霍爾式發(fā)電機功率測量系統(tǒng)設計方案

文章分析了霍爾元件測量發(fā)電機輸出功率的原理，并根據(jù)建立的數(shù)學模型設計霍爾元件測量交流電源功率的電路，通過理論計算確定所用元件參數(shù)(交流電源、交流磁場源電路設計)。根據(jù)軟硬件的設計，做出了一個簡單的測量裝置。通過實驗數(shù)據(jù)的處理以及誤差分析，驗證了本設計的合理性。

0引言

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器?；魻栃谴烹娦囊环N，這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall，1855—1938)于1879年在研究金屬的導電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。

霍爾電流、電壓傳感器是近十幾年發(fā)展起來的測量電流、電壓的新一代工業(yè)用電量傳感器，是一種新型的高性能電氣檢測元件。電網(wǎng)中，越來越多的負載采用電源變換器供電，用普通的功率計測量這類電能有點困難。例如發(fā)電機運行用的頻率變換器就是把直流電壓變換成頻率自由選擇的交流電壓。根據(jù)電機的頻率周期的變化，重復頻率可以高達20kHz，脈沖寬度在l～5O微秒范圍內(nèi)。雖然電機的電流是連續(xù)的，但是由于電機是感性負載，故電機的電壓是由許多高頻脈沖電壓組成的IS]。因此用普通的功率計不能測量脈寬調(diào)制的高頻脈沖電壓的有效值，采用霍爾效應元件的電流測量法。因為位于控制側(cè)的霍爾效應元件具有把兩個高頻脈沖電量相乘的功能，只要再配上一定的放大器電路就能把結(jié)果顯示出來日。

1基本原理

圖1系統(tǒng)基本組成框圖

圖1為霍爾式發(fā)電機功率測量系統(tǒng)基本原理框圖。螺線管產(chǎn)生的磁場強度為：

B=KbIL (1)

霍爾元件的輸出電壓為：

UH=KHIeB (2)

把(1)式代入(2)式得：

UH=KbKHILIeB (3)

電機兩端電壓為：

UL=KLIe (4)

則:Ie=UL/RL (5)

將(5)式代人(3)式得：

UH=Kb/RLULILB (6)

由(6)式得出：霍爾元件測得的輸出電壓UH與電機輸出的功率ULIL成線性關系，從而實現(xiàn)負載消耗功率的測量。那么在正弦交流電路中，電壓電流相量分別為UL，IL，它們之間相位差為φ，則：

Ie=KbUlmsinwt (7)

在負載上的電流為：

ilm=ILMsin(wt+f) (8)

其則在線圈上產(chǎn)生的垂直于霍爾元件的磁感應強度B可表示為：

B=K1ILMsin(wt+f) (9)

代入式(2)得：

UH=KUlmILMcosφ-KUlmILMcos(2wt+φ)非(10)

對上式求其平均值，得：

UH=KUlmILMcosφ=KP (11)

其中，K=KHKLKB，P=UIcosf為功率。因此只要測出了UH就可以計算出負載功率P。以上介紹的為一相的功率測量方法，對于三相電路，只需用三個和圖l相同的電路進行分別測量，然后求三個測量值的和即可。

2測量系統(tǒng)設計

文章設計的功率測量系統(tǒng)主要以霍爾轉(zhuǎn)換器和AT89S51為核心將電路中的電壓電流乘積即電路消耗的電功率轉(zhuǎn)化為霍爾元件的電勢形式，通過測量霍爾元件的霍爾電勢得到電路的電功率值，經(jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換等電路處理后，經(jīng)單片機AT89551根據(jù)不同時段價格計算出所用電量并送到LCD上顯示。系統(tǒng)包括霍爾元件傳感器裝置、微處理器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路等。

圖2霍爾式發(fā)電機功率測量系統(tǒng)硬件框圖

單片機AT89C51在整個系統(tǒng)中將采集的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入I/0口存儲，通過對采集的數(shù)字信號進行計算出功率，并將結(jié)果送到LCD模塊顯示。單片機系統(tǒng)如圖3所示。

圖3單片機AT89C51系統(tǒng)

圖4二階有源低通濾波器

信號調(diào)理電路由前置放大電路、低通濾波器、一階同相放大器組成，如圖4、5所示。圖6為LCD顯示電路，液晶顯示模塊采用EPSON點陣式EA—D20040模塊。圖7所示為A/D轉(zhuǎn)換電路，文章采用美信ICL7135轉(zhuǎn)換器芯片。

圖5一階同相放大器

圖6EA—D20040與AT89S51接口電路

圖7A/D轉(zhuǎn)換電路

3霍爾傳感器產(chǎn)品選型

3.1產(chǎn)品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監(jiān)控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達驅(qū)動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。

霍爾效應從本質(zhì)上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)。當帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場。對于圖2所示的半導體試樣，若在X方向通以電流Is，在Z方向加磁場B，則在Y方向即試樣A，A′電極兩側(cè)就開始聚積異號電荷而產(chǎn)生相應的附加電場。電場的指向取決定于測試樣品的電類型。

3.2產(chǎn)品選型

3.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

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4結(jié)束語

文章介紹的功率測量電路可用于測量變換器供電電機的功率消耗。由于這類工作電壓不是正弦波，而是脈寬調(diào)制的高頻矩形脈沖，所以這種電路適用于脈寬為1微秒的電壓，或者說脈沖重復頻率是500kHz。電壓的波形無關緊要，只要它的諧波低于2.5MHz。由于感應電流的存在，電流的頻率不是很高，而且應該是正弦的。當電流頻率高于IkHz時，本設計選用的測量傳感器仍可以正常工作。由于它的峰值電流為33A，測量電壓可以高達350V(峰一峰值)，所以可以測量測量的功率高達2900W。當用于三相電源時，這個值相當于電機的功率為5O00w向。通過實驗數(shù)據(jù)的處理以及誤差分析，驗證了本設計的合理性。

根據(jù)霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。

霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態(tài)峰值的測量。副邊電流忠實地反應原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的，它一般只適用于測量50Hz正弦波。

責任編輯:tzh