基于霍爾傳感器電參量測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3 電參量的測量方法
3．1 電壓、電流信號的測量
電流的測量可采用磁平衡式霍爾電流傳感器(亦稱為零磁通式霍爾傳感器)如圖3所示。

當(dāng)被測電流IIN流過原邊回路時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場HIN這個(gè)磁場被聚磁環(huán)聚集，并感應(yīng)給霍爾器件，使其有一個(gè)信號UH輸出；這一信號經(jīng)放大器A放大，輸人到功率放大器中Q1，Q2中，這時(shí)相應(yīng)的功率管導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流IO；由于此電流通過多匝繞組所產(chǎn)生的磁場HO與原邊回路電流所產(chǎn)生的磁場HIN相反；因而補(bǔ)償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出電壓UH逐漸減小，最后當(dāng)IO與匝數(shù)相乘N2IO所產(chǎn)生的磁場與原邊N1IIN所產(chǎn)生的磁場相等時(shí)，IO不再增加，這時(shí)霍爾器件就達(dá)到零磁通檢測作用。這一平衡所建立的時(shí)間在1 μs之內(nèi)，這是一個(gè)動態(tài)平衡過程，即原邊回路電流IIN的任何變化均會破壞這一平衡的磁場，一旦磁場失去平衡，霍爾元件就有信號輸出，經(jīng)過放大后，立即有相應(yīng)的電流流過副邊線圈進(jìn)行補(bǔ)償。因此從宏觀上看副邊補(bǔ)償電流的安匝數(shù)在任何時(shí)間都與原邊電流的安匝數(shù)保持相等，即N1IIN=N2IO，所以IIN=N2I2／N1(IIN為被測電流，即磁芯中初級繞組中的電流，N1為初級繞組的匝數(shù)；IO為補(bǔ)償繞組中的電流；N2為補(bǔ)償繞組的匝數(shù))。由原、副邊匝數(shù)可知，只要測得補(bǔ)償線圈的電流IO，即可知道原邊電流IIN，如原邊為導(dǎo)線穿心式，則N1=l，IIN=N2IO。利用同樣的原理可進(jìn)行電壓測量，只需在原邊線圈回路中串聯(lián)一個(gè)電阻R1，將原邊電流IIN轉(zhuǎn)換成被測電壓UIN。即UIN=(R1+RIN)IIN=(R1+RIN)N2IO／N1，RIN為原邊繞阻的內(nèi)阻(一般很小不計(jì))。對特高壓交流電壓的測量，需先經(jīng)隔離變壓器降壓后，對降壓后的電壓進(jìn)行測量，然后對測量數(shù)據(jù)乘以降壓倍數(shù)，即可得被測電壓的大小。該測量輸出信號為電流形式IO。若在霍爾電流傳感器的輸出電路與電源零點(diǎn)之間串接恰當(dāng)?shù)碾娮鑂0，并在該電阻上取電壓，就構(gòu)成了電壓形式的輸出。輸出電壓經(jīng)電壓調(diào)整電路、線性放大電路、不等位補(bǔ)償電路、射集跟隨等獲得所需的電壓，便于測量與顯示。
3．2 功率及功率因數(shù)、頻率等電參數(shù)的測量
由正弦交流電有功功率的定義P=UIcosψ可知，只要準(zhǔn)確測量出U，I及電流與電壓相位差ψ，就可算出P與cosψ。采用傳統(tǒng)的電磁式電壓、電流互感器進(jìn)行測量，由于互感器的非理想性，除存在變比誤差外，更主要的是存在較大的相位誤差，這就使測得的ψ值不能真實(shí)地反映負(fù)載的性質(zhì)。若采用霍爾電壓、電流傳感器及真有效值轉(zhuǎn)換器(如AD637)等，可以使功率及功率因數(shù)的測量精度大大提高。此外，霍爾傳感器還可以測量從直流到100 kHz的任意波形的交流量，從而克服了電磁式互感器有特定的額定頻率的弊端。真有效值轉(zhuǎn)換器可以將正弦波形或任意波形的交流量轉(zhuǎn)換為直流量，輸出直流的大小正比于交流量的有效值，且轉(zhuǎn)換精度高，因而測量相對準(zhǔn)確。
測量原理如圖4所示，交直流電壓、電流經(jīng)霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器隔離、轉(zhuǎn)換后，得到與之對應(yīng)的電壓信號，再經(jīng)真有效值轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為直流(直流電不需轉(zhuǎn)換)，其大小正比于交流電的有效值，直流(或轉(zhuǎn)換后的直流)電壓經(jīng)A／D變換后送入單片機(jī)，這就采集到了U，I的大小。