ABB电流传感器的应用
、前言
伴随着城市人口和建设规模的扩大，用电设备的增多，用电量越来越大，城市的供电设备经常负荷运转，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次左右的电源问题的侵扰，电子设备故障的6来自电源[7]。因此，电源问题的重要日益凸显出来。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，电源遂发展成为门崭新的。 而今，小小的电源设备已经融合了越来越多的新。例如开关电源、硬开关、软开关、参数稳压、线反馈稳压、磁放大器、数控调压、PWM、SPWM、电磁兼容等等。实际需求直接推动电源不断发展和进步，为了自动和显示电流，并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护功能和的智能，具有传感、传感采样、传感保护的电源渐成趋势，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③可产生和原边磁力线①成正比的大小几毫伏的电压，电子电路④可把这个微小的信号转变成副边电流IS⑤，并存在以下关系式 其中，IS—副边电流；
IP—原边电流；
NS—副边线圈匝数；
NP/NS—匝数比，般取NP=1。
电流传感器的输出信号是副边电流IS，它与输入信号（原边电流IP）成正比，IS般很小，只有100~400MA。如果输出电流经过测量电阻RM，则可以得到个与原边电流成正比的大小为几伏的输出电压信号。 三、电流传感器主要特参数[1][2][3][4]
1、额定值IPN和额定输出电流ISN
IPN指电流传感器所能测试的额定值，用值表示（A.r.m.s），IPN的大小与传感器产品的型号有关。
ISN指电流传感器额定输出电流，般为100~400MA，某些型号可能会有所不同。
2、传感器供电电压VA
VA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。过此范围，传感器不能正常工作或降低，另外，传感器的供电电压VA又分为正供电电压VA+和负供电电压VA-。
3、测量范围Ipmax
测量范围指电流传感器可测量的zui大电流值，测量范围般于额定值IPN。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VAmin是双相供电电压VAmin的2倍，所以其测量范围要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，而过载值有可能过传感器的允许值，过载电流值传感器般测量不出来，但不会对传感器造成损坏。
5、
霍尔效应传感器的取决于额定电流IPN。在+25℃时，传感器测量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
其中，K=NS/NP。
计算时必须考虑偏移电流、线度、温度漂移的影响。
（1）.偏移电流ISO
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℃，IP=0时的情况下，偏移电流已调至zui小，但传感器在离开生产线时，都会产生大小的偏移电流。产品文档中提到的已考虑了偏移电流增加的影响。
（2）.线度
参见图4，线度决定了传感器输出信号（副边电流IS）与输入信号（原边电流IP）在测量范围内成正比的程度，ABB公司的电流传感器线度要优于0.1%。
（3）.温度漂移
偏移电流ISO是在25℃时计算出来的，当霍尔电周边环境温度变化时，ISO会产生变化。因此，考虑偏移电流ISO的zui大变化是很重要的，这可以通过下式计算
其中，CV（CatalogueVALUE）是指电流传感器能表中的温度漂移值，例如：对CS2000BR型来说，CV为0.5×10-4/℃，zui大温度Tmax为-40℃，额定输出电流为400MA，则偏移电流的zui大变化。
四、传感器型号、结构和安装方法
ABB公司的传感器产品说明般由“传感器产品型号”和“生产日期”两部分构成[5]。“传感器产品型号”用于标明传感器的型号、额定测量值、型或非型。“传感器生产日期”则是由8位数字构成，表明传感器的生产年份、日期（年中的第几日）及传感器序列号。
