ABB電流傳感器的應(yīng)用分析

一、前言

　　伴隨著城市人口和建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，各種用電設(shè)備的增多，用電量越來(lái)越大，城市的供電設(shè)備經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，用電環(huán)境變得越來(lái)越惡劣，對(duì)電源的“考驗(yàn)”越來(lái)越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每天，用電設(shè)備都要遭受 120 次左右各種的電源問(wèn)題的侵?jǐn)_，電子設(shè)備故障的 60% 來(lái)自電源 [7] 。因此，電源問(wèn)題的重要性日益凸顯出來(lái)。原先作為配角，資金投入較少的電源越來(lái)越受到廠商和研究人員的重視，電源技術(shù)遂發(fā)展成為一門嶄新的技術(shù)。

　　而今，小小的電源設(shè)備已經(jīng)融合了越來(lái)越多的新技術(shù)。例如開(kāi)關(guān)電源、硬開(kāi)關(guān)、軟開(kāi)關(guān)、參數(shù)穩(wěn)壓、線性反饋穩(wěn)壓、磁放大器技術(shù)、數(shù)控調(diào)壓、 PWM 、 SPWM 、電磁兼容等等。實(shí)際需求直接推動(dòng)電源技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，為了自動(dòng)檢測(cè)和顯示電流，并在過(guò)流、過(guò)壓等危害情況發(fā)生時(shí)具有自動(dòng)保護(hù)功能和更高級(jí)的智能控制，具有傳感檢測(cè)、傳感采樣、傳感保護(hù)的電源技術(shù)漸成趨勢(shì)，檢測(cè)電流或電壓的傳感器便應(yīng)運(yùn)而生并在我國(guó)開(kāi)始受到廣大電源設(shè)計(jì)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(cè)量各種類型的電流，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(guò)電流傳感器時(shí)，原邊電流 I P 會(huì)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極③可產(chǎn)生和原邊磁力線①成正比的大小僅幾毫伏的電壓，電子電路④可把這個(gè)微小的信號(hào)轉(zhuǎn)變成副邊電流 I S ⑤，并存在以下關(guān)系式

其中， I S —副邊電流；

I P —原邊電流；

N P —原邊線圈匝數(shù)；

N S —副邊線圈匝數(shù)；

N P / N S —匝數(shù)比，一般取 N P =1 。

電流傳感器的輸出信號(hào)是副邊電流 I S ，它與輸入信號(hào)（原邊電流 I P ）成正比， I S 一般很小，只有 100~400mA 。如果輸出電流經(jīng)過(guò)測(cè)量電阻 R M ，則可以得到一個(gè)與原邊電流成正比的大小為幾伏的輸出電壓信號(hào)。

三、電流傳感器主要特性參數(shù) [1] [2] [3] [4]

　　1 、標(biāo)準(zhǔn)額定值 I PN 和額定輸出電流 I SN

I PN 指電流傳感器所能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)額定值，用有效值表示（ A.r.m.s ）， I PN 的大小與傳感器產(chǎn)品的型號(hào)有關(guān)。

I SN 指電流傳感器額定輸出電流，一般為 100~400mA ，某些型號(hào)可能會(huì)有所不同。

2 、傳感器供電電壓 V A

V A 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)。超過(guò)此范圍，傳感器不能正常工作或可靠性降低，另外，傳感器的供電電壓 V A 又分為正極供電電壓 V A + 和負(fù)極供電電壓 V A - 。

3 、測(cè)量范圍 I pmax

測(cè)量范圍指電流傳感器可測(cè)量的最大電流值，測(cè)量范圍一般高于標(biāo)準(zhǔn)額定值 I PN 。測(cè)量范圍可用下式計(jì)算

要注意單相供電的傳感器，其供電電壓 V Amin 是雙相供電電壓 V Amin 的 2 倍，所以其測(cè)量范圍要高于雙相供電的傳感器。

4 、過(guò)載

電流傳感器的過(guò)載能力參見(jiàn)圖 2 。發(fā)生電流過(guò)載時(shí)，在測(cè)量范圍之外，原邊電流仍會(huì)增加，而且過(guò)載電流的持續(xù)時(shí)間可能很短，而過(guò)載值有可能超過(guò)傳感器的允許值，過(guò)載電流值傳感器一般測(cè)量不出來(lái)，但不會(huì)對(duì)傳感器造成損壞。

5 、精度

霍爾效應(yīng)傳感器的精度取決于標(biāo)準(zhǔn)額定電流 I PN 。在 +25 ℃時(shí)，傳感器測(cè)量精度受原邊電流影響的曲線如圖 3 所示，使用下面公式可計(jì)算出精度

其中， K = N S / N P 。

計(jì)算精度時(shí)必須考慮偏移電流、線性度、溫度漂移的影響。

(1). 偏移電流 I SO

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(yùn)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(shí)，在 25 ℃， I P =0 時(shí)的情況下，偏移電流已調(diào)至最小，但傳感器在離開(kāi)生產(chǎn)線時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一定大小的偏移電流。產(chǎn)品技術(shù)文檔中提到的精度已考慮了偏移電流增加的影響。

(2). 線性度

參見(jiàn)圖 4 ，線性度決定了傳感器輸出信號(hào)（副邊電流 I S ）與輸入信號(hào)（原邊電流 I P ）在測(cè)量范圍內(nèi)成正比的程度， ABB 公司的電流傳感器線性度要優(yōu)于 0.1% 。

(3). 溫度漂移

　　偏移電流 I SO 是在 25 ℃時(shí)計(jì)算出來(lái)的，當(dāng)霍爾電極周邊環(huán)境溫度變化時(shí)， I SO 會(huì)產(chǎn)生變化。因此，考慮偏移電流 I SO 的最大變化是很重要的，這可以通過(guò)下式計(jì)算

其中， CV （ Catalogue value ）是指電流傳感器性能表中的溫度漂移值，例如：對(duì) CS2000BR 型來(lái)說(shuō)， CV 為 0.5 × 10­­­­­ -4 / ℃，最大溫度 T max 為 -40 ℃，額定輸出電流為 400mA ，則偏移電流的最大變化。