ABB電壓傳感器的應用
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隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的日益提高，城市人口和建設規(guī)模的不斷擴大，各種用電設備的日益增多，廣大農(nóng)村地區(qū)的電網(wǎng)又欠改造和擴容，用電環(huán)境變得越來越惡劣。突然斷電或電壓不足的情況經(jīng)常有之，因此對電源的“考驗”越來越嚴重。據(jù)統(tǒng)計，每天，您的用電設備都要遭受120 次左右的各種各樣的電源問題的侵擾，電子設備故障的60%來自電源。結果，您花費大量資金建立的整套IT系統(tǒng)，卻有可能因突發(fā)的電源浪涌、尖峰、欠壓或突然斷電等電源問題造成宕機、PC硬件的損壞或寶貴數(shù)據(jù)的丟失。因此，電源質量的好壞將直接影響整個電子設備的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。如何確保人身和數(shù)據(jù)安全，保證用電設備正常穩(wěn)定的工作，減少老百姓和單位的損失，在電源出現(xiàn)問題的時候及時安全關機，實現(xiàn)無人值守的智能管理等，在經(jīng)濟快速發(fā)展和生活水平提高的今天，電源問題的重要性日益凸顯出來。原先作為配角而不進行大量投入研究的電源越來越成為正規(guī)廠商和設計研究者的重視，電源技術遂發(fā)展成為一門嶄新的技術。
而今，小小的電源設備已經(jīng)融合了越來越多的新技術。例如開關電源、硬開關、軟開關、參數(shù)穩(wěn)壓、線性反饋穩(wěn)壓、磁放大器技術、數(shù)控調(diào)壓技術、相控技術、變頻、移相諧振、無功補償、PWM、SPWM、軟開關PWM、功率因數(shù)校正、裂相、電流均分、驅動保護、儲能、充電、抗干擾、電磁兼容等等。實際需要推動電源技術不斷發(fā)展和進步，為了自動檢測和顯示電壓，在過壓、欠壓、浪涌等危害情況發(fā)生時具有自動保護功能和更高級的智能控制，采用具有傳感檢測、傳感采樣、傳感保護的電源技術必不可少且漸成趨勢，傳感器技術在電源這一新的領域也得到了進一步的應用和發(fā)展，檢測電流或電壓的傳感器便應運而生并在我國開始受到廣大電源設計者的青睞，本文主要介紹ABB公司的電壓傳感器。
2 電壓傳感器的工作原理和特性參數(shù)
2.1 電壓傳感器的的工作原理
ABB公司的電壓傳感器所依據(jù)的工作原理主要是霍爾效應。如圖1，當原邊導線經(jīng)過電壓傳感器時，原邊電流IP會產(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可把這個微小的信號轉變成副邊電流IS⑤，副邊電流IS乘以副邊線圈匝數(shù)NS就等于原邊電流IP乘以原邊線圈匝數(shù)NP，即：
NP×IP=NS×IS 或者 IS = IP ×NP/NS
其中, NP/NS叫匝數(shù)比，而且一般有NP=1
電壓傳感器的輸出信號是副邊電流IS，在任何時候，它總與輸入信號（原邊電流IP）成正比，IS一般很小。如果輸出電流經(jīng)過測量電阻RM，則可以得到一個與原邊電流成正比的大小為幾伏的輸出電壓信號。
比如，對EM010型的電壓傳感器，其IS一般只有50mA。通過測量副邊電流IS后可求出原邊電流IP，再通過UP=（RE+RP）IP（參見圖）使可求出所欲求的電壓。
圖1 電壓傳感器的工作原理
ABB公司電壓傳感器的特性參數(shù)與電流傳感器的特性參數(shù)基本相同，用戶可以查看文獻[2]，本文主要將文獻[2]中未講到的特性參數(shù)補充如下：
(1) 溫度特性
溫度是傳感器的基本特性之一，ABB公司的電壓傳感器所說的溫度有工作溫度和貯存溫度兩個。其中工作溫度（或使用溫度）是指傳感器正常工作時的溫度，它的大小對電流額定值、可靠性 、最大測量范圍、測量精度等都有影響。ABB公司的傳感器，其所有特性都是在工作溫度范圍內(nèi)給出的，當在工作溫度內(nèi)使用時，所有特性都能保證。而貯存溫度則指傳感器必須保存在其所規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，超過了這個范圍，傳感器就不能正常使用。注意每種型號的傳感器，工作溫度和貯存溫度都可能不同，比如，VS型電壓傳感器的工作溫度是-40℃~+85℃之間，而貯存溫度為-50℃~+90℃。圖2給出的是電壓傳感器霍爾電壓與環(huán)境溫度的變化關系。
圖2 霍爾電極電壓與環(huán)境溫度的關系曲線
