宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：文中簡單介紹了地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)，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(jiān)控系統(tǒng)中的應用，介紹了霍爾傳感器在電力監(jiān)控系統(tǒng)應用中需要注意的問題。
關鍵詞：電力監(jiān)控系統(tǒng)；霍爾效應；閉環(huán)；電流傳感器；電壓傳感器
1電力監(jiān)控系統(tǒng)概述
隨著我國城鎮(zhèn)化進展與城市交通的日益擁擠，地鐵交通已然成為現(xiàn)代城市的重要交通工具。近年來我國加快發(fā)展地鐵交通建設步伐。當前綜合自動化系統(tǒng)在地鐵交通中得以廣泛的運用，該系統(tǒng)包括電力監(jiān)控系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、機電設備監(jiān)控系統(tǒng)等。電力監(jiān)控系統(tǒng)是地鐵交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的一個重要部分，其主要是對地鐵交通接觸網(wǎng)上的各種設備進行實時的遠程監(jiān)控，通過對各種電量參數(shù)的測量、比較與運算，實時反饋上報至系統(tǒng)，以供系統(tǒng)根據(jù)反饋信息處理各類事故及報警事件。電力監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖１所示。
圖1電力監(jiān)控系統(tǒng)示意圖
電力監(jiān)控系統(tǒng)檢測和測量的電量參數(shù)主要為各個主要回路的電流與電壓。傳統(tǒng)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(tǒng)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、良好的隔離效果等優(yōu)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，將一塊長度為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(jīng)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(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相等時，霍爾片兩側建立起一個穩(wěn)定的電壓，即霍爾電壓ＵＨ，這種現(xiàn)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(shù)，由霍爾片材料的性質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(jù)其結構可分為開環(huán)式和閉環(huán)式兩種。
2.2開環(huán)霍爾電流傳感器
如圖３所示，當電流IＰ流經(jīng)穿過磁環(huán)的長導線時，導線周圍將產(chǎn)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(huán)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(jīng)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(huán)霍爾電流傳感器
2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器
如圖４所示，閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理如下：當電流IＰ流經(jīng)穿過磁環(huán)的長導線時，磁環(huán)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(jīng)運算放大輸出后用于驅(qū)動晶體管并使其輸出一個電流IＳ。電流IＳ通過開口磁環(huán)的副邊多匝繞組產(chǎn)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(chǎn)生的磁場極性相反，因而對原邊電流產(chǎn)生的磁場進行補償。當補償電流IＳ與次級繞組匝數(shù)NＳ的乘積等于原邊導線電流IＰ與原邊匝數(shù)NＰ乘積相等時（本例中NＰ＝１），磁場達到平衡，補償電流IＳ即穩(wěn)定，此時可以通過測量IＳ來計算IＰ。根據(jù)安匝平衡即有：
圖4閉環(huán)霍爾電流傳感器
當IＰ發(fā)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(jīng)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，這樣一個動態(tài)平衡的過程，理論上所需的時間不到1μｓ。因此對于閉環(huán)式霍爾電流傳感器來說，次級的補償電流安匝數(shù)在任何時間都與初級被測電流的安匝數(shù)相等。因此閉環(huán)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(huán)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(chǎn)生的電流Ｉp流過原邊線圈時，磁環(huán)氣隙中的霍爾器件通過感應磁環(huán)中的磁場并輸出為電壓信號，其工作原理與閉環(huán)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(huán)霍爾電壓傳感器
3 霍爾傳感器在電力監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)與各個子系統(tǒng)，如圖１所示。
4應用過程中需要注意的問題
(1)應根據(jù)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(qū)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(chǎn)品選型
5.1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(jiān)控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達驅(qū)動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。
5.2產(chǎn)品選型
5.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器
表1
5.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器
表2
5.2.3閉環(huán)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(jiān)控系統(tǒng)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�？梢悦鞔_地認識到霍爾傳感器在地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［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(jiān)控系統(tǒng)中的應用
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2020.06版
作者簡介：宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為絕緣監(jiān)測及剩余電流監(jiān)測， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）
