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。 

四、傳感器型號(hào)、結(jié)構(gòu)和安裝方法  

ABB 公司的傳感器產(chǎn)品說(shuō)明一般由“傳感器產(chǎn)品型號(hào)”和“生產(chǎn)日期”兩部分構(gòu)成 [5] 。“傳感器產(chǎn)品型號(hào)”用于標(biāo)明傳感器的型號(hào)、額定測(cè)量值、標(biāo)準(zhǔn)型或非標(biāo)準(zhǔn)型。“傳感器生產(chǎn)日期”則是由 8 位數(shù)字構(gòu)成，表明傳感器的生產(chǎn)年份、日期（一年中的第幾日）及傳感器序列號(hào)。  

ABB 公司的傳感器產(chǎn)品很多，每種傳感器的外形結(jié)構(gòu)、尺寸大小等都有所不同，下面介紹幾種典型的外形結(jié)構(gòu)及安裝接線方法。  

1 、 MP25P1 電流傳感器  

MP25P1 電流傳感器是 ABB 公司中一種量程很小的傳感器，所能測(cè)量的額定電流為 5 、 6 、 8 、 12 、 25A ，原邊管腳的不同接法可確定額定測(cè)量電流為多少，參見(jiàn)圖 5 。  

2 、 ES300C 電流傳感器  

如 MP25P1 一樣，一般傳感器都有正極（ + ）、負(fù)極（ - ）、測(cè)量端（ M ）三個(gè)管腳，但 ES300C 則沒(méi)有此三個(gè)管腳，而是有紅、黑、綠三根引線，分別對(duì)應(yīng)于正極、負(fù)極及測(cè)量端。同時(shí)在 ES300C 型傳感器中有一內(nèi)孔，測(cè)量原邊電流時(shí)要將導(dǎo)線穿過(guò)該內(nèi)孔。  

不管是 MP25P1 還是 ES300C 型等電流傳感器，安裝時(shí)管腳的接線應(yīng)根據(jù)測(cè)量情況進(jìn)行相應(yīng)連線。  

（ 1 ）在測(cè)量交流電時(shí)，必須強(qiáng)制使用雙極性供電電源。即傳感器的正極（ + ）接供電電源“ +VA ”端，負(fù)極接電源的“ -VA ”端，這種接法叫雙極性供電電源。同時(shí)測(cè)量端（ M ）通過(guò)電阻接電源“ 0V ”端。  

（ 2 ）在測(cè)量直流電流時(shí)，可使用單極性或單相供電電源，即將正極或負(fù)極與“ 0V ”端短接，從而形成只有一個(gè)電極相接的情況，其接法共有四種（見(jiàn)圖 6 和圖 7 ）。  

在傳感器產(chǎn)品中，標(biāo)有“ -N ”標(biāo)志的表示該傳感器沒(méi)有電源意外倒置防護(hù)措施；標(biāo)有“ -P ”標(biāo)志的則表示該傳感器具有防護(hù)措施。圖 6 是無(wú)保護(hù)二極管時(shí)的單極性供電電源安裝接線方法，圖 7 是加有保護(hù)措施的傳感器的接法。  

(3) 具有屏蔽作用的傳感器的連接方法  

ABB 公司的部分電流傳感器具有電磁屏蔽作用，其產(chǎn)品外殼上會(huì)多一個(gè)“ E ”標(biāo)志的端口，其連接方式有兩種：將屏蔽端和負(fù)極（ -V A ）或零線（ 0V ）相連，如圖 8 所示。  

　　另外，安裝時(shí)必須全面考慮產(chǎn)品的用途、型號(hào)、量程范圍、安裝環(huán)境等。比如傳感器應(yīng)盡量安裝在利于散熱的場(chǎng)合；如果環(huán)境只適于垂直安裝，則必須選擇帶“ V ”字標(biāo)志的傳感器（如 CS300 BRV ）。  

五、提高測(cè)量精度的方法  

除了安裝接線、即時(shí)標(biāo)定校準(zhǔn)、注意傳感器的工作環(huán)境外，通過(guò)下述方法還可以提高測(cè)量精度：  

　　1 、原邊導(dǎo)線應(yīng)放置于傳感器內(nèi)孔中心，盡可能不要放偏；  

　　2 、原邊導(dǎo)線盡可能完全放滿傳感器內(nèi)孔，不要留有空隙；  

　　3 、需要測(cè)量的電流應(yīng)接近于傳感器的標(biāo)準(zhǔn)額定值 I PN ，不要相差太大。如條件所限，手頭僅有一個(gè)額定值很高的傳感器，而欲測(cè)量的電流值又低于額定值很多，為了提高測(cè)量精度，可以把原邊導(dǎo)線多繞幾圈，使之接近額定值。例如當(dāng)用額定值 100A 的傳感器去測(cè)量 10A 的電流時(shí)，為提高精度可將原邊導(dǎo)線在傳感器的內(nèi)孔中心繞九圈（一般情況， N P =1 ；在內(nèi)孔中繞一圈， N P =2 ；……；繞九圈， N P =10 ，則 N P × 10A=100A 與傳感器的額定值相等，從而可提高精度）；  

　　4 、當(dāng)欲測(cè)量的電流值為 I PN /5 的時(shí)，在 25 ℃仍然可以有較高的精度。  

六、傳感器的抗干擾性  

1 、電磁場(chǎng)  

　　閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器，利用了原邊導(dǎo)線的電磁場(chǎng)原理。因此下列因素直接影響傳感器是否受外部電磁場(chǎng)干擾。  

(1) 傳感器附近的外部電流大小及電流頻率是否變化；  

(2) 外部導(dǎo)線與傳感器的距離、外部導(dǎo)線的形狀、位置和傳感器內(nèi)霍爾電極的位置；  

(3) 安裝傳感器所使用的材料有無(wú)磁性；  

(4) 所使用的電流傳感器是否屏蔽；  

為了盡量減小外部電磁場(chǎng)的干擾，最好按安裝指南安裝傳感器。  

2 、電磁兼容性  

電磁兼容性 EMC ，（ Electro -Magnetic Compatibility ）是研究電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設(shè)備都能正常工作而又互不干擾，達(dá)到“兼容”狀態(tài)的一門學(xué)科 [8] ?？臻g電磁環(huán)境的惡化越來(lái)越容易使電子元器件之間因互不兼容而引發(fā)系統(tǒng)的誤動(dòng)作，因此電工、電子設(shè)備電磁兼容性檢測(cè)極有必要。由于實(shí)際生產(chǎn)、科研及市場(chǎng)推廣的迫切需要，采用已通過(guò)電磁兼容性檢測(cè)的電流和電壓傳感器已形成共識(shí)，并已成為一個(gè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。 ABB 公司的所有電流傳感器自 1996 年 1 月 1 日起，均已通過(guò)了 EMC 檢測(cè)。 

七、傳感器標(biāo)定  

1 、偏移電流 I SO  

偏移電流必須在 I P =0 、環(huán)境溫度 T ≈ 25 ℃的條件下進(jìn)行校準(zhǔn)，按圖 9 方法（雙極性供電）接線，且測(cè)量電壓 V M 必須滿足：  

V M ≦ R M × I SO (5)  

2 、精度  

在 I P = I PN （ AC or DC ）、環(huán)境溫度 T ≈ 25 ℃、傳感器雙極性供電、 R M 為實(shí)際測(cè)量電阻的條件下進(jìn)行測(cè)量，其接線如圖 10 所示，并用公式 (3) 計(jì)算精度。  

3 、保護(hù)性測(cè)試  

ABB 公司的傳感器在測(cè)量電路短路、測(cè)量電路開(kāi)路、供電電源開(kāi)路、原邊電流過(guò)載、電源意外倒置的條件下都可受到保護(hù)。對(duì)上述各項(xiàng)測(cè)試舉例如下：  

（ 1 ）測(cè)量電路短路  

此項(xiàng)測(cè)試必須在 I P = I PN 、環(huán)境溫度 T ≈ 25 ℃、傳感器雙向供電、 R M 為實(shí)際應(yīng)用中的電阻條件下進(jìn)行，連接圖如圖 11 所示，開(kāi)關(guān) S 應(yīng)在一分鐘之內(nèi)合上和打開(kāi)。  

（ 2 ）測(cè)量電路開(kāi)路  

此項(xiàng)測(cè)試條件為 I P = I PN 、環(huán)境溫度 T ≈ 25 ℃、傳感器雙向供電、 R M 是實(shí)際應(yīng)用中的電阻。測(cè)試圖如圖 12 ，開(kāi)關(guān) S 應(yīng)在一分鐘之內(nèi)完成閉合 / 打開(kāi)切換動(dòng)作。  

（ 3 ）電源意外倒置測(cè)試  

為防止電源意外倒置而使傳感器損壞，在電路中專門加裝了保護(hù)二極管，此項(xiàng)測(cè)試可使用萬(wàn)用表測(cè)試二極管兩端，測(cè)試應(yīng)在 I P =0 、環(huán)境溫度 T ≈ 25 ℃、傳感器不供電、不連接測(cè)量電阻的條件下進(jìn)行?？墒褂靡韵聝煞N方法測(cè)試：  

第一種：萬(wàn)用表紅表筆端接傳感器“ M ”端，萬(wàn)用表黑表筆端接傳感器“ + ”端；  

第二種：萬(wàn)用表紅表筆接傳感器負(fù)極，萬(wàn)用表黑表筆接傳感器 M 端；  

在測(cè)試中，如萬(wàn)用表鳴笛，說(shuō)明二極管已損壞。  

八、傳感器應(yīng)用計(jì)算 [5]  

