CN107478887A - 一种阵列式霍尔电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阵列式霍尔电流传感器，包括：霍尔阵列和信号处理电路，其中：霍尔阵列包括4个霍尔元件，4个霍尔元件均匀分布在环形电路板上，环形电路板中央为被测载流导线通道，通过4个霍尔元件产生霍尔电势；4个霍尔元件输出霍尔电势至信号处理电路；信号处理电路包括依次连接的加权增益调整电路、移相电路和功率放大电路；加权增益电路，用于对霍尔电势进行加权增益调整，包括4个运算放大器和1个加法器；移相电路，用于对经过加权增益后的霍尔电势进行移相，移相电路包括滞后移相和超前移相两级电路；功率放大电路用于将移相后的霍尔电势进行功率放大，功率放大电路包括功率放大器，运算放大器，功放调零电路和运放调零电阻。
Description
技术领域
本发明涉及电力的计量领域，更具体地，涉及一种阵列式霍尔电流传感器。
背景技术
电流的准确测量对于电气测量、控制、保护和计量功能都至关重要。常用的电流测量方法有直接接触式测量和非接触式测量。在实际测量使用中，这两种方法在可靠性、稳定性、抗电磁干扰能力和输出功率需求等方面都存在着各自的不足。直接接触式测量基于欧姆定律用分流器获取电流，但这种测量方式需要断开一次导线，而且将增加运行过程中的额外损耗。非接触式测量不需断开一次导线，包括基于法拉第电磁感应定律的电磁式传感器、基于法拉第磁光效应的磁光式传感器和基于霍尔效应的霍尔传感器等。其中，由于电磁式传感器固有的磁饱和缺陷，它不适合用于测量直流和交流大电流；而磁光式传感器易受温度、震动等的影响，其测量稳定度低；而霍尔传感器由于其电气隔离性能好、测量范围大、精度高、性价比优异等优势得到了广泛的研究和采用。
常用的的霍尔电流传感器有开环式和闭环式两种结构，然而，目前大多数霍尔传感器的集磁环采用铁磁性材料，但是利用铁磁性材料仍存在磁饱和问题，易引入电磁干扰，且其输出形式均为电压输出，输出功率低，无法直接和具有大功率输入要求的继电保护装置或者测控装置连接。
因此，需要一种技术，以解决电力系统电流测量过程中的电磁干扰问题。
发明内容
本发明提供了一种阵列式霍尔电流传感器，以解决如何对电流进行准确测量问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种阵列式霍尔电流传感器，所述传感器包括：霍尔阵列和信号处理电路，其中：
所述霍尔阵列包括4个霍尔元件，所述4个霍尔元件均匀分布在环形电路板上，所述环形电路板中央为被测载流导线通道，通过所述4个霍尔元件产生霍尔电势；所述4个霍尔元件输出霍尔电势至所述信号处理电路；
所述信号处理电路包括依次连接的加权增益调整电路、移相电路和功率放大电路；所述加权增益电路，用于对所述霍尔电势进行加权增益调整，包括4个运算放大器和1个加法器；所述移相电路，用于对所述经过加权增益后的霍尔电势进行移相，所述移相电路包括滞后移相和超前移相两级电路；所述功率放大电路用于将所述移相后的霍尔电势进行功率放大，所述功率放大电路包括功率放大器，运算放大器，功放调零电路和运放调零电阻。
优选地，所述霍尔元件的半导体薄膜与所述霍尔阵列的中心轴平行。
优选地，所述加权增益电路的运算放大器的放大增益为Ai，Ai＝R/Ri＝K/Ki(i＝1,2,3,4)；其中，Ki为第i个霍尔元件的霍尔系数，K为统一后的霍尔系数；所述运算放大器的输出霍尔电势由所述加法器相加，得到总霍尔电势Vi，计算公式如下：
其中μ0为真空磁导率，N为霍尔元件个数，iM为被测载流导线的电流。
优选地，所述移相电路由滞后移相和超前移相两级电路组成，其传递函数为其中Vi为所述加权增益电路输出的总霍尔电势，j为虚部单位，ω为角频率，c1为接地电容，c2为输入电容，电阻18R18为输入电阻，电阻21R21为接地电阻,通过调整电阻21R21的阻值改变移相的角度，输出为Vi’。
优选地，所述功放调零电路包括电阻25R25，可变电阻26R26和电阻30R30；所述运放调零电阻为电阻27R27。
优选地，包括：
