,如萬用表鳴笛,說明二管已損壞,。
八,、傳感器應(yīng)用計算[5]
根據(jù)圖13,電流傳感器的主要計算公式如下:
NPIP=NSIS,;計算原邊或副邊電流
VM=RMI,;計算測量電壓
VS=RSIS,;計算副邊電壓
VA=e+VS+VM,;計算供電電壓
其中,e是二管內(nèi)部和晶體管輸出的壓降,,不同型號的傳感器有不同的e值,。這里我們以ES300C為例,這種傳感器的匝數(shù)比NP/NS=1/2000,、額定電流值IPN=300Arms,、供電電壓VA的范圍為±12V~±20V(±5%)、副邊電阻RS=30Ω,,在雙(±VA)供電,,其傳感器測量量程>100A且無防止供電電源意外倒置的保護二管的情況下,e=1V,。在上述條件下:
(1)給定供電電壓VA,,計算測量電壓VM和測量電阻RM:
假設(shè):供電電壓VA=±15V
根據(jù)上述公式得:
測量電壓VM=9.5V;
測量電阻RM=VM/IS=63.33Ω,;
副邊電流IS=0.1。
所以當(dāng)我們選用63.33Ω的測量電阻時,,在傳感器滿額度測量時,其輸出電流信號為0.1,,測量電壓為9.5V,。
(2)給定供電電壓和測量電阻,計算欲測量的峰值電流;
假設(shè):供電電壓VA=±15V,,測量電阻RM=12Ω,,
則:VM+VS=(RM+RS)×IS=VA-e=14V
而:RM+RS=12W+30W=42W,
則zui大輸出副邊電流:A
原邊峰值電流:IPmax=ISmax(NS/NP)=666A
這說明,,在上述條件下,,傳感器所能測量的zui大電流即原邊峰值電流為666A,。如果原邊電流大于此值,傳感器雖測量不出來,,但傳感器不會被損壞。
(3)測量電阻(負(fù)載電阻)能影響傳感器的測量范圍,。
測量電阻對傳感器測量范圍也存在影響,所以我們需要精心選擇測量電阻,。用下式可計算出測量電阻:
其中,,VAmin—扣除誤差后的zui小供電電壓;
e—傳感器內(nèi)部晶體管的電壓降,;
RS—傳感器副邊線圈的電阻,;
ISmax—原邊電流IP為zui大值時的副邊電流值。
另外我們可以通過下式確認(rèn)所選傳感器的穩(wěn)定,。
如果VAmin不上式,則會造成傳感器的不穩(wěn)定,。旦出現(xiàn)這種情況,,我們可以有以下三種方法克服:
1)換電壓大的供電電源;
2)減小測量電阻的值,;
3)將傳感器換成RS較小的傳感器,。
例如,某種型號的電流傳感器,,其額定電流IPN=1000A,,匝數(shù)比NP/NS=1/2000,e值為1.5V,,副邊電阻RS=30Ω,,測量電阻RM=15W,用15V電源單供電,。則VA=30V(單供電是雙供電的2倍),,而:
IS=IP×NP/NS=0.
VS=RS×IS=15V
VM=RM×IS=7.5V
=24V<30V
通過以上檢驗,可知這種傳感器在此條件下測量能穩(wěn)定。它所能測量的原邊電流的zui大值(即測量范圍)
九,、結(jié)束語
在城市用電設(shè)備增多,,農(nóng)村供電設(shè)備老化欠修的情況下,城鄉(xiāng)各地經(jīng)常會出現(xiàn)電壓不穩(wěn),、電路短路,、過流等現(xiàn)象,結(jié)果造成人民生活不便和儀器損毀,。在電源中使用傳感功能可以使電源設(shè)備加小型化,、智能化和可靠。
電源發(fā)展到,,已融合了電子,、功率集成、自動,、材料,、傳感、計算機,、電磁兼容,、熱工等諸多領(lǐng)域的精華,我們有理由相信,,在21世紀(jì)的電源中,,傳感器也將發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,所以對電流傳感器的應(yīng)用和設(shè)計開發(fā),,傳感器工作者應(yīng)該給予足夠重視,。ABB公司的傳感器因其型號多,量程寬(電流5~6000A,;電壓50~5000V),、、靈敏度,、線度好,、規(guī)范、易安裝,、能力強,、質(zhì)量可靠、平均*時間MTBF長等優(yōu)點,,在各個領(lǐng)域特別是在機車牽引和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中值得用戶信賴,。