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一文读懂霍尔电压传感器原理及应用

霍尔电压传感器与电磁电压互感器相比,具有体积小、重量轻、频带宽、交流/直流两用等优点,已广泛应用于工业测控领域。

电力电子技术的迅速发展,变频调速技术越来越广泛应用于电动机驱动,电动机系统使用变频调速技术准确的能源效率测量和测试,不仅是考验的变频调速技术的节能效果,而且变频调速技术的基础科学和可持续发展。霍尔电压传感器是用于变频器、风力发电机、交流牵引电机、电动汽车电机等变频器电机测试和能效测量的主要测量装置。本文旨在分析霍尔电压传感器的原理,了解霍尔电压传感器的主要特点,指导工程应用。

霍尔电压传感器实物图

图1霍尔电压传感器实物图

霍尔电压传感器实物图

霍尔电压传感器原理

如图2所示,

霍尔电压传感器原理霍尔电压传感器主要包括一次线圈、磁环、二次线圈、放大电路和限流电阻R与一次线圈串联。除去限流电阻R,其余部分相当于一个闭环霍尔电流传感器。不同的是,传感器的一次电流非常小,通常是毫安级。

直观分析:小信号测量困难,测量精度低。因此,基于霍尔效应的霍尔电压传感器的性能远远低于霍尔电流传感器。

霍尔电压传感器原理

图2霍尔电压传感器原理

显然,一次线圈电流越大,电阻r的功率越大。电流过大会带来以下缺点:

传感器耗电量大,对被测电路有影响;

高耐热性、高温、温度漂移对测量精度的影响;

为了散热,必须增大霍尔电压传感器的体积,这不利于绝缘。

上述原因决定了实际霍尔电压传感器的输入限流电阻较大,测试电压越高,其阻值越大。

三霍尔电压传感器的特点

前文分析了霍尔电压传感器的工作原理。我们知道霍尔电压传感器的输入电阻值较大,一次绕组匝数较大。

在客观世界中,没有理想的电阻元件,因为电阻元件本身具有一定的形状和体积,这必然会产生额外的电感和电容。此外,环境的分布电感和分布电容对电阻元件也有一定的影响。如图3所示,电阻元件可以与电感L串联等效为电阻R,然后与电容C并联。

电阻元件等效电路

电阻元件等效电路

图3霍尔电压传感器串联电阻元件等效电路

图3中电阻元件的阻抗为:

霍尔电压传感器输入电阻等效模型公式

在上面的公式中,Re和Xe分别是等效电阻和等效电抗的分量。

由于L和C一般较小,1/LC较大,在2<<1/LC和<<1/RC中,上述方程可以简化为:

霍尔电压传感器输入电阻简化数学模型

霍尔电压传感器输入电阻简化数学模型

一般来说,由于L很小,第一项可以忽略不计。对于第二项,当RC很小的时候,它非常接近R,但是当R很大的时候RC是不能忽略的。

当RC相对不可忽略时,第二项对霍尔电压传感器的精度和带宽有很大的影响。

由此得出第一个结论:采用相同的技术时,输入电阻越大,分布参数对霍尔电压传感器带宽的影响越大。

通过分析霍尔电压传感器的工作原理可知,霍尔电压传感器的一次线圈匝数较多。线圈的匝数越多,电感就越大。正常情况下,多匝线圈灵敏度明显,不适合交流电压测试。然而,根据霍尔电压传感器原理分析,当霍尔电压传感器正常工作时,补偿绕组磁场作用下,霍尔元件的磁感应强度为零。如果磁感应强度在一次线圈内外处处为零,则为线圈i的实际等效电感

是零。这是霍尔电压传感器适用于交流电压测试且通常具有宽频带的重要原因之一。

但是,一次线圈和补偿线圈不能完全重合,一次线圈内部和附近的磁场不可能处处为零。磁场的存在必然会影响霍尔电压传感器的电流变化和带宽。

为了使霍尔元件具有足够的灵敏度,霍尔电压传感器的一次电流越小,需要的匝数就越多。匝数越多,霍尔电压传感器带宽越窄。

这就引出了第二个结论:在使用相同的技术时,一次绕组匝数越多,霍尔电压传感器的带宽越大。

对于霍尔电压传感器,考虑到通过电阻的电流会产生热量,一般情况下,所测电压越高,限流电阻R越大,RC对霍尔电压传感器的影响越大。测量的电压越高,一次线圈的电流越小,一次线圈的匝数越多。

这是同一厂家的霍尔电压传感器带宽随着测试电压的增加而逐渐减小的主要原因。

常用霍尔电压传感器四种技术规格

下表显示了common hall电压传感器和AnyWay公司的SP103501C变频功率传感器的上升时间、精度和带宽。从表中可以看出,随着测试电压的增加,霍尔电压传感器的精度降低,上升的时间和带宽变大。

通用霍尔电压传感器通用技术指标

表1常用霍尔电压传感器的主要技术指标

注:由于目前大多数霍尔电压传感器尚未公布带宽指标,可以根据经验公式BW=0.35/tr估算带宽。表中的带宽是根据这个公式计算的。

表中霍尔电压传感器的精度和带宽与第三节的分析一致。另外,表中6400V霍尔电压传感器的带宽仅为700Hz,用于交流电源时需要特别注意。

在变频电源(通常也称为宽带功率测量)测量,目前大部分的变频功率分析仪可以直接测量1 kv电压,在霍尔电压传感器主要用于测量交流电压1 kv,和1 kv电压霍尔传感器精度较低、窄带宽,用户在构建1 kv高压变频电源测试系统,应特别注意。


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