所述功率放大器同向输入端通过电阻23R23与所述移相电路相连接，反向输入端通过电阻24R24和电阻29R29与所述功放调零电路和功率放大电路的输出端相连接，所述输出端通过电阻24R24连接至所述运算放大器的同相输入端；
所述运算放大器的输出端与反向输入端短接构成电压跟随器，所述输出端通过电阻31R31与所述功率放大器同向输入端连接。
优选地，所述功率放大电路中的参数满足以下公式：
所述功率放大电路的输出电流IO的计算公式为其中V1为功率放大器第3端口和第4端口电压,V2为功率放大器第1端口和第2端口电压,V3为运算放大电路输出端口电压,Vi'为所述移相电路输出电势。
本发明技术方案提出的一种阵列式霍尔电流传感，霍尔阵列不包括铁芯，其抗电磁干扰能力强，且输出功率大，可以直接和具有大功率输入要求的继电保护装置或测控装置连接。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明一实施方式的一种阵列式霍尔电流传感器结构图；
图2为根据本发明一实施方式的信号处理电路连接示意图；
图3为根据本发明一实施方式的加权增益调整电路连接示意图；
图4为根据本发明一实施方式的移相电路连接示意图；
图5为根据本发明一实施方式的功率放大电路连接示意图；以及
图6-a,6-b,6-c为根据本发明一实施方式的测试实验数据图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明一实施方式的一种阵列式霍尔电流传感器结构图。本发明实施方式提供一种阵列式霍尔电流传感器包括信号处理电路以及霍尔阵列，其中，霍尔阵列含有1块印刷电路板和4个霍尔元件，印刷电路板的外形为圆环；霍尔元件均匀对称地成圆周固定在印刷电路板上，其半导体薄膜表面与霍尔阵列的中心轴平行，且每个霍尔元件处有对应的输出口，将各霍尔电势输出至后续信号处理电路，信号处理电路用于信号的加权增益调整、移相和功率放大处理，包括依次连接的加权增益调整电路、移相电路和功率放大电路。本发明实施方式提出的一种阵列式霍尔电流传感器，精度高，由于霍尔阵列不含有铁芯，故不易磁饱和且抗电磁干扰能力强，互感器具有高可靠性。本发明实施方式提出的一种阵列式霍尔电流传感器，功耗小，信号处理电路对输出信号起到了功率放大作用，输出功率大，可以直接和具有大功率输入要求的继电保护装置或者测控装置连接。如图1所，传感器包括：
传感器包括：霍尔阵列和信号处理电路，其中：
霍尔阵列包括4个霍尔元件2，4个霍尔元件2均匀分布在环形电路板1上，环形电路板中央为被测载流导线通道4，通过4个霍尔元件产生霍尔电势；4个霍尔元件2通过霍尔电势输出口3输出霍尔电势至信号处理电路6；
信号处理电路6包括依次连接的加权增益调整电路、移相电路和功率放大电路；加权增益电路，用于对霍尔电势进行加权增益调整，包括4个运算放大器和1个加法器；移相电路，用于对经过加权增益后的霍尔电势进行移相，移相电路包括滞后移相和超前移相两级电路；功率放大电路用于将移相后的霍尔电势进行功率放大，功率放大电路包括功率放大器，运算放大器，功放调零电路和运放调零电阻。优选地，运算放大器为OPA277。优选地，功率放大器为功率放大器OPA549。
优选地，霍尔元件2的半导体薄膜与霍尔阵列的中心轴平行。
优选地，加权增益电路的运算放大器的放大增益为Ai，Ai＝R/Ri＝K/Ki(i＝1,2,3,4)；其中，Ki为第i个霍尔元件的霍尔系数，K为统一后的霍尔系数，统一后的霍尔系数是指每个霍尔元件取得相同霍尔系数，是规定的一个值。
运算放大器的输出霍尔电势由加法器相加，得到总霍尔电势Vi，计算公式如下：
其中μ0为真空磁导率，N为霍尔元件个数，iM为被测载流导线的电流。
优选地，移相电路由滞后移相和超前移相两级电路组成，其传递函数为其中Vi为加权增益电路输出的总霍尔电势，j为虚部单位，ω为角频率，c1为接地电容，c2为输入电容，电阻18R18为输入电阻，电阻21R21为接地电阻,通过调整电阻21R21的阻值改变移相的角度，输出为Vi’。