ABB公司的传感器产品很多，每种传感器的外形结构、尺寸大小等都有所不同，下面介绍几种的外形结构及安装接线方法。
1、MP25P1电流传感器
MP25P1电流传感器是ABB公司中种量程很小的传感器，所能测量的额定电流为5、6、8、12、2，原边管脚的不同接法可确定额定测量电流为多少，参见图5。
2、ES300C电流传感器
如MP25P1样，般传感器都有正（+）、负（-）、测量端（M）三个管脚，但ES300C则没有此三个管脚，而是有红、黑、绿三根引线，分别对应于正、负及测量端。同时在ES300C型传感器中有内孔，测量原边电流时要将导线穿过该内孔。
不管是MP25P1还是ES300C型等电流传感器，安装时管脚的接线应根据测量情况进行相应连线。
（1）在测量交流电时，必须强制使用双供电电源。即传感器的正（+）接供电电源“+VA”端，负接电源的“-VA”端，这种接法叫双供电电源。同时测量端（M）通过电阻接电源“0V”端。
（2）在测量直流电流时，可使用单或单相供电电源，即将正或负与“0V”端短接，从而形成只有个电相接的情况，其接法共有四种（见图6和图7）。
在传感器产品中，标有“-N”标志的表示该传感器没有电源意外倒置防护措施；标有“-P”标志的则表示该传感器具有防护措施。图6是无保护二管时的单供电电源安装接线方法，图7是加有保护措施的传感器的接法。 （3）具有作用的传感器的连接方法
ABB公司的部分电流传感器具有电磁作用，其产品外壳上会多个“E”标志的端口，其连接方式有两种：将端和负（-VA）或零线（0V）相连，如图8所示。
另外，安装时必须考虑产品的用途、型号、量程范围、安装环境等。比如传感器应尽量安装在利于散热的场合；如果环境只适于垂直安装，则必须选择带“V”字标志的传感器（如CS300BRV）。
五、提测量的方法
除了安装接线、即时标定校准、注意传感器的工作环境外，通过下述方法还可以提测量：
1、原边导线应放置于传感器内孔中心，尽可能不要放偏；
2、原边导线尽可能放满传感器内孔，不要留有空隙；
3、需要测量的电流应接近于传感器的额定值IPN，不要相差太大。如条件所限，手头有个额定值很的传感器，而欲测量的电流值又低于额定值很多，为了提测量，可以把原边导线多绕几圈，使之接近额定值。例如当用额定值100A的传感器去测量10A的电流时，为提可将原边导线在传感器的内孔中心绕九圈（般情况，NP=1；在内孔中绕圈，NP=2；……；绕九圈，NP=10，则NP×10A=100A与传感器的额定值相等，从而可提）；
4、当欲测量的电流值为IPN/5的时，在25℃仍然可以有较的。
六、传感器的
1、电磁场
闭环霍尔效应电流传感器，利用了原边导线的电磁场原理。因此下列因素直接影响传感器是否受外部电磁场干扰。
（1）传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化；
（2）外部导线与传感器的距离、外部导线的形状、位置和传感器内霍尔电的位置；
（3）安装传感器所使用的材料有无磁；
（4）所使用的电流传感器是否；
为了尽量减小外部电磁场的干扰，按安装指南安装传感器。
2、电磁兼容
电磁兼容EMC，（Electro-MagneticCompatibility）是研究电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同电磁环境中的上述设备都能正常工作而又互不干扰，达到“兼容”状态的门学科[8]。空间电磁环境的恶化越来越使电子元器件之间因互不兼容而引发系统的误动作，因此电工、电子设备电磁兼容有必要。由于实际生产、科研及市场推广的迫切需要，采用已通过电磁兼容的电流和电压传感器已形成共识，并已成为个强制。ABB公司的电流传感器自1996年1月1日起，均已通过了EMC。 七、传感器标定
1、偏移电流ISO
偏移电流必须在IP=0、环境温度T≈25℃的条件下进行校准，按图9方法（双供电）接线，且测量电压VM必须：
VM≦RM×ISO（5）
2、
在IP=IPN（ACorDC）、环境温度T≈25℃、传感器双供电、RM为实际测量电阻的条件下进行测量，其接线如图10所示，并用公式（3）计算。
3、保护测试
ABB公司的传感器在测量电路短路、测量电路开路、供电电源开路、原边电流过载、电源意外倒置的条件下都可受到保护。对上述各项测试举例如下：
（1）测量电路短路
