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霍尔电压电流传感器的干扰处理解决方案

     近年来,新一代半导体功率器件大规模引进,在电气电子、交流变频调节、换档装置和开关电源等领域得到大量的应用。 原电流和电压检测元件不适用于高频、高di/ dt电流波形的传输和检测。 霍尔电压电流传感器是一种工业功率传感器,开发用于测量控制电流和电压,是一种高性能电气检测组件。

   霍尔电流和电压传感器广泛应用于变频调速装置、逆变装置、ups电源、逆变焊接、变电站、电解电镀、数控机床、微机监控系统、电网监控系统。 在电气和电子产品中,检测和控制重要电流和电压的准确性安全性也是运转的基本保证。图1图1.png

 1.霍尔传感器性能特性

   霍尔电流电压传感器具有较高的电气性能,是一种能够隔离主电路和电控电路的先进电气检测元件。 它结合了变压器和分离器的全部优点,同时克服了互感器和分流器的缺陷(互感器仅适用于工业频率测量 50hz;分流器不能执行隔离测量。)。 同样的霍尔电压传感器可以检测交流电和直流电,甚至是瞬态峰值,从而使其成为取代互感器和分流器的新一代产品。 霍尔电流和电压传感器具有以下特性:

   可以测量任何波形的电压和电流。 霍尔电压传感器和电流传感器可以测量任何波形的电流和电压参数,如直流波形、交流波形和脉冲波形。 也可以测量其二次侧电路准确反映原侧电流波形的瞬态峰值参数。 这一点不能与普通变压器相提并论,因为普通互感器通常只适用于正弦波50hz;

    ●高精度。 霍尔电压传感器在额定值范围内精度高于1 %,适用于任何波形,而变压器的精度通常为3%至5%,仅适用于正弦波形50hz;

   ●线性度优于0.5%.

   ●良好的动态性能。通常霍尔传感器动态响应时间小于7μs,跟踪速度di/dt大于50A/μs;

 霍尔电压传感器通过其卓越的动态性能(非敏感组件),为提高现代控制系统的性能提供了重要基础。 一般变压器的动态响应时间为10至20μs,这显然不适合工控系统的发展需要

   ●工作频率带宽。 可在0至20 khz频率范围内正常工作;

   ●过载能力强,测量范围大( 0~10000A)

   ●可靠性高,平均无故障运行时间超过5×10000小时;

   ●体积小、重量轻、易于安装,不会对系统造成任何损失。

2.霍尔传感器工作原理

   霍尔电流和电压传感器是根据霍尔原理制造的。它有两种工作方法,即磁平衡和直测式。霍尔电流和电压传感器通常由原边电流、磁环、霍尔器件、副线圈和放大电路等组成。

2.1个直接释放电流传感器

   众所周知,当电流通过长电线时,围绕电线产生磁场,磁场的大小与穿过电线的电流成比例,可以通过磁芯聚合在霍尔装置上检测出来,并给出信号输出。 信号通过信号放大器放大后立即输出,正常额定输出标定为4V或者5V。

2.2磁平衡电流传感器

   磁平衡电流传感器也称为补偿传感器,即磁环中检测到的电流的Ip产生的磁场由二次线圈的电流产生的磁场抵消,从而使霍尔器件处于工作状态以检测零磁通量。

   磁平衡电流传感器的具体工作方法如下:电流通过主电路时,导线上产生的磁场由组合磁环聚集,在霍尔器件上检测,产生的信号输出用于驱动相应的功率管,以获得补偿电流Is。 此电流通过多个线圈再次产生磁场,磁场与检测到的电流产生的磁场正好相反,补偿了原来的磁场,逐渐减小了霍尔器件的输出。 当Ip乘以线圈数所产生的磁场相等时,即不再增大,此时霍尔装置将起到零磁流量作用,此时可以通过Is跟踪Ip。 当Ip发生变化时,平衡被破坏,霍尔设备有信号输出,即重复上述过程,最后再次实现平衡。 检测到的电流的任何变化都会破坏这种平衡。 磁场一旦失去平衡霍尔仪器就有信号输出.。 功率放大后,立即有相应电流通过二次线圈补偿不平衡磁场。 从磁场不平衡到再平衡,理论上需要不到1μs,这是一个动态平衡过程。

