有源滤波柜电流信号采集

　 有源滤波柜电流信号采集

　摘要：对于有源滤波柜中，需要采集的IGBT发出电流信号及负载侧电流信号，提出了霍尔电流传感器采集方法与电流互感器采集方法，分析了霍尔电流传感器与电流互感器各自的特性，并提出了两种条件下应使用的采集方式。

　　关键词：有源滤波柜 霍尔电流传感器 电流互感器 干扰

　 中图分类号：O361.4文献标识码：A 文章编号：

　1引言

　随着我国工业化水平的提高，各行各业对电网的质量要求越来越高，同时工业自动化大量使用的整流器、变频器、中频炉和自动焊接设备等，在电力系统中产生较大的谐波污染，使得系统中的电压、电流的波形发生畸变，造成电网质量恶化，目前，谐波危害已成为电网的最主要公害。有源滤波柜是解决电力系统谐波问题的新型方案。有源滤波柜与谐波源并联，通过实时检测跟踪谐波源负载产生的谐波电流，快速生成与之大小相等方向相反的电流加以抵消，从而消除谐波，提高电能质量。故此有源滤波柜需要采集IGBT发出电流信号与负载侧电流信号，而采集的信号的准确性与稳定性，将直接影响有源滤波柜的补偿效果，必须尽可能保证采集的电流信号不受干扰。

　　目前采集电流信号的方式大致有两种：一种是采用电流霍尔，直接将大电流变为毫安级电流信号供装置使用；一种是采用电流互感器，将大电流变为0~5A电流后再经过电流变送器变为0~5V电压信号供装置使用。

　　本文将分别分析电流霍尔与电流互感器各自的优缺点，并给出不同位置及使用条件下应采取的电流采集方案。

　　2霍尔电流传感器的原理及应用

　2.1 霍尔电流传感器的工作原理

　霍尔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原理。它有两种工作方式，即磁平衡式和直式。霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次级线圈）和放大电路等组成。

　　直放式电流传感器（开环式）（如图1所示）：众所周知，当电流通过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出，一般的额定输出标定为4V。

　图1 直放式电流传感器

　磁平衡式电流传感器（闭环式）（如图2所示）：磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈，电流所产生的磁场进行补偿， 从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。当原边导线经过电流传感器时，原边电流IP会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS，并存在以下关系式： IS* NS= IP*NP。（其中，IS—副边电流；IP—原边电流；NP—原边线圈匝数；NS—副边线圈匝数；NP/NS—匝数比，一般取NP=1。）

　图2 磁平衡式电流传感器

　2.2霍尔电流传感器的应用

　近年来，自动化系统中大量使用大功率晶体管、整流器和可控硅，普遍采用交流变频调速及脉宽调制电路，使得电路中不再只是传统的50周的正弦波，出现了各种不同的波形。对于这类电路，采用传统的测量方法不能反应其真实波形，而且电流、电压检出元件也不适应中高频、高di/dt电流波形的传感和检测。

　　霍尔效应传感器，可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。针对霍尔效应传感器普遍存在温度漂移大的缺点，采用补偿电路进行控制，有效地减少了温度对测量精度的影响，确保测量准确；具有精度高、安装方便、售价低的特点。

　　2.3 霍尔电流传感器的特点

　直放式霍尔电流传感器（50A……10000A） Ⅰ、测量频率： 0……50KHz Ⅱ、反应时间： ＜7uS Ⅲ、线性度： 1% Ⅳ、电源耗电少

　磁平衡霍尔电流传感器（1A……1000A） Ⅰ、测量频率： 0……150KHz Ⅱ、精度： 0.2% Ⅲ、反应时间： ＜1uS Ⅳ、线性度好： 0.1%

　3电流互感器的原理及特点

　3.1 电流互感器的原理

　电流互感器利用变压器原、副边电流成比例的特点制成。其工作原理、等值电路也与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。原边电流（即被测电流）和副边电流取决于被测线路的负载，而与电流互感器的副边负载无关。由于副边接近于短路，所以原、副边电压U1和Uc2都很小,励磁电流I0也很小。

　　电流互感器的接线方式按其所接负载的运行要求确定。最常用的接线方式为单相，三相星形和不完全星形（图3 a、b、c）。

　图3 电流互感器与测量仪表的接线

　3.2 电流互感器的特点

　一次线圈串联在电路中，并且匝数很少，因此一次线圈中的电流完全取决于被测电路的负荷电流，而与二次电流无关；电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行；

　电流互感器副边不允许开路。

　4、IGBT发出电流的采集分析

　1、目前使用的IGBT功率还不是很大，其发出的电流不高于200A，所以使用的电缆不会很粗，霍尔电流传感器与电流互感器均可以使用；

　2、IGBT装于有源滤波柜体中，其发出的电流到PCB板的距离很近，霍尔电流互感器采用屏蔽电缆采集信号，屏蔽线离大电流电线也比较远，对采集信号不会造成多大影响；电流互感器也可以使用，但需要多加一个电流变送器，多增加一次电流转换，会有一定的信号延迟，其准确性也不如霍尔电流互感器精准；

　3、霍尔电流传感器的速度非常快，检测速度可以满足IGBI过流保护动作的要求，线性度也非常好，对电流检测具有很高的线性度；电流互感器的精度与反应时间没有霍尔电流传感器优越。

　5、负载侧电流的采集分析

　1、一般情况下，负载侧的谐波率为30%左右，即负载侧电流会是IGBT发出电流的3倍左右，使用的电缆或铜排都会比较粗，而电流霍尔的中心孔径都不大，在大电流情况下，霍尔电流传感器无法直接使用；电流互感器的适用范围就很广了，多大电流的电缆和铜排都有与其相对应的电流互感器；

　2、有源滤波柜是并联安装与电网上，与负载为并联安装，实际使用现场负载可能离APF柜很远，若采用屏蔽电缆传输信号的话，由于其传输的信号为毫安级电流信号，信号的衰减和干扰都会非常严重，严重影响有源滤波柜的准确补偿；采用电流互感器，其二次侧为0~5A电流，即便经远距离传输，电流信号都不会受到多大影响；

　3、电流互感器与电流变送器尽量选择精度比较高点的，电流变送器的输出信号仍采用屏蔽电缆。

　6、结论

　经以上分析，我们可以得出以下结论，对于IGBT发出电流的采集，采用霍尔电流互感器，充分发挥霍尔电流互感器的速度快、线性度好等优势；对于负载侧电流信号的采集，采用电流互感器加电流变送器的方式，充分发挥电流互感器远距离传输信号的优势。

　7、参考文献

　1 唐治平，杨胡萍等 《供配电技术》 北京：电子工业出版社，2006，10；

　2 陈艾 《敏感材料与传感器》 北京：化学工业出版社，2004，10；

　3 沙占有 《集成化智能传感器原理与应用》北京：电子工业出版社，2004，01；

　4贺家李，宋从矩 《电力系统继电保护原理》北京：水利电力出版社，1985。