此项测试必须在IP=IPN、环境温度T≈25℃、传感器双向供电、RM为实际应用中的电阻条件下进行，连接图如图11所示，开关S应在分钟之内合上和打开。
（2）测量电路开路
此项测试条件为IP=IPN、环境温度T≈25℃、传感器双向供电、RM是实际应用中的电阻。测试图如图12，开关S应在分钟之内完成闭合/打开切换动作。
（3）电源意外倒置测试
为防止电源意外倒置而使传感器损坏，在电路中加装了保护二管，此项测试可使用万用表测试二管两端，测试应在IP=0、环境温度T≈25℃、传感器不供电、不连接测量电阻的条件下进行。可使用以下两种方法测试：
*种：万用表红表笔端接传感器“M”端，万用表黑表笔端接传感器“+”端；
第二种：万用表红表笔接传感器负，万用表黑表笔接传感器M端；
在测试中，如万用表鸣笛，说明二管已损坏。
八、传感器应用计算[5]
根据图13，电流传感器的主要计算公式如下：
NPIP=NSIS；计算原边或副边电流
VM=RMI；计算测量电压
VS=RSIS；计算副边电压
VA=e+VS+VM；计算供电电压
其中，e是二管内部和晶体管输出的压降，不同型号的传感器有不同的e值。这里我们以ES300C为例，这种传感器的匝数比NP/NS=1/2000、额定电流值IPN=300Arms、供电电压VA的范围为±12V~±20V（±5%）、副边电阻RS=30Ω，在双（±VA）供电，其传感器测量量程>100A且无防止供电电源意外倒置的保护二管的情况下，e=1V。在上述条件下：
（1）给定供电电压VA，计算测量电压VM和测量电阻RM：
假设：供电电压VA=±15V
根据上述公式得：
测量电压VM=9.5V；
测量电阻RM=VM/IS=63.33Ω；
副边电流IS=0.1。
所以当我们选用63.33Ω的测量电阻时，在传感器满额度测量时，其输出电流信号为0.1，测量电压为9.5V。
（2）给定供电电压和测量电阻，计算欲测量的峰值电流；
假设：供电电压VA=±15V，测量电阻RM=12Ω，
则：VM+VS=（RM+RS）×IS=VA-e=14V
而：RM+RS=12W+30W=42W，
则zui大输出副边电流：A
原边峰值电流：IPmax=ISmax（NS/NP）=666A
这说明，在上述条件下，传感器所能测量的zui大电流即原边峰值电流为666A。如果原边电流大于此值，传感器虽测量不出来，但传感器不会被损坏。
（3）测量电阻（负载电阻）能影响传感器的测量范围。
测量电阻对传感器测量范围也存在影响，所以我们需要精心选择测量电阻。用下式可计算出测量电阻：
其中，VAmin—扣除误差后的zui小供电电压；
e—传感器内部晶体管的电压降；
RS—传感器副边线圈的电阻；
ISmax—原边电流IP为zui大值时的副边电流值。
另外我们可以通过下式确认所选传感器的稳定。
如果VAmin不上式，则会造成传感器的不稳定。旦出现这种情况，我们可以有以下三种方法克服：
1）换电压大的供电电源；
2）减小测量电阻的值；
3）将传感器换成RS较小的传感器。
例如，某种型号的电流传感器，其额定电流IPN=1000A，匝数比NP/NS=1/2000，e值为1.5V，副边电阻RS=30Ω，测量电阻RM=15W，用15V电源单供电。则VA=30V（单供电是双供电的2倍），而：
IS=IP×NP/NS=0.
VS=RS×IS=15V
VM=RM×IS=7.5V
=24V<30V
通过以上检验，可知这种传感器在此条件下测量能稳定。它所能测量的原边电流的zui大值（即测量范围）
九、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。在电源中使用传感功能可以使电源设备加小型化、智能化和可靠。
电源发展到，已融合了电子、功率集成、自动、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多领域的精华，我们有理由相信，在21世纪的电源中，传感器也将发挥着至关重要的作用，所以对电流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。ABB公司的传感器因其型号多，量程宽（电流5~6000A；电压50~5000V）、、灵敏度、线度好、规范、易安装、能力强、质量可靠、平均*时间MTBF长等优点，在各个领域特别是在机车牵引和工业应用领域中值得用户信赖。
