ABB电流传感器的应用分析

一、前言

　　伴随着城市人口和建设规模的扩大，各种用电设备的增多，用电量越来越大，城市的供电设备经常超负荷运转，用电环境变得越来越恶劣，对电源的“考验”越来越严重。据统计，每天，用电设备都要遭受 120 次左右各种的电源问题的侵扰，电子设备故障的 60% 来自电源 [7] 。因此，电源问题的重要性日益凸显出来。原先作为配角，资金投入较少的电源越来越受到厂商和研究人员的重视，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、 PWM 、 SPWM 、电磁兼容等等。实际需求直接推动电源技术不断发展和进步，为了自动检测和显示电流，并在过流、过压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，具有传感检测、传感采样、传感保护的电源技术渐成趋势，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 公司的电流传感器。
二、电流传感器的工作原理 [1]

　　ABB 公司的电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的交流电，其所依据的工作原理主要是霍尔效应，如图 1 所示。

　　当原边导线经过电流传感器时，原边电流 I P 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 I S ⑤，并存在以下关系式

其中， I S —副边电流；

I P —原边电流；

N P —原边线圈匝数；

N S —副边线圈匝数；

N P / N S —匝数比，一般取 N P =1 。

电流传感器的输出信号是副边电流 I S ，它与输入信号（原边电流 I P ）成正比， I S 一般很小，只有 100~400mA 。如果输出电流经过测量电阻 R M ，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。

三、电流传感器主要特性参数 [1] [2] [3] [4]

　　1 、标准额定值 I PN 和额定输出电流 I SN

I PN 指电流传感器所能测试的标准额定值，用有效值表示（ A.r.m.s ）， I PN 的大小与传感器产品的型号有关。

I SN 指电流传感器额定输出电流，一般为 100~400mA ，某些型号可能会有所不同。

2 、传感器供电电压 V A

V A 指电流传感器的供电电压，它必须在传感器所规定的范围内。超过此范围，传感器不能正常工作或可靠性降低，另外，传感器的供电电压 V A 又分为正极供电电压 V A + 和负极供电电压 V A - 。

3 、测量范围 I pmax

测量范围指电流传感器可测量的最大电流值，测量范围一般高于标准额定值 I PN 。测量范围可用下式计算

要注意单相供电的传感器，其供电电压 V Amin 是双相供电电压 V Amin 的 2 倍，所以其测量范围要高于双相供电的传感器。

4 、过载

电流传感器的过载能力参见图 2 。发生电流过载时，在测量范围之外，原边电流仍会增加，而且过载电流的持续时间可能很短，而过载值有可能超过传感器的允许值，过载电流值传感器一般测量不出来，但不会对传感器造成损坏。

5 、精度

霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流 I PN 。在 +25 ℃时，传感器测量精度受原边电流影响的曲线如图 3 所示，使用下面公式可计算出精度

其中， K = N S / N P 。

计算精度时必须考虑偏移电流、线性度、温度漂移的影响。

(1). 偏移电流 I SO

偏移电流也叫残余电流或剩余电流，它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的。电流传感器在生产时，在 25 ℃， I P =0 时的情况下，偏移电流已调至最小，但传感器在离开生产线时，都会产生一定大小的偏移电流。产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响。

(2). 线性度

参见图 4 ，线性度决定了传感器输出信号（副边电流 I S ）与输入信号（原边电流 I P ）在测量范围内成正比的程度， ABB 公司的电流传感器线性度要优于 0.1% 。

(3). 温度漂移

　　偏移电流 I SO 是在 25 ℃时计算出来的，当霍尔电极周边环境温度变化时， I SO 会产生变化。因此，考虑偏移电流 I SO 的最大变化是很重要的，这可以通过下式计算

其中， CV （ Catalogue value ）是指电流传感器性能表中的温度漂移值，例如：对 CS2000BR 型来说， CV 为 0.5 × 10­­­­­ -4 / ℃，最大温度 T max 为 -40 ℃，额定输出电流为 400mA ，则偏移电流的最大变化。