ABB电压传感器的应用 - 文章

ABB电压传感器的应用

作者：郭纯生何世根

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1 引言

随着我国经济的发展和生活水平的日益提高，城市人口和建设规模的不断扩大，各种用电设备的日益增多，广大农村地区的电网又欠改造和扩容，用电环境变得越来越恶劣。突然断电或电压不足的情况经常有之，因此对电源的“考验”越来越严重。据统计，每天，您的用电设备都要遭受120 次左右的各种各样的电源问题的侵扰，电子设备故障的60%来自电源。结果，您花费大量资金建立的整套IT系统，却有可能因突发的电源浪涌、尖峰、欠压或突然断电等电源问题造成宕机、PC硬件的损坏或宝贵数据的丢失。因此，电源质量的好坏将直接影响整个电子设备的可靠性、稳定性和安全性。如何确保人身和数据安全，保证用电设备正常稳定的工作，减少老百姓和单位的损失，在电源出现问题的时候及时安全关机，实现无人值守的智能管理等，在经济快速发展和生活水平提高的今天，电源问题的重要性日益凸显出来。原先作为配角而不进行大量投入研究的电源越来越成为正规厂商和设计研究者的重视，电源技术遂发展成为一门崭新的技术。

而今，小小的电源设备已经融合了越来越多的新技术。例如开关电源、硬开关、软开关、参数稳压、线性反馈稳压、磁放大器技术、数控调压技术、相控技术、变频、移相谐振、无功补偿、PWM、SPWM、软开关PWM、功率因数校正、裂相、电流均分、驱动保护、储能、充电、抗干扰、电磁兼容等等。实际需要推动电源技术不断发展和进步，为了自动检测和显示电压，在过压、欠压、浪涌等危害情况发生时具有自动保护功能和更高级的智能控制，采用具有传感检测、传感采样、传感保护的电源技术必不可少且渐成趋势，传感器技术在电源这一新的领域也得到了进一步的应用和发展，检测电流或电压的传感器便应运而生并在我国开始受到广大电源设计者的青睐，本文主要介绍ABB公司的电压传感器。

2 电压传感器的工作原理和特性参数

2.1 电压传感器的的工作原理

ABB公司的电压传感器所依据的工作原理主要是霍尔效应。如图1，当原边导线经过电压传感器时，原边电流IP会产生磁力线①，原边磁力线集中在磁芯②周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电极③可产生和原边磁力线①成正比的大小仅几毫伏的电压，电子电路④可把这个微小的信号转变成副边电流IS⑤，副边电流IS乘以副边线圈匝数NS就等于原边电流IP乘以原边线圈匝数NP，即：

NP×IP=NS×IS 或者 IS = IP ×NP/NS

其中, NP/NS叫匝数比，而且一般有NP=1

电压传感器的输出信号是副边电流IS，在任何时候，它总与输入信号（原边电流IP）成正比，IS一般很小。如果输出电流经过测量电阻RM，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的输出电压信号。

比如，对EM010型的电压传感器，其IS一般只有50mA。通过测量副边电流IS后可求出原边电流IP，再通过UP=（RE+RP）IP（参见图）使可求出所欲求的电压。

图1 电压传感器的工作原理

2.2 电压传感器的特性参数

ABB公司电压传感器的特性参数与电流传感器的特性参数基本相同，用户可以查看文献[2]，本文主要将文献[2]中未讲到的特性参数补充如下：

(1) 温度特性

温度是传感器的基本特性之一，ABB公司的电压传感器所说的温度有工作温度和贮存温度两个。其中工作温度（或使用温度）是指传感器正常工作时的温度，它的大小对电流额定值、可靠性、最大测量范围、测量精度等都有影响。ABB公司的传感器，其所有特性都是在工作温度范围内给出的，当在工作温度内使用时，所有特性都能保证。而贮存温度则指传感器必须保存在其所规定的温度范围内，超过了这个范围，传感器就不能正常使用。注意每种型号的传感器，工作温度和贮存温度都可能不同，比如，VS型电压传感器的工作温度是-40℃~+85℃之间，而贮存温度为-50℃~+90℃。图2给出的是电压传感器霍尔电压与环境温度的变化关系。

图2 霍尔电极电压与环境温度的关系曲线

(2) 延迟特性

ABB公司的电压传感器，其延迟时间低于1us，所以测量值可以快速跟踪原边电压的真实变化情况（见图3）。

图3 延迟时间曲线

(3) 频率特性

ABB公司的传感器有很好的频率特性。图4给出了ABB公司某种电压传感器的频率响应曲线。从图中可看出，在-1dB处，精度仍可达到10%。当原边电压在其工作频率范围内变化时，传感器总是在它的最佳工作点工作。事实上，在此频率前后，传感器都能正确响应原边电压的变化。一般额定值较大的传感器比额定值小的传感器相比，传感器的频率响应范围要窄。

图4 电压传感器频率响应曲线

3 电压传感器的安装接法

ABB公司的电压传感器主要有三种型号：分别为VS50B-VS1500B、VS2000B-VS4200B，EM010型，参见图5。

图5 ABB公司三种电压传感器的外形结构

ABB公司的电压传感器（包括电流传感器）的测量端一般有三个端，其接口通常有“Molex、JST、UL cable” 三种类型，最常见的是Molex型。

注意图5中的电压传感器，除测量端外，它有两个电极（HT+、HT-），限于篇幅，电压传感器的实际接线方法我们仅举两例。例如使用VS1000B型电压传感器，对电压差为1000V，电压和也为1000V的电压，其接法可如图6(a)所示，对于电压差为1000V，而电压和则为200V的电压测量，其接法可如图6(b)所示。

图6 电压传感器的安装接线

安装时也要注意温度对传感器的影响，传感器应尽量安装在利于散热的场合；如果环境只能用垂直安装方式，则必须选择产品型号末尾后有“V”字标志的传感器，其它注意事项和各种型号的传感器外型尺寸请参考文献[2]和ABB公司产品目录。

4 电压传感器的应用计算

(1) 电压传感器选择输入电阻RE和输出电流IS的计算

对于基于霍尔效应的电压传感器，其测量电路原理图如图7所示，通过下述几个公式可计算出其输出电流：

R=RE+RP；R=UP/IPN；

例如对EM010型电压传感器，其各项参数如下：

IPN=10mA、RP=1500Ω、匝数比NP/NS=10000/2000=5，

当测量UP=1000V的电压时，因为：

R=UP/IPN=1000/(10×10-3)=100KΩ>>RP，

因此我们必须选的输入电阻要较大，如RE=100KΩ，结果，　

R=RE+RP=100+1.5=101.5KΩ

IP=UP/R=1000/101.5=9.85mA，

所以在测量端所产生的输出电流为

IS= NP/NS×IP=5×9.85=49.25mA

(2) 电压传感器负载电阻的选择

对于VS50B~VS1500B的电压传感器，负载电阻采用下式计算：

对于VS2000B~VS4200B的电压传感器，负载电阻则采用下式计算：

式中：VAmin=消除误差干扰后的最小供电电压；

ISmax=ISN×（UPmax/UPN）；

例如，对VS1000B型电压传感器，它的有关参数如下：

UPN=1000V、ISN=50mA　、VA=±24V（±5%）、UPmax=1800V，则：

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，我们选择148Ω的负载电阻，则测量端的电压为：

VM=RM×ISmax=148×0.09=13.3V。

5 结束语

在城市用电设备增多，农村供电设备老化欠修的情况下，城乡各地经常会出现电压不稳、电路短路、过流等现象，结果造成人民生活不便和仪器损毁。在电源技术中使用传感检测功能可以使电源设备更加小型化、智能化和安全可靠。

电源技术发展到今天，已融合了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，也从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学。我们有理由相信，像在其它技术中一样，在21世纪的电源技术中，传感器也将发挥着至关重要的作用，所以对电流/电压传感器的应用和设计开发，传感器工作者应该给予足够重视。而ABB公司的传感器因其型号多，量程宽（电流5~6000A；电压50~5000V）、高精度、灵敏度高，线性度好，规范、易安装、抗干扰能力强、产品质量可靠、平均无故障时间MTBF（The Mean Time Between Failure）长，在电源各领域特别是在机车牵引和工业应用领域中值得用户信赖。

参考文献
[1] 何希才，新型开关电源设计与维修[M] ，北京：国防工业出版社，2001
[2] 郭纯生、何世根，ABB电流传感器的应用[J]，传感器世界，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 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/15/2005)


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