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劉細(xì)鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:文章分析了霍爾元件測(cè)量發(fā)電機(jī)輸出功率的原理,并根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)霍爾元件測(cè)量交流電源功率的電路,通過理論計(jì)算確定所用元件參數(shù)(交流電源、交流磁場(chǎng)源電路設(shè)計(jì))。根據(jù)軟硬件的設(shè)計(jì),做出了個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)量裝置。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理以及誤差分析,驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性。
關(guān)鍵詞:霍爾元件;發(fā)電機(jī);輸出功率;交流磁場(chǎng)源
0引言
霍爾電流、電壓傳感器是近十幾年發(fā)展起來(lái)的測(cè)量電流、電壓的新代工業(yè)用電量傳感器,是種新型的高性能電氣檢測(cè)元件。電網(wǎng)中,越來(lái)越多的負(fù)載采用電源變換器供電,用普通的功率計(jì)測(cè)量這類電能有點(diǎn)困難。例如發(fā)電機(jī)運(yùn)行用的頻率變換器就是把直流電壓變換成頻率自由選擇的交流電壓。根據(jù)電機(jī)的頻率周期的變化,重復(fù)頻率可以高達(dá)20kHz,脈沖寬度在l~5O微秒范圍內(nèi)。雖然電機(jī)的電流是連續(xù)的,但是由于電機(jī)是感性負(fù)載,故電機(jī)的電壓是由許多高頻脈沖電壓組成的IS]。因此用普通的功率計(jì)不能測(cè)量脈寬調(diào)制的高頻脈沖電壓的有效值,采用霍爾效應(yīng)元件的電流測(cè)量法。因?yàn)槲挥诳刂苽?cè)的霍爾效應(yīng)元件具有把兩個(gè)高頻脈沖電量相乘的功能,只要再配上定的放大器電路就能把結(jié)果顯示出來(lái)日。
1基本原理
圖1系統(tǒng)基本組成框圖
圖1為霍爾式發(fā)電機(jī)功率測(cè)量系統(tǒng)基本原理框圖。螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為:
B=KbIL (1)
霍爾元件的輸出電壓為:
UH=KHIeB (2)
把(1)式代入(2)式得:
UH=KbKHILIeB (3)
電機(jī)兩端電壓為:
UL=KLIe (4)
則:Ie=UL/RL (5)
將(5)式代人(3)式得:
UH=Kb/RLULILB (6)
由(6)式得出:霍爾元件測(cè)得的輸出電壓UH與電機(jī)輸出的功率ULIL成線性關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載消耗功率的測(cè)量。那么在正弦交流電路中,電壓電流相量分別為UL,IL,它們之間相位差為φ,則:
Ie=KbUlmsinwt (7)
在負(fù)載上的電流為:
ilm=ILMsin(wt+f) (8)
其則在線圈上產(chǎn)生的垂直于霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度B可表示為:
B=K1ILMsin(wt+f) (9)
代入式(2)得:
UH=KUlmILMcosφ-KUlmILMcos(2wt+φ)非(10)
對(duì)上式求其平均值,得:
UH=KUlmILMcosφ=KP (11)
其中,K=KHKLKB,P=UIcosf為功率。因此只要測(cè)出了UH就可以計(jì)算出負(fù)載功率P。以上介紹的為相的功率測(cè)量方法,對(duì)于三相電路,只需用三個(gè)和圖l相同的電路進(jìn)行分別測(cè)量,然后求三個(gè)測(cè)量值的和即可。
2測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
文章設(shè)計(jì)的功率測(cè)量系統(tǒng)主要以霍爾轉(zhuǎn)換器和AT89S51為核心將電路中的電壓電流乘積即電路消耗的電功率轉(zhuǎn)化為霍爾元件的電勢(shì)形式,通過測(cè)量霍爾元件的霍爾電勢(shì)得到電路的電功率值,經(jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換等電路處理后,經(jīng)單片機(jī)AT89551根據(jù)不同時(shí)段價(jià)格計(jì)算出所用電量并送到LCD上顯示。系統(tǒng)包括霍爾元件傳感器裝置、微處理器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路等。
圖2霍爾式發(fā)電機(jī)功率測(cè)量系統(tǒng)硬件框圖
單片機(jī)AT89C51在整個(gè)系統(tǒng)中將采集的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入I/0口存儲(chǔ),通過對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算出功率,并將結(jié)果送到LCD模塊顯示。單片機(jī)系統(tǒng)如圖3所示。
圖3單片機(jī)AT89C51系統(tǒng)
圖4二階有源低通濾波器
信號(hào)調(diào)理電路由前置放大電路、低通濾波器、階同相放大器組成,如圖4、5所示。圖6為L(zhǎng)CD顯示電路,液晶顯示模塊采用EPSON點(diǎn)陣式EA—D20040模塊。圖7所示為A/D轉(zhuǎn)換電路,文章采用美信ICL7135轉(zhuǎn)換器芯片。
圖5階同相放大器
圖6EA—D20040與AT89S51接口電路
圖7A/D轉(zhuǎn)換電路
3安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型
3.1產(chǎn)品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換,通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受,響應(yīng)時(shí)間快,電流測(cè)量范圍寬精度高,過載能力強(qiáng),線性好,抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器,UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)采集和反饋控制。
3.2產(chǎn)品選型
