ABB電壓傳感器的應用

1 引言

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(shè)規(guī)模的不斷擴大，各種用電設(shè)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(shè)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(shè)備故障的60%來自電源。結(jié)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?qū)氋F數(shù)據(jù)的丟失。因此，電源質(zhì)量的好壞將直接影響整個電子設(shè)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(shè)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(guān)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(shè)計研究者的重視，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)融合了越來越多的新技術(shù)。例如開關(guān)電源、硬開關(guān)、軟開關(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)壓技術(shù)、相控技術(shù)、變頻、移相諧振、無功補償、PWM、SPWM、軟開關(guān)PWM、功率因數(shù)校正、裂相、電流均分、驅(qū)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(shù)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(shù)必不可少且漸成趨勢，傳感器技術(shù)在電源這一新的領(lǐng)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(shè)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(zhuǎn)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

2.2 電壓傳感器的特性參數(shù)

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(guān)系。

圖2 霍爾電極電壓與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線

(2) 延遲特性

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

(3) 頻率特性

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

3 電壓傳感器的安裝接法

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(jié)構(gòu)

ABB公司的電壓傳感器（包括電流傳感器）的測量端一般有三個端，其接口通常有“Molex、JST、UL cable” 三種類型，最常見的是Molex型。

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

安裝時也要注意溫度對傳感器的影響，傳感器應盡量安裝在利于散熱的場合；如果環(huán)境只能用垂直安裝方式，則必須選擇產(chǎn)品型號末尾后有“V”字標志的傳感器，其它注意事項和各種型號的傳感器外型尺寸請參考文獻[2]和ABB公司產(chǎn)品目錄。

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(jié)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：

對于VS2000B~VS4200B的電壓傳感器，負載電阻則采用下式計算：

式中：VAmin=消除誤差干擾后的最小供電電壓；

ISmax=ISN×（UPmax/UPN）；

例如，對VS1000B型電壓傳感器，它的有關(guān)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(jié)束語

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)常會出現(xiàn)電壓不穩(wěn)、電路短路、過流等現(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、自動控制、材料、傳感、計算機、電磁兼容、熱工等諸多技術(shù)領(lǐng)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(shù)中一樣，在21世紀的電源技術(shù)中，傳感器也將發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，所以對電流/電壓傳感器的應用和設(shè)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(zhì)量可靠、平均無故障時間MTBF（The Mean Time Between Failure）長，在電源各領(lǐng)域特別是在機車牽引和工業(yè)應用領(lǐng)域中值得用戶信賴。

參考文獻
[1] 何希才，新型開關(guān)電源設(shè)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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