ABB公司的電壓傳感器，其延遲時間低于1us，所以測量值可以快速跟蹤原邊電壓的真實變化情況（見圖3）。
圖3 延遲時間曲線
ABB公司的傳感器有很好的頻率特性。圖4給出了ABB公司某種電壓傳感器的頻率響應曲線。從圖中可看出，在-1dB處，精度仍可達到10%。當原邊電壓在其工作頻率范圍內(nèi)變化時，傳感器總是在它的最佳工作點工作。事實上，在此頻率前后，傳感器都能正確響應原邊電壓的變化。一般額定值較大的傳感器比額定值小的傳感器相比，傳感器的頻率響應范圍要窄。
圖4 電壓傳感器頻率響應曲線
ABB公司的電壓傳感器主要有三種型號：分別為VS50B-VS1500B、VS2000B-VS4200B，EM010型，參見圖5。
圖5 ABB公司三種電壓傳感器的外形結構
注意圖5中的電壓傳感器，除測量端外，它有兩個電極（HT+、HT-），限于篇幅，電壓傳感器的實際接線方法我們僅舉兩例。例如使用VS1000B型電壓傳感器，對電壓差為1000V，電壓和也為1000V的電壓，其接法可如圖6(a)所示，對于電壓差為1000V，而電壓和則為200V的電壓測量，其接法可如圖6(b)所示。
圖6 電壓傳感器的安裝接線
4 電壓傳感器的應用計算
(1) 電壓傳感器選擇輸入電阻RE和輸出電流IS的計算
對于基于霍爾效應的電壓傳感器，其測量電路原理圖如圖7所示，通過下述幾個公式可計算出其輸出電流：
R=RE+RP；R=UP/IPN；
例如對EM010型電壓傳感器，其各項參數(shù)如下：
IPN=10mA、RP=1500Ω、匝數(shù)比NP/NS=10000/2000=5，
當測量UP=1000V的電壓時，因為：
R=UP/IPN=1000/(10×10-3)=100KΩ>>RP，
因此我們必須選的輸入電阻要較大，如RE=100KΩ，結果，
R=RE+RP=100+1.5=101.5KΩ
IP=UP/R=1000/101.5=9.85mA，
所以在測量端所產(chǎn)生的輸出電流為
IS= NP/NS×IP=5×9.85=49.25mA
(2) 電壓傳感器負載電阻的選擇
對于VS50B~VS1500B的電壓傳感器，負載電阻采用下式計算：
ISmax=ISN×（UPmax/UPN）；
例如，對VS1000B型電壓傳感器，它的有關參數(shù)如下：
UPN=1000V、ISN=50mA 、VA=±24V（±5%）、UPmax=1800V，則：
ISmax=ISN×（UPmax/UPN）=0.05×1800/1000=0.09A
VAmin=24V-24×5%=22.8V
RM=（0.8×VAmin ×ISmax）-55=(0.8×22.8)/0.09-55=148Ω
因此，我們選擇148Ω的負載電阻，則測量端的電壓為：
VM=RM×ISmax=148×0.09=13.3V。
5 結束語
在城市用電設備增多，農(nóng)村供電設備老化欠修的情況下，城鄉(xiāng)各地經(jīng)常會出現(xiàn)電壓不穩(wěn)、電路短路、過流等現(xiàn)象，結果造成人民生活不便和儀器損毀。在電源技術中使用傳感檢測功能可以使電源設備更加小型化、智能化和安全可靠。
電源技術發(fā)展到今天，已融合了電子、功率集成、自動控制、材料、傳感、計算機、電磁兼容、熱工等諸多技術領域的精華，也從多學科交叉的邊緣學科成長為獨樹一幟的功率電子學。我們有理由相信，像在其它技術中一樣，在21世紀的電源技術中，傳感器也將發(fā)揮著至關重要的作用，所以對電流/電壓傳感器的應用和設計開發(fā)，傳感器工作者應該給予足夠重視。而ABB公司的傳感器因其型號多，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、產(chǎn)品質量可靠、平均無故障時間MTBF（The Mean Time Between Failure）長，在電源各領域特別是在機車牽引和工業(yè)應用領域中值得用戶信賴。
參考文獻
[1] 何希才，新型開關電源設計與維修[M] ，北京：國防工業(yè)出版社，2001
[2] 郭純生、何世根，ABB電流傳感器的應用[J]，傳感器世界，2003，9（1）30-36
[3]New Voltages Sensors in Traction，ABB Control，1999，Version2.1，1-15
[4]Voltage sensors VS50…VS1500 Mounting instructions. ABB Control，1999，Version1.1，6-7
[5] Sensor catalogue 2000GB ，ISBC 0011 99R1001，ABB Control ，50-51
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