优选地，功放调零电路包括电阻25R25，可变电阻26R26和电阻30R30；运放调零电阻为电阻27R27。
优选地，互感器包括：
功率放大器OPA549同向输入端通过电阻23R23与移相电路相连接，反向输入端通过电阻24R24和电阻29R29与功放调零电路和功率放大电路输出端相连接，输出端通过电阻24R24连接至运算放大器OPA277的同相输入端；
运算放大器OPA277的输出端与反向输入端短接构成电压跟随器，所述输出端通过电阻31R31与所述功率放大器OPA549同向输入端连接。
优选地，功率放大电路中的参数满足以下公式：
功率放大电路的输出电流IO的计算公式为其中V1为功率放大器OPA549第3端口和第4端口电压,V2为功率放大器OPA549第1端口和第2端口电压,V3为运算放大电路输出端口电压,Vi'为移相电路输出电势。
以下对本发明实施方式具体举例说明如下：
本发明实施方式的阵列式霍尔电流传感器包括霍尔阵列和信号处理电路两部分，霍尔阵列含有1块圆环形印刷电路板和4个霍尔元件，由铝合金外壳5封装，外形为圆环，中央为被测载流导线通道4；霍尔元件2均匀对称地成圆形分布固定在印刷电路板1上，且其半导体薄膜表面与霍尔阵列的中心轴平行；霍尔阵列上有4个输出口3，输出为各霍尔元件2的霍尔电势，与信号处理电路6相连接；信号处理电路6，包括加权增益调整电路、移相电路和功率放大电路，用于输出信号的加权增益调整、移相和功率放大。
本发明实施例中的霍尔阵列，其外形为圆环，内、外半径分别为R1＝4cm，R2＝6cm，中央为被测载流导线通道4。
霍尔阵列由铝合金外壳5封装1块圆环形印刷电路板1和4个霍尔元件2组成，印刷电路板的内、外半径分别为R1＝4cm，R2＝6cm，霍尔元件2均匀对称地成半径r＝5cm的圆周固定在印刷电路板上，且其半导体薄膜表面与霍尔阵列的中心轴平行；每个霍尔元件2处有对应的输出口3，将每个霍尔元件的各霍尔电势输出至后续信号处理电路。
本实施方式中霍尔元件2的型号为HW300B，其标准霍尔系数为KHW300B＝3.85V/T(温度T＝25℃，电源电压VC＝const)。经检验，给4个霍尔元件2加上电源电压VC＝±15V，它们的霍尔系数分别为K1＝3.93，K2＝3.84，K3＝3.85，K4＝3.85。各霍尔元件的霍尔电势ei的计算公式如下：
式中，μ0为真空磁导率，iM为被测电流。
图2为根据本发明一实施方式的信号处理电路连接示意图。如图2所示，信号处理电路设置集成在同一块印刷电路板上，信号处理电路包括依次连接的加权增益调整电路、移相电路和功率放大电路。信号处理电路用于信号的加权增益调整、移相和功率放大处理。
图3为根据本发明一实施方式的加权增益调整电路连接示意图。如图3所示，加权增益调整电路包括4个运算放大器和一个加法器，各运算放大器的反向输入端通过电阻Ri(i＝1,2,3,4)与霍尔阵列的4个输出口依次连接，反馈电阻为R，4个运放的输出由加法器相加得到总霍尔电势Vi。加权增益调整电路的输入端与霍尔阵列的输出口相连接，运算放大器的放大增益为Ai＝R/Ri＝K/Ki(i＝1,2,3,4)，其中，Ki为第i个霍尔元件的霍尔系数，K为统一后的霍尔系数，运算放大器的输出由加法器相加，得到总霍尔电势Vi，表示为：其中μ0为真空磁导率，N为霍尔元件个数，iM为被测电流。
本发明实施方式中取统一霍尔电势K＝5，电阻R1＝787Ω，电阻R2＝768Ω，电阻R3＝768Ω，电阻R4＝768Ω。4个运算放大器的输出电压ei *(i＝1,2,3,4)的计算公式如下：
总霍尔电势为：
图4为根据本发明一实施方式的移相电路连接示意图。如图4所示，移相电路由滞后移相和超前移相两级电路组成，其传递函数为其中Vi为所述加权增益电路输出的总霍尔电势，j为虚部单位，ω为角频率，c1为接地电容，c2为输入电容，电阻18R18为输入电阻，电阻21R21为接地电阻,通过调整电阻21R21的阻值改变移相的角度，输出为Vi’。
本实施例中选用的运放芯片为OPA277，电阻R17＝R19＝R20＝R22＝20kΩ，电阻R18＝39kΩ，可调电阻R21＝0～10kΩ，电容C1＝C2＝220nF。通过调节电阻R21可实现移相角度-30°至40°。