3.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器
型號(hào) | 額定電流 | 供電電源 | 額定輸出 | 測(cè)量孔徑(mm) | 準(zhǔn)確度 |
AHKC-EKA | 0~(20-500)A | ±15V | 5V | φ20 | 1級(jí) |
AHKC-EKAA | DC0~(50-500)A | 12V/24V | 4~20mA | φ20 | 1級(jí) |
AHKC-EKDA | AC0~(50-500)A | 12V/24V | 4~20mA | φ20 | 1級(jí) |
AHKC-EKB | 0~(50-1000)A | ±15V | 5V | φ40 | 1級(jí) |
AHKC-EKBA | DC0~(50-1000)A | 12V/24V | 4~20mA | φ40 | 1級(jí) |
AHKC-EKBDA | AC0~(50~1000)A | 12V/24V | 4~20mA | φ40 | 1級(jí) |
AHKC-EKC | 0~(50-1500)A | ±15V | 5V | φ60 | 1級(jí) |
AHKC-EKCA | DC0~(50-1500)A | 12V/24V | 4~20mA | φ20 | 1級(jí) |
AHKC-EKCDA | AC0~(50-1500)A | 12V/24V | 4~20mA | φ20 | 1級(jí) |
AHKC-K | 0~(400-2000)A | ±15V | 5V | 64×16 | 1級(jí) |
AHKC-KAA | DC0~(400-2000)A | 12V/24V | 4~20mA | 64×16 | 1級(jí) |
AHKC-KDA | AC0~(400-2000)A | 12V/24V | 4~20mA | 64×16 | 1級(jí) |
AHKC-H | 0~(500-3000)A | ±15V | 5V | 82×32 | 1級(jí) |
AHKC-KA | 0~(500-5000)A | ±15V | 5V | 104×36 | 1級(jí) |
AHKC-HB | 0~(2000-20000)A | ±15V | 5V | 132×52 | 1級(jí) |
AHKC-HBAA | DC0~(2000-20000)A | 12V/24V | 4~20mA | 132×52 | 1級(jí) |
AHKC-HBDA | AC0~(2000-20000)A | 12V/24V | 4~20mA | 132×52 | 1級(jí) |
表1
3.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器
型號(hào) | 額定電流 | 供電電源 | 額定輸出 | 測(cè)量孔徑(mm) | 準(zhǔn)確度 |
AHKC-E | 0~(20-500)A | ±15V | 4V/5V | φ20 | 1級(jí) |
AHKC-LT | 0~(100-800)A | ±15V | 4V/5V | φ32.5 | 1級(jí) |
AHKC-EA | 0~(200-2000)A | ±15V | 4V/5V | Φ40 | 1級(jí) |
AHKC-EB | 0~(200-2000)A | ±15V | 4V/5V | Φ60 | 1級(jí) |
AHKC-BS | 0~(20-500)A | ±15V | 4V/5V | 20.5*10.5 | 1級(jí) |
AHKC-BSA | DC0~(50-500)A | 12V/15V/24V | 4~20mA | 20.5*10.5 | 1級(jí) |
AHKC-C | DC0~(100-800)A | ±15V | 4V/5V | 31*13 | 1級(jí) |
AHKC-F | 0~(200-1000)A | ±15V | 4V/5V | 43*13 | 1級(jí) |
AHKC-FA | 0~(200-1500)A | ±15V | 4V/5V | 52*15 | 1級(jí) |
AHKC-HAT | 0~(400-2000)A | ±15V | 4V/5V | 52*32 | 1級(jí) |
表2
3.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器
型號(hào) | 額定電流 | 供電電源 | 額定輸出 | 測(cè)量孔徑(mm) | 準(zhǔn)確度 |
AHBC-LTA | 0~(100~300)A | ±15V | 50mA/100mA | φ20 | 0.5級(jí) |
AHBC-LT1005 | 0~1000A | ±15V | 200mA | / | 0.5級(jí) |
AHBC-LF | 0~2000A | ±15V | 400mA | / | 0.5級(jí) |
表3
3.2.4直流漏電流傳感器
型號(hào) | 額定電流 | 供電電源 | 額定輸出 | 測(cè)量孔徑(mm) | 準(zhǔn)確度 |
AHLC-LTA | DC0~(10mA~2A) | ±15V | 5V | φ20 | 1級(jí) |
AHLC-EA | DC0~(10mA~2A) | ±15V | 5V | φ40 | 1級(jí) |
AHLC-EB | DC0~(10mA~2A) | ±15V | 5V | φ60 | 1級(jí) |
表4
4結(jié)束語(yǔ)
文章介紹的功率測(cè)量電路可用于測(cè)量變換器供電電機(jī)的功率消耗。由于這類工作電壓不是正弦波,而是脈寬調(diào)制的高頻矩形脈沖,所以這種電路適用于脈寬為1微秒的電壓,或者說脈沖重復(fù)頻率是500kHz。電壓的波形無(wú)關(guān)緊要,只要它的諧波低于2.5MHz。由于感應(yīng)電流的存在,電流的頻率不是很高,而且應(yīng)該是正弦的。當(dāng)電流頻率高于IkHz時(shí),本設(shè)計(jì)選用的測(cè)量傳感器仍可以正常工作。由于它的峰值電流為33A,測(cè)量電壓可以高達(dá)350V(峰峰值),所以可以測(cè)量測(cè)量的功率高達(dá)2900W。當(dāng)用于三相電源時(shí),這個(gè)值相當(dāng)于電機(jī)的功率為5O00w向。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理以及誤差分析,驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性。
【參考文獻(xiàn)】
[2] 黃穎輝.基于霍爾傳感器的發(fā)電機(jī)功率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
作者簡(jiǎn)介:劉細(xì)鳳,女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事隔離式柵研究發(fā)展