霍爾電壓傳感器原理詳解及特點(diǎn)分析
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- 發(fā)布時(shí)間：2013/11/12 11:10:41
- 作者：AnyWay中國(guó)
一前言
霍爾電壓傳感器相對(duì)電磁式電壓互感器而言，具有體積小、重量輕、寬頻帶、交直流兩用等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用越來(lái)越廣，對(duì)采用變頻調(diào)速技術(shù)的電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的能效計(jì)量檢測(cè)，既是對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能效果的檢測(cè)，也是變頻調(diào)速技術(shù)科學(xué)、持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。而霍爾電壓傳感器是目前變頻器及風(fēng)力發(fā)電機(jī)、交流牽引電機(jī)、電動(dòng)汽車電機(jī)等變頻電機(jī)的檢試驗(yàn)和能效計(jì)量檢測(cè)的主要測(cè)量裝置。本文旨在通過(guò)對(duì)霍爾電壓傳感器原理剖析，了解霍爾電壓傳感器的主要特點(diǎn)，并以此指導(dǎo)工程應(yīng)用。
圖1 霍爾電壓傳感器實(shí)物圖
二霍爾電壓傳感器原理
如圖2所示，霍爾電壓傳感器主要包括初級(jí)線圈、磁環(huán)、次級(jí)線圈、放大電路及與初級(jí)線圈串聯(lián)的限流電阻R。拋開(kāi)限流電阻R，剩余部分相當(dāng)于一個(gè)
閉環(huán)霍爾電流傳感器。不同之處在于該傳感器的初級(jí)電流非常小，一般為毫安級(jí)。
直觀分析：小信號(hào)測(cè)量難度大，測(cè)量精度低，因此，同樣基于霍爾效應(yīng)的霍爾電壓傳感器的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于霍爾電流傳感器。
圖2 霍爾電壓傳感器原理
顯然，初級(jí)線圈的電流越大，電阻R的功率越大。過(guò)大的電流會(huì)帶來(lái)如下的弊端：
◆傳感器消耗較大功率，并對(duì)被測(cè)回路造成影響；
◆電阻發(fā)熱量大，溫度高，溫漂對(duì)測(cè)量精度的影響大；
◆為了散發(fā)這些熱量，必然增大霍爾電壓傳感器的體積，同時(shí)對(duì)絕緣不利。
上述原因決定了實(shí)際霍爾電壓傳感器的輸入限流電阻較大，并且，測(cè)試電壓越高，其阻值越大。
三霍爾電壓傳感器特點(diǎn)
上節(jié)分析了霍爾電壓傳感器原理，我們知道霍爾電壓傳感器的輸入有一個(gè)阻值較大的電阻，且一次繞組的匝數(shù)較大。
客觀世界中，不存在理想的電阻元件，因?yàn)殡娮柙旧砭哂幸欢ǖ男螤詈腕w積，必然造成其附加的電感和電容，此外，環(huán)境的分布電感和分布電容也對(duì)電阻元件起到一定的影響。如圖3所示，電阻元件可以等效為電阻R與電感L串聯(lián)后再與電容C并聯(lián)。
圖3 霍爾電壓傳感器串聯(lián)的電阻元件的等效電路
圖3中電阻元件的阻抗為：
上式中，Re和Xe分別為等效電阻的分量和等效電抗分量。
由于L、C一般較小，1/LC較大，在ω2<<1/LC時(shí)和ω<<1/RC，上式可簡(jiǎn)化為：
一般而言，由于L很小，第一項(xiàng)可忽略。對(duì)于第二項(xiàng)，當(dāng)RC較小時(shí)，非常接近R。然而，當(dāng)R較大時(shí)，RC不可忽略。
當(dāng)RC相對(duì)ω不可忽略時(shí)，第二項(xiàng)對(duì)霍爾電壓傳感器的精度和帶寬都有較大的影響。
由此得出第一個(gè)結(jié)論：采用相同技術(shù)時(shí)，輸入電阻越大，分布參數(shù)對(duì)霍爾電壓傳感器的帶寬影響越大。
通過(guò)分析霍爾電壓傳感器原理，我們知道，霍爾電壓傳感器初級(jí)線圈匝數(shù)較多。線圈匝數(shù)越多，其電感越大。正常情況下，多匝線圈呈現(xiàn)明顯的感性，不適宜用于交流電壓測(cè)試。但是，從霍爾電壓傳感器原理分析可知，霍爾電壓傳感器正常工作時(shí)，在補(bǔ)償繞組磁場(chǎng)的作用下，霍爾元件處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。假如初級(jí)線圈內(nèi)部及外部處處磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，那么，線圈實(shí)際上的等效電感為零。這是霍爾電壓傳感器適合交流電壓測(cè)試且一般具備較寬頻帶的重要原因之一。
然而，初級(jí)線圈和補(bǔ)償線圈不可能完全重合，初級(jí)線圈內(nèi)部和附近不可能磁場(chǎng)處處為零，存在磁場(chǎng)，就必然對(duì)電流的變化起到影響，并對(duì)霍爾電壓傳感器的帶寬造成一定的影響。
為了使霍爾元件具有足夠的靈敏度，霍爾電壓傳感器的初級(jí)電流越小，需要的匝數(shù)越多。匝數(shù)越多，霍爾電壓傳感器帶寬越窄。
由此得出第二個(gè)結(jié)論：采用相同技術(shù)時(shí)，初級(jí)繞組匝數(shù)越多，對(duì)霍爾電壓傳感器的帶寬越大。
對(duì)于霍爾電壓傳感器而言，考慮到電流通過(guò)電阻會(huì)發(fā)熱，一般而言，被測(cè)電壓越高，限流電阻R越大，RC對(duì)霍爾電壓傳感器的影響也越大。被測(cè)電壓越高，初級(jí)線圈的電流越小，初級(jí)線圈的匝數(shù)越多。
這就是為何同一個(gè)廠家的霍爾電壓傳感器，隨著測(cè)試電壓的增高，帶寬逐步降低的主要原因。
四常用霍爾電壓傳感器的技術(shù)指標(biāo)
下表為常用霍爾電壓傳感器及
AnyWay的SP103501C型
變頻功率傳感器的上升時(shí)間、精度及帶寬指標(biāo)，由表可知，隨著測(cè)試電壓的升高，霍爾電壓傳感器的精度降低，且上升時(shí)間變大，帶寬變窄。
表1 常用霍爾電壓傳感器主要技術(shù)指標(biāo)
注：由于目前大多霍爾電壓傳感器未公布帶寬指標(biāo)，可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式BW=0.35/tr對(duì)帶寬進(jìn)行估算。表中的帶寬就是依據(jù)此公式計(jì)算獲取。
表中所述霍爾電壓傳感器的精度及帶寬隨著被測(cè)變化趨勢(shì)與第三節(jié)的分析相符。此外，表中所述6400V霍爾電壓傳感器的帶寬僅700Hz，用于交流電量時(shí)需要特別注意。
在變頻功率（通常也稱寬頻功率測(cè)量）測(cè)量中，目前的多數(shù)變頻功率分析儀可直接測(cè)量1kV以內(nèi)的電壓，霍爾電壓傳感器主要用于測(cè)量1kV以上的交流電壓，而1kV以上的霍爾電壓傳感器的精度較低、帶寬較窄，用戶在構(gòu)建1kV以上高電壓變頻功率測(cè)試系統(tǒng)時(shí)需特別注意。
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