图5为根据本发明一实施方式的功率放大电路连接示意图。如图5所示，功率放大电路包括功率放大器OPA549、运算放大器OPA277、由电阻R25、可变电阻R26和电阻R30构成的功放调零电路和运放调零电阻R27。阵列式互感器实际调试时，先将电流源输入短接，调节电阻R26和电阻R27使输出为零。功率放大器OPA549的同相输入端通过输入电阻R23与前级电路连接，反向端分别通过电阻R24和电阻R29与调零电路和功率放大电路的输出端连接，输出端通过电阻R24接至所述运算放大器OPA277的同相输入端；运算放大器OPA277的输出端与反向输入端短接构成电压跟随器，输出端通过电阻R31与功率放大器的同相输入端连接构成反馈回路。功率放大电路满足以下等式:
所述功率放大电路的输出电流IO的计算公式为其中V1为功率放大器OPA549第3端口和第4端口电压,V2为功率放大器OPA549第1端口和第2端口电压,V3为运算放大电路输出端口电压,Vi'为所述移相电路输出电势。
本实施方式中的功率放大电路选用的功率放大器为OPA549，运算放大器为OPA277，均提供±5V的直流电源电压；功放OPA549的6、8脚短接将最大输出电流设置为10A；电阻R23＝R31＝R24＝R30＝R25＝20kΩ，电阻R28＝0.01Ω，可变电阻R27＝20kΩ，可变电阻R26＝500Ω；测试前，先将电流源输入短接，调节R26和R27使得输出为零，再进行后续测试；
本实施方式中，功率放大器的传递函数为：
故，本实施例中的一种阵列式霍尔传感器的传递函数为：
图6-a,6-b,6-c为根据本发明一实施方式的测试实验数据图。本发明实施方式的实验测试数据图，其变比为600A/5A，外部直流工作电源为±15V直流电源，总功耗0.4W，精度满足0.2级的误差要求，输出电流达到5A，可以直接接至保护、测控、计量装置。
本发明实施方式提供的一种阵列式霍尔电流传感器，精度高，由于霍尔阵列不含有铁芯，故不易磁饱和且抗电磁干扰能力强，互感器具有高可靠性。本发明提供的一种阵列式霍尔电流传感器，功耗小，信号处理电路对输出信号起到了功率放大作用，输出功率大，可以直接和具有大功率输入要求的继电保护装置或者测控装置连接。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (7)
1.一种阵列式霍尔电流传感器，所述传感器包括：霍尔阵列和信号处理电路，其中：
所述霍尔阵列包括4个霍尔元件，所述4个霍尔元件均匀分布在环形电路板上，所述环形电路板中央为被测载流导线通道，通过所述4个霍尔元件产生霍尔电势；所述4个霍尔元件输出霍尔电势至所述信号处理电路；
所述信号处理电路包括依次连接的加权增益调整电路、移相电路和功率放大电路；所述加权增益电路，用于对所述霍尔电势进行加权增益调整，包括4个运算放大器和1个加法器；所述移相电路，用于对所述经过加权增益后的霍尔电势进行移相，所述移相电路包括滞后移相和超前移相两级电路；所述功率放大电路用于将所述移相后的霍尔电势进行功率放大，所述功率放大电路包括功率放大器，运算放大器，功放调零电路和运放调零电阻。
2.根据权利要求1所述的互感器，所述霍尔元件的半导体薄膜与所述霍尔阵列的中心轴平行。
3.根据权利要求1所述的互感器，所述加权增益电路的运算放大器的放大增益为Ai，Ai＝R/Ri＝K/Ki(i＝1,2,3,4)；其中，Ki为第i个霍尔元件的霍尔系数，K为统一后的霍尔系数；所述运算放大器的输出霍尔电势由所述加法器相加，得到总霍尔电势Vi，计算公式如下：
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其中μ0为真空磁导率，N为霍尔元件个数，iM为被测载流导线的电流。
4.根据权利要求1所述的互感器，所述移相电路由滞后移相和超前移相两级电路组成，其传递函数为其中Vi为所述加权增益电路输出的总霍尔电势，j为虚部单位，ω为角频率，c1为接地电容，c2为输入电容，电阻18R18为输入电阻，电阻21R21为接地电阻,通过调整电阻21R21的阻值改变移相的角度，输出为Vi′。