根據(jù)圖 13 ，電流傳感器的主要計(jì)算公式如下：  

N P I P = N S I S ； 計(jì)算原邊或副邊電流  

V M = R M I ； 計(jì)算測(cè)量電壓  

V S = R S I S ； 計(jì)算副邊電壓  

V A = e + V S + V M ； 計(jì)算供電電壓  

其中， e 是二極管內(nèi)部和晶體管輸出的壓降，不同型號(hào)的傳感器有不同的 e 值。這里我們僅以 ES300C 為例，這種傳感器的匝數(shù)比 N P / N S =1/2000 、標(biāo)準(zhǔn)額定電流值 I PN =300A rms 、供電電壓 V A 的范圍為± 12V~ ± 20V （± 5% ）、副邊電阻 R S =30 Ω ，在雙極性（± V A ）供電，其傳感器測(cè)量量程 >100A 且無(wú)防止供電電源意外倒置的保護(hù)二極管的情況下， e =1V 。在上述條件下：  

（ 1 ）給定供電電壓 V A ，計(jì)算測(cè)量電壓 V M 和測(cè)量電阻 R M ：  

假設(shè)：供電電壓 V A = ± 15V  

根據(jù)上述公式得：  

測(cè)量電壓 V M =9.5V ；  

測(cè)量電阻 R M =V M /I S =63.33 Ω；  

副邊電流 I S =0.15A 。  

所以當(dāng)我們選用 63.33 Ω的測(cè)量電阻時(shí)，在傳感器滿額度測(cè)量時(shí)，其輸出電流信號(hào)為 0.15A ，測(cè)量電壓為 9.5V 。  

（ 2 ）給定供電電壓和測(cè)量電阻，計(jì)算欲測(cè)量的峰值電流；  

假設(shè)：供電電壓 V A = ± 15V ，測(cè)量電阻 R M =12 Ω，  

則： V M + V S = （ R M + R S ）× I S = V A - e =14V  

而： R M + R S =12 W +30 W =42 W ，  

則最大輸出副邊電流： A  

原邊峰值電流： I P max= I S max( N S / N P )=666A  

這說(shuō)明，在上述條件下，傳感器所能測(cè)量的最大電流即原邊峰值電流為 666A 。如果原邊電流大于此值，傳感器雖測(cè)量不出來(lái)，但傳感器不會(huì)被損壞。  

（ 3 ）測(cè)量電阻（負(fù)載電阻）能影響傳感器的測(cè)量范圍。  

測(cè)量電阻對(duì)傳感器測(cè)量范圍也存在影響，所以我們需要精心選擇測(cè)量電阻。用下式可計(jì)算出測(cè)量電阻：  

其中， V Amin —扣除誤差后的最小供電電壓；  

e —傳感器內(nèi)部晶體管的電壓降；  

R S —傳感器副邊線圈的電阻；  

I S max —原邊電流 I P 為最大值時(shí)的副邊電流值。  

另外我們可以通過(guò)下式確認(rèn)所選傳感器的穩(wěn)定性。  

如果 V A min 不符合上式，則會(huì)造成傳感器的不穩(wěn)定。一旦出現(xiàn)這種情況，我們可以有以下三種方法克服：  

1 ）更換電壓更大的供電電源；  

2 ）減小測(cè)量電阻的值；  

3 ）將傳感器更換成 R S 較小的傳感器。  

例如，某種型號(hào)的電流傳感器，其標(biāo)準(zhǔn)額定電流 I PN =1000A ，匝數(shù)比 N P / N S =1/2000 ， e 值為 1.5V ，副邊電阻 R S =30 Ω，測(cè)量電阻 R M =15 W ，用 15V 電源單極性供電。則 V A =30V （單極性供電是雙極性供電的 2 倍）， 而：  

I S = I P × N P / N S =0.5A  

V S = R S × I S =15V  

V M = R M × I S =7.5V  

=24V<30V  

通過(guò)以上檢驗(yàn)，可知這種傳感器在此條件下測(cè)量能保證穩(wěn)定性。它所能測(cè)量的原邊電流的最大值（即測(cè)量范圍） 

九、結(jié)束語(yǔ)  

在城市用電設(shè)備增多，農(nóng)村供電設(shè)備老化欠修的情況下，城鄉(xiāng)各地經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電壓不穩(wěn)、電路短路、過(guò)流等現(xiàn)象，結(jié)果造成人民生活不便和儀器損毀。在電源技術(shù)中使用傳感檢測(cè)功能可以使電源設(shè)備更加小型化、智能化和安全可靠。  

電源技術(shù)發(fā)展到今天，已融合了電子、功率集成、自動(dòng)控制、材料、傳感、計(jì)算機(jī)、電磁兼容、熱工等諸多技術(shù)領(lǐng)域的精華，我們有理由相信，在 21 世紀(jì)的電源技術(shù)中，傳感器也將發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，所以對(duì)電流傳感器的應(yīng)用和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，傳感器工作者應(yīng)該給予足夠重視。 ABB 公司的傳感器因其型號(hào)多，量程寬（電流 5~6000A ；電壓 50~5000V ）、高精度、靈敏度高、線性度好、規(guī)范、易安裝、抗干擾能力強(qiáng)、質(zhì)量可靠、平均無(wú)故障時(shí)間 MTBF 長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域特別是在機(jī)車牽引和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中值得用戶信賴。