2. 3霍尔电压传感器

    霍尔电压传感器的工作方式与闭环电流传感器相似,还能以磁平衡的方式工作。

3.霍尔传感器连接模式

    电源和电压传感器只需连接交流电源即可。在外部,测量的电流条通常通过传感器或连接到原始边端子,然后在次要边端进行简单连接,以执行主控制回路绝缘检测. 电路设计非常简单。 如果与发射机一起使用,可在a/d转换后方便地连接到计算机或各种仪器,并可远距离传输。

3. 1磁平衡(补偿)接线方法

    磁平衡类型电流(补偿)、电压传感器/变换器 :输出信号主要是电流。 (如果需要电压输出模式,则可以根据所需电压大小在m端和电场之间连接测试电阻,也可以根据需要增大测试电压。 )此类通用传感器的三个接线端子为:正电源输入连接到“+”端,负电源输入连接到“-”端,而“m”端连接到信号输出端。

3. 2直测式电流传感器接线法

   直测式电流传感器。 其输出信号为电压形式,在额定工作条件下,其标准输出信号为4v5v,用户可根据需要选择。 传感器上有零和增益电位计,用户通常不需要重新调整。 如果用户有特殊要求,可以在都睿感控进行订购。 直测式电流传感器的布线方法可能因产品而异,但四个布线端子中的大多数是:正电源输入端连接“+”,负电源输入端连接 “-” “M”是信号输出端,“0”为电源地 。

3. 3电压传感器布线方法

   电压传感器通常包含5个接线端子,其中“V+”和“V-”是分别连接到p的原边端子,测量的电压输入的正负。 其他三个端子为副边端子、+端子连接到正电源、" - "端子连接到负电源、"M"端子连接到信号输出。

    根据测量的电压大小,用户可以根据需要在连接到传感器的原始边之前,将有限电流电阻r串联到测量的电压端. R系列连接强度的大小由以下公式确定:

     R= Vp / Iin - Rin

     r是串联电阻,Vp是测量的电压,Iin是额定输入电流,Rin是传感器原边电阻。

      连接电阻的功率大小由W =Vp·Iin确定。

 4.霍尔电压传感器的应用

4. 1电压逆变器保护电路

   在电压型变换器中,如果相位切换失败,一个相位上下两个桥臂上的半导体器件容易因电流过大而损坏. 例如,上下桥臂采用功率模块时,短路保护电路必须能够切断门驱动电路在检测到短路后10μs内,还应考虑电路的传输时间。 因此,该逆变器应具有快速过流保护装置,该装置可使用霍尔电流传感器检测每个桥臂上的电流。 如果桥的上下臂由于相位切换故障而同时导电,则相应的两个传感器可以同时检测电流信号,并在与基准电压比较后将电流信号转换为方波。 这样,可通过门电路控制封锁所有的逆变触发脉冲,达到了切断门驱动电路的目标。 电压型逆变器保护电路的优点是,只要桥上下臂的电流同时超过底座,保护电路立即起作用。 由于过早保护,功率模块不受过电流的影响.。 第二,保护很快。 因为霍尔电流传感器是一个无感元件,所以在功率模块判断时不会产生过电压。 因此,可以简化设计过程并提高效率。


5. 传感器接口电路的常见干扰和处理解决方案

 传感器输出通常是小信号,因此传感器的所有接口电路都存在小信号处理问题。 干扰很常见,通常出现在传感器接口和信号传输线上,并与这些有用的小信号混合,从而使信号失真并影响测量精度。 因此,必须研究传感器接口电路的常见干扰,并采取适当措施,在测试系统的设计、生产和使用过程中消除这些干扰。