5.根据权利要求1所述的互感器，所述功放调零电路包括电阻25R25，可变电阻26R26和电阻30R30；所述运放调零电阻为电阻27R27。
6.根据权利要求5所述的互感器，包括：
所述功率放大器同向输入端通过电阻23R23与所述移相电路相连接，反向输入端通过电阻24R24和电阻29R29与所述功放调零电路和功率放大电路的输出端相连接，所述输出端通过电阻24R24连接至所述运算放大器的同相输入端；
所述运算放大器的输出端与反向输入端短接构成电压跟随器，所述输出端通过电阻31R31与所述功率放大器同向输入端连接。
7.根据权利要求6所述的互感器，所述功率放大电路中的参数满足以下公式：
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所述功率放大电路的输出电流IO的计算公式为其中V1为功率放大器第3端口和第4端口电压,V2为功率放大器第1端口和第2端口电压,V3为运算放大电路输出端口电压,Vi'为所述移相电路输出电势。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant after: CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant after: State Grid Corporation of China Applicant after: HUAZHONG University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Address before: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant before: China Electric Power Research Institute Applicant before: State Grid Corporation of China Applicant before: Huazhong University of Science and Technology |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20180412 Address after: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant after: CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant after: State Grid Corporation of China Applicant after: HUAZHONG University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Applicant after: STATE GRID TIANJIN ELECTRIC POWER Co. Address before: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant before: CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant before: State Grid Corporation of China Applicant before: Huazhong University of Science and Technology |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171215 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |