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淺談霍爾傳感器在地鐵電力監控系統中的選型與應用
更新時間：2021-05-21點擊次數：2040次
淺談霍爾傳感器在地鐵電力監控系統中的選型與應用
摘要：文中簡單介紹了地鐵電力監控系統，以及基于霍爾效應的霍爾電流傳感器與霍爾電壓傳感器的工作原理，確認了霍爾傳感器在電力監控系統中的應用，介紹了霍爾傳感器在電力監控系統應用中需要注意的問題。
關鍵詞：電力監控系統；霍爾效應；閉環；電流傳感器；電壓傳感器
1電力監控系統概述
隨著我城鎮化進展與城市交通的日益擁擠，地鐵交通已然成為現代城市的重要交通工具。近年來我加快發展地鐵交通建設步伐。當綜合自動化系統在地鐵交通中得以廣泛的運用，該系統包括電力監控系統、火災報警系統、自動售檢票系統、門禁系統、機電設備監控系統等。電力監控系統是地鐵交通綜合監控系統中的個重要部分，其主要是對地鐵交通接觸網上的各種設備進行實時的遠程監控，通過對各種電量參數的測量、比較與運算，實時反饋上報至系統，以供系統根據反饋信息處理各類事故及報警事件。電力監控系統示意圖如圖１所示。
圖1電力監控系統示意圖
電力監控系統檢測和測量的電量參數主要為各個主要回路的電流與電壓。傳統電流測量是通過檢測電阻將電流轉成電壓，該方式存在兩個問題：在大電流檢測時檢測電阻消耗能量，降低效率；檢測電流與輸出電壓不隔離。傳統電壓檢測也存在檢測電壓與輸出電壓非隔離的問題。霍爾型傳感器由于具有較小的體積、低噪聲、低功耗、良好的隔離效果等點，已在電流和電壓測量方面受到廣泛的應用。
2霍爾傳感器簡介
2.1霍爾效應
如圖2所示，將塊長度為Ｌ、寬度為Ｗ的半導體薄片，垂直放在磁感應強度為Ｂ的磁場中，通過外部施加電壓使得薄片橫向的通電電流為I。
圖2霍爾效應和霍爾電壓
當電流I流經霍爾片時，由洛倫茲定理可知，霍爾片中的載流子會分別向霍爾片上下兩側偏轉聚集，從而形成霍爾電場。當霍爾電場產生的電場力和洛侖茲力相等時，霍爾片兩側建立起個穩定的電壓，即霍爾電壓ＵＨ，這種現象就是霍爾效應，該薄片稱為霍爾片。霍爾電壓ＵＨ可以表示為：
ＵＨ=（ＲＨ/ｄ）IB (1)
式中，ＲＨ為霍爾系數，由霍爾片材料的性質決定；ｄ為霍爾片的厚度；ＲＨ/ｄ稱為靈敏度，其值越大，則該霍爾片就越靈敏。由式（1）可見霍爾電壓ＵＨ與控制電流I及磁感應強度Ｂ成正比。若通過外圍電路給霍爾片施加恒定電流I，且使磁感應強度Ｂ與產生該磁場的被測電流呈正比，則可利用此原理制成霍爾電流傳感器；仍固定電流I，若使得Ｂ與產生該磁場的被測電壓呈正比。
霍爾電流、電壓傳感器的測量均屬于間接測量，可對直流或交流的電流和電壓進行測量，且可以做到輸入輸出隔離。根據其結構可分為開環式和閉環式兩種。
2.2開環霍爾電流傳感器
如圖３所示，當電流IＰ流經穿過磁環的長導線時，導線周圍將產生與電流IＰ成正比的磁場，磁力線方向可用右手定則判定。開口磁環氣隙中的霍爾元件可以檢測垂直穿過的磁場強度并轉化為電壓信號，經放大處理后輸出電壓ＵＳ，ＵＳ可以精確的反映電流IＰ的大小。
圖3開環霍爾電流傳感器
2.3閉環霍爾電流傳感器
如圖４所示，閉環霍爾電流傳感器的工作原理如下：當電流IＰ流經穿過磁環的長導線時，磁環氣隙中的霍爾器件會感應到導線周圍的磁場并輸出為電壓信號，電壓信號經運算放大輸出后用于驅動晶體管并使其輸出個電流IＳ。電流IＳ通過開口磁環的副邊多匝繞組產生磁場，通過改變該多匝繞組的繞向使得該磁場與原邊被測電流產生的磁場極性相反，因而對原邊電流產生的磁場進行補償。當補償電流IＳ與次級繞組匝數NＳ的乘積等于原邊導線電流IＰ與原邊匝數NＰ乘積相等時（本例中NＰ＝１），磁場達到平衡，補償電流IＳ即穩定，此時可以通過測量IＳ來計算IＰ。根據安匝平衡即有：
圖4閉環霍爾電流傳感器
當IＰ發生任何變化時，上述磁場平衡或者安匝平衡即受到破壞，霍爾器件即有信號輸出，則會有相應的補償電流流經副邊多匝繞組對磁場進行補償，即重復上述過程重新達到平衡。從失衡到再次平衡，這樣個動態平衡的過程，理論上所需的時間不到1μｓ。因此對于閉環式霍爾電流傳感器來說，次級的補償電流安匝數在任何時間都與初級被測電流的安匝數相等。因此閉環電流傳感器又被稱為磁平衡式電流傳感器或補償式傳感器。
2.4 閉環霍爾電壓傳感器
如圖５所示，當原邊被測電壓Ｕp通過限流電阻Ｒi產生的電流Ｉp流過原邊線圈時，磁環氣隙中的霍爾器件通過感應磁環中的磁場并輸出為電壓信號，其工作原理與閉環式霍爾電流傳感器相同，也是以磁平衡方式工作的。
圖5閉環霍爾電壓傳感器
3 霍爾傳感器在電力監控系統中的應用
通過上文關于霍爾電流傳感器和電壓傳感器工作原理的介紹，可以明確地認識到霍爾傳感器在地鐵電力監控系統檢測與測量過程中具有廣泛的應用。
霍爾電流和電壓傳感器可以應用在電力監控系統的各個環節與各個子系統，如圖１所示。
4應用過程中需要注意的問題
(1)應根據被測電流的大小合理選擇導線或者匯流條，然后選擇合適孔徑的電流傳感器，匯流條盡量充滿傳感器孔徑或處于孔徑的中心位置。
(2)傳感器的供電電壓有+5V 或±15V 等，測試時應先打開供電電源，再打開測試電源。關機時應先關閉被測電源，再關閉供電電源，對傳感器進行消磁處理。
(3)霍爾傳感器應盡量安裝在遠離強磁場位置的區域，如應與變壓器、大電感、大電流匯流條等保持距離。
(4)使用霍爾電壓傳感器時應注意限流電阻的耐壓及功耗，避免電阻受到超限應力而損壞。
5安科瑞霍爾傳感器產品選型
5.1產品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。
5.2產品選型
5.2.1開口式開環霍爾電流傳感器
表1
5.2.2閉口式開環霍爾電流傳感器
表2
5.2.3閉環霍爾電流傳感器
表3
5.2.4直流漏電流傳感器
表4
6結束語
本文詳細介紹了霍爾電流、電壓傳感器的工作原理，對霍爾傳感器在地鐵電力監控系統的應用進行了分析，并提示了在應用過程中應該注意的問題。可以明確地認識到霍爾傳感器在地鐵電力監控系統檢測與測量過程中具有廣泛的應用。
【參考文獻】
[1]張夏夏．地鐵電力監控系統設計與實現［D］.上海：華東交通大學，2012．
[2]王 威,魏曉娟.霍爾傳感器在地鐵電力監控系統中的應用
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2020.06版
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