5. 1构成干扰的三个要素

 碰撞的三个组成部分:干扰源、耦合通道和受感器。 图2显示了这三个要素之间的关系。 

                

                   图2.png

5. 2 .干扰形式

 干扰源是客观的. 要有效地消除碰撞,必须首先找到干扰的原始位置,然后在源位置避免干扰。 另一方面,传感器通常用于工业场所,干扰有时是不可避免的,通过消除干扰源来衡量电路的可靠运行是不现实的。 只有适应环境,降低信道对干扰的敏感度,提高传感器对干扰的抵抗力,才能做到这一点。 抗干扰技术主要是从传感器接口电路中的干扰通道采取抑制措施。

 根据干扰传输通道,干扰主要是:电网;地线干扰;信号通道干扰。

 长距离信号传输过程中遇到的干扰如下:

a. 长线路周围空间电磁场的电磁干扰;

b. 信号线之间的干扰。 当强信号线(或快速变化信号线)靠近弱信号线时,线路之间的干扰由线路之间的电容器和双向分布产生;

c. 长距离信号地线干扰。 信号线越长,信号地线越长,即地线的电阻越大,从而形成很大的潜力差异。

d. 空间电磁辐射干扰:此类干扰通常不太严重,主要可以通过远离干扰源或采取适当的防护措施(例如屏蔽、防护线)加以解决。

5. 3常见干扰防护措施

5.3. 1电源过滤技术

 消除网络干扰的主要措施是过滤电源。电源变压器可以采用两级保护措施:在主线圈和副线圈之间添加金属保护层,保护层连接到机箱,从而降低配电容量的值,有效抑制电源变压器将高频干扰信号输入二级。

5.3. 2屏蔽技术

 使用导线或导线创建外壳,以保护易被干扰的敏感部分,从而阻止或抑制各种场干扰。 主要有三种类型的屏蔽:

 ( 1 )静电防护:为避免静电耦合干扰,经常选用低电阻材料制作屏蔽盒。 在实际布线过程中,如果导线之间敷设了地线,导线之间的静电耦合将显着减弱.

 ( 2 )电磁屏蔽:用涡流产生的反向磁场补偿高频电磁场的干扰. 为了考虑到静电屏蔽层,屏蔽罩应接地;

 ( 3 )磁屏蔽:用高导电磁性材料制造屏蔽,防止低频磁通干扰。 在部署期间,应根据干扰频率大小选择屏蔽类型和几何尺寸及屏蔽壁厚。

5.3. 3接地技术

 接地是指使用低电阻导线将点连接到等效点或等效表面,从而形成总的基本潜力。 正确接地的目的是消除公共地线不均匀造成的常见阻抗耦合干扰,并避免磁场和电位差的影响,即不允许它形成电流回路。

5.3. 4双绞线传输技术

 当传感器远离测量装置时,信号通常由双绞线传输。 也就是说,每一个信号由两条互绞线传输,一个是信号线,另一个是地线。 



  消除空间中的电磁干扰、线路之间的干扰和信号地线的干扰。 因为空间电磁场在每个绞环中产生的感应电势是相同的,但对于每条线路,感应电势可以相互抵消,因此对传输的信号没有影响。 第二,信号电流在两条信号线上大小相同,方向相反,使成对的导线与其他信号线的相互方向为零,从而消除了干扰。 对于长距离传输,负载阻抗与扭转扭矩特性阻抗之间的对应也应注意,以避免传输反射和信号失真。

5.3. 5隔离技术

 在接口电路中,如果接地超过两个点,则可以输入电荷耦合干扰和接地回路电流干扰。 消除这些干涉的方法是使用隔离技术。 一般有两种电磁绝缘和光电绝缘.

 传感器接口电路中的各种抗干扰措施对于测试系统的可靠运行是必要的,但并非所有的抗干扰措施都应在同一电路中使用,而且其实际应用应适合具体情况。 一般来说,传感器输出信号越小,抗干扰措施就越严格。


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