淺談地鐵電氣系統霍爾效應電流傳感器改進方法

摘 要：我們要研究能測量中、高頻、高di/dt的傳感器。本文研究的一種霍爾電流傳感器可以達到，通過比較分析霍爾原理后提出使用閉環霍爾效應傳感器，分析了閉環霍爾效應傳感器的工況及其在車輛上的應用。然后對傳感器進行了改進。閉環霍爾傳感器在車輛中的應用實現了對車輛主電路的分離檢測，通過調整和整定輸出變量，直接檢測出主電源的輸出變量，保護主電路不受負載端所影響。

關鍵詞：閉環；霍爾效應；傳感器；檢測

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）33-0206-02

前 言

霍爾效應傳感器是測量儀器與檢測物存在緊密關系的部位，其用途是感知被檢測物的變量，從而向其中采取檢測的情況，進一步變換出需要的輸出信號量。

非電量的采集一般有電測法，首先將各種非電量轉變為電量，然后經過一系列的處理，將非電量信號顯現給下級，其原理圖如圖1。

1 地鐵電氣系統中傳感器概述

1.1 地鐵電氣系統中傳感器的概況

地鐵傳感器大量應用模擬電壓信號，對電流、電壓等信號，放大、整形、線性化到相對的值，再用儀表檢測數值。計算機技術崛起后，產生“模數轉換器”，把這些模擬電壓值再轉變成數字。我國傳感器技術目前還不夠先進，傳感器應該模擬電壓時代直接進入數字時代。目前中國是世界傳感器技術的發展中國家，隨著研發的深入，很快就會趕上發達國家水平。

在歐美國家，信號源轉換成電壓，再轉換成數字。中國的傳感器可直接把被檢測信號源轉換成數字。如Z、W系列傳感器、分段電容傳感器等可以直接饋出數字信號。主要性能是簡易、造價低、誤差小、防擾度高。近年新功能的傳感器種類研發出越來越多，體積越來越小，性能越先進，主要體現在以下方面：

（1）傳感器誤差越來越小、設計壽命長、穩定性高等。

（2）檢測領域越來越廣。

（3）微型度、智能度高。

地鐵電氣系統中傳感器的發展迎合了微機普及時代，將會有更大的進步。

1.2 地鐵電氣系統中霍爾效應傳感器的現狀分析

車輛主電路的測量及控制能決定牽引車輛的穩定性，主電路會因過載而發生電源跳閘或燒毀。所以，對地鐵主電路進行控制是必須的。

早期的機車如SS1型、SS3型采用了直流互感器來反饋電流和電壓信號。直流互感器體型大反應慢，線性度差，易受外磁場的影響，而且要使用交流電，極為不便。

需要研究能測量中、高頻、高di/dt的傳感器。霍爾電流傳感器將電信號轉換成標準信號最后轉換成磁信號，其可靠性、靈敏度得到廣泛的應用。檢測電流電壓時，霍爾元件比其它傳感器具有更好的性能；不受灰塵的影響，無觸點抖動，自身固有滯環；和伴隨的磁鐵不會隨時間和溫度改變；可工作在-40～+150℃的溫度下；工作電壓從4.5～24V，可做成線性元件和數字元件，數字元件的開關次數不受限制，其和電子控制線路的接口可以是一個上拉電阻。可在惡劣環境中工作。

1.3 本文研究的主要內容

本文主要是采用閉環霍爾傳感器實現對地鐵車輛主電路監測和控制，其主要內容如下：

（1）地鐵電氣系統中傳感器概述

介紹地鐵電氣系統中傳感器發展概況，并指出閉環霍爾電流傳感器的發展前景。

（2）地鐵電氣系統中霍爾電流傳感器應用分析

分析霍爾電流傳感器的工作原理，比較開環和閉環霍爾電路的優缺點，研究采用閉環霍爾電流傳感器并介紹其在地鐵主電路輸出電流的隔離測量和控制。

（3）閉環霍爾電流傳感器的改進

針對地鐵電氣系統中傳感器的使用情況，依據閉環霍爾電流傳感器的工作原理，對傳感器主電路進行改進。

2 地鐵電氣系統中霍爾電流傳感器的應用分析

用一根導線做個實驗，當電流流過導線時，導線周圍就會產生磁場，磁場的大小與流過導線的電流的大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線性關系，因此，可以用測得的輸出信號，直接反應導線中電流的大小：

I∝B∝UH

式中，I為通過導線中的電流；B為導線通電流后產生的磁感應強度；UH為霍爾器件在磁場中產生的電壓。選擇適當的比例系數，上述關系可表示為等式。

對于霍爾輸出電壓UH的處理，可分為兩類：①開環（或稱直測式、直檢式）霍爾電流傳感器；②閉環（或稱零磁通式、磁平衡式）霍爾電流傳感器。

2.1 開環霍爾電流傳感器（又稱直檢式）

霍爾傳感器電路最簡單是將霍爾元件的輸出電壓用運算放大器直接放大，得到所需要的電壓信號，由此電壓值來標定原邊被測電流的大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開環霍爾電流傳感器。

霍爾器件的饋出給顯示屏或萬用表等，可由電壓數值按比例得出電流值。對直流、交流和各種波形的電流可以監測。

2.2 閉環霍爾電流傳感器（又稱磁平衡式）

為開環傳感器的改進產品，其中地鐵電氣系統中也普遍使用這種閉環霍爾電流傳感器。

磁平衡式的工作原理如圖2所示，即原邊IN磁場圈流經副邊IM生成的磁場進行補償，使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態。當原副邊補償電流產生的磁場在磁芯中達到平衡時：

N×IN=n×IM

IN為原邊電流；N為原邊線圈的匝數；IM為副邊補償電流；n為副邊線圈的匝數。

當已知傳感器原邊和副邊線圈匝數時，通過測量副邊補償電流IM的大小，即可推算原邊電流的隔離測量。

閉環霍爾電流傳感器在地鐵主電路中的應用對系統輸出電流的分離檢測，傳感器與主電路的信號之間絕對分離開來的，方便對傳感器獲取的信號的進行處理，通過調整和整定，達到整定值的電流時，電流保持恒定，提供更穩定可靠的電源。

2.3 閉環霍爾電流傳感器的主要性能

閉環霍爾電流傳感器測量與計算方法比較先進。閉環霍爾電流傳感器主要有以下特點：

（1）可同一時間測量不同形式的電量；

（2）絕緣電壓一般為2～12kV；

（3）線性度優于0.1%IN；

（4）頻率響應范圍為0～100kHz。

2.4 在地鐵車輛牽引逆變器中的應用

閉環霍爾電流傳感器已大量應用于地鐵車輛牽引逆變器中電氣隔離電流監測，如圖3，三相逆變電路由3組帶無功反饋的二極管的IGBT組成，電路工作時開關管得到適合的電壓調壓信號，牽引逆變器包括三個相模塊，每個模塊代表牽引逆變器的一個相支路，LH13、LH13電流傳感器典型的應用在牽引逆變器上，型號是LF2000-S/SP3，用于檢測電機相線電流，通過設置LH13、LH13的輸出信號，對牽引電機1M01、1M02的輸入電流加以限制，避免U、V相線的輸出功率過高導致牽引電機發生故障或損壞，保證牽引電機的正常工作。由于高的精度和dv/dt抑制力。其優勢在于：高線性度，非常適合電機電流測量；又具短路保護的快速響應性，能保護短路和漏電；而良好的溫度穩定性，適合精確的可重復的測量以及對于長距離電機接線的強電容電流變化的抑制能力。

3 霍爾電流傳感器改進方法

3.1 改進思維

開環式霍爾傳感器準確度不高，主要是因為影響霍爾電勢的因素很多，如控制電流的波動，溫度的變化，外磁場的干擾以及霍爾元件與被載流導體之間的位置的微小變化等等都可以影響霍爾元件的輸出電勢，穩定性不夠好，而閉環霍爾傳感器則克服了這些缺點。因此，針對當前地鐵用車緊張，負荷大、幅度大導致電流不斷變化的情況，本次我們設計閉環霍爾電流傳感器，采用霍爾磁平衡原理，即將二次電流產生的磁場與一次電流產生的磁場相互抵消，使得霍爾元件感應到的磁場為零；若不為零，霍爾元件則輸出電壓信號，此信號通過閉環電路反饋電流對二次電流進行補償，使磁場動態平衡，實現高靈敏度，可以分離測量任意波形電流，響應速度快，如圖4。

3.2 工作原理

傳感器的主電路為？準85的空心圓孔母排穿插而過，母排中可流過大電流，并在母排周圍形成強磁場HP，磁場聚集并影響霍爾元件，觸發信號。信號經放大器、晶體管放大，觸發功率管導通，形成電流IS，IS經過感應線圈NS，形成方向與主電路磁場HP反向磁場HS，二磁場中和，最后HP和HS達到磁場平衡，IS不變，電路放大一定值，敏感元件B達到零磁通。形成動態平衡，主電路變化時，敏感元件B形成輸出，對應的信號對二次電路補償，實現傳感器的閉環控制。因此二次側電流的安匝數與一次側電流的安匝數相等：

NPIP=NSIS

由于傳感器一次側的線圈為1匝（即穿心母線），二次側匝數為4000匝：

IP=NSIS/NP=NSIS

3.3 本改進措施達到的效果

本改進具備閉環霍爾電流傳感器的優點，即頻帶寬，測試精度高，響應時間短，電流測量范圍寬，一次二次電路分離，安全性高，完成采集任意波形電流。

此外，在電路上做了性能的改進，采用了對稱電源電路，這與目前在干線機車上大量使用的TQG4A電流傳感器相反。

倘若采用不對稱電源電路，則放大器N1需要另外的電源供電，將使得外部接線變得復雜，如圖5。

4 結束語

閉環霍爾電流傳感器實現了一次二次電流的隔離測量，可靠性靈敏度高，在地鐵車輛主電路中得到了廣泛的應用。

本文通過比較開閉環霍爾電流傳感器的工作原理，發現開環霍爾電流傳感器盡管造價低，但靈敏度，溫漂大，響應速度慢，這些缺點限制了它的使用范圍；而閉環霍爾電流傳感器在開環電路的基礎上加了一個閉環反饋控制，采用磁平衡工作原理，利用二次線圈的補償電流來維持磁場的動態平衡，提升了傳感器的性能。之后本文還介紹了閉環霍爾電流傳感器如何實現對地鐵車輛牽引逆變器中電氣隔離電流監測和控制。

文中對閉環霍爾傳感器的主電路進行了改進，在改進中采用了對稱電源電路，利用對稱電源電路與傳感器的供電電壓可以維持內部放大器兩端的電壓不變，簡化了外部接線，方便在實際中的使用。

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收稿日期：2018-10-2

作者簡介：龔遠發（1984-），男，漢族，廣東珠海人，工程師，本科，主要從事城市軌道交通車輛設備及供電動照設備的采購評標專家組及技術管理工作。