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(mén)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(xiàn)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(lèi)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(xiàn)經(jīng)過(guò)電流傳感器時(shí)，原邊電流IP會(huì)產(chǎn)生磁力線(xiàn)①，原邊磁力線(xiàn)集中在磁芯②周?chē)?，?nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電極③可產(chǎn)生和原邊磁力線(xiàn)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IS⑤，并存在以下關(guān)系式

　　其中，IS—副邊電流；

　　IP—原邊電流；

　　NP—原邊線(xiàn)圈匝數(shù)；

　　NS—副邊線(xiàn)圈匝數(shù)；

　　NP/NS—匝數(shù)比，一般取NP=1。

　　電流傳感器的輸出信號(hào)是副邊電流IS，它與輸入信號(hào)（原邊電流IP）成正比，IS一般很小，只有100~400mA。如果輸出電流經(jīng)過(guò)測(cè)量電阻RM，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IPN和額定輸出電流ISN

　　IPN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），IPN的大小與傳感器產(chǎn)品的型號(hào)有關(guān)。

　　ISN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VA

　　VA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VA又分為正極供電電壓VA+和負(fù)極供電電壓VA-。

　　3、測(cè)量范圍Ipmax

　　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IPN。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VAmin是雙相供電電壓VAmin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IPN。在+25℃時(shí)，傳感器測(cè)量精度受原邊電流影響的曲線(xiàn)如圖3所示，使用下面公式可計(jì)算出精度

　　其中，K=NS/NP。

　　計(jì)算精度時(shí)必須考慮偏移電流、線(xiàn)性度、溫度漂移的影響。

　　(1).偏移電流ISO

　　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℃，IP=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(xiàn)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(xiàn)性度

　　參見(jiàn)圖4，線(xiàn)性度決定了傳感器輸出信號(hào)（副邊電流IS）與輸入信號(hào)（原邊電流IP）在測(cè)量范圍內(nèi)成正比的程度，ABB公司的電流傳感器線(xiàn)性度要優(yōu)于0.1%。

　　(3).溫度漂移

　　偏移電流ISO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)，ISO會(huì)產(chǎn)生變化。因此，考慮偏移電流ISO的最大變化是很重要的，這可以通過(guò)下式計(jì)算

　　其中，CV（Cataloguevalue）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Tmax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(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)應(yīng)根據(jù)測(cè)量情況進(jìn)行相應(yīng)連線(xiàn)。

　　（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。

　?。?）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(xiàn)方法，圖7是加有保護(hù)措施的傳感器的接法。

　?。?）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（-VA）或零線(xiàn)（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CS300BRV）。

　　五、提高測(cè)量精度的方法

　　除了安裝接線(xiàn)、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(xiàn)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(xiàn)盡可能完全放滿(mǎn)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IPN，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(xiàn)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(xiàn)在傳感器的內(nèi)孔中心繞九圈（一般情況，NP=1；在內(nèi)孔中繞一圈，NP=2；……；繞九圈，NP=10，則NP×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IPN/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(xiàn)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(xiàn)與傳感器的距離、外部導(dǎo)線(xiàn)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-MagneticCompatibility）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(mén)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ISO

　　偏移電流必須在IP=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(xiàn)，且測(cè)量電壓VM必須滿(mǎn)足：

　　VM≦RM×ISO(5)

　　2、精度

　　在IP=IPN（ACorDC）、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙極性供電、RM為實(shí)際測(cè)量電阻的條件下進(jìn)行測(cè)量，其接線(xiàn)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IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM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IP=IPN、環(huán)境溫度T≈25℃、傳感器雙向供電、RM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。

　?。?）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(zhuān)門(mén)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IP=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。可使用以下兩種方法測(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：

　　NPIP=NSIS；計(jì)算原邊或副邊電流

　　VM=RMI；計(jì)算測(cè)量電壓

　　VS=RSIS；計(jì)算副邊電壓

　　VA=e+VS+VM；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NP/NS=1/2000、標(biāo)準(zhǔn)額定電流值IPN=300Arms、供電電壓VA的范圍為±12V~±20V（±5%）、副邊電阻RS=30Ω，在雙極性（±VA）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：

　?。?）給定供電電壓VA，計(jì)算測(cè)量電壓VM和測(cè)量電阻RM：

　　假設(shè)：供電電壓VA=±15V

　　根據(jù)上述公式得：

　　測(cè)量電壓VM=9.5V；

　　測(cè)量電阻RM=VM/IS=63.33Ω；

　　副邊電流IS=0.15A。

　　所以當(dāng)我們選用63.33Ω的測(cè)量電阻時(shí)，在傳感器滿(mǎn)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。

　?。?）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VA=±15V，測(cè)量電阻RM=12Ω，

　　則：VM+VS=（RM+RS）×IS=VA-e=14V

　　而：RM+RS=12W+30W=42W，

　　則最大輸出副邊電流：A

　　原邊峰值電流：IPmax=ISmax(NS/NP)=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。

　?。?）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，VAmin—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；

　　RS—傳感器副邊線(xiàn)圈的電阻；

　　ISmax—原邊電流IP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VAmin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RS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IPN=1000A，匝數(shù)比NP/NS=1/2000，e值為1.5V，副邊電阻RS=30Ω，測(cè)量電阻RM=15W，用15V電源單極性供電。則VA=30V（單極性供電是雙極性供電的2倍），而：

　　IS=IP×NP/NS=0.5A

　　VS=RS×IS=15V

　　VM=RM×IS=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(xiàn)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(chē)牽引和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中值得用戶(hù)信賴(lài)。