基于霍爾傳感器的發(fā)電機(jī)功率測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：文章分析了霍爾元件測量發(fā)電機(jī)輸出功率的原理，并根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)霍爾元件測量交流電源功率的電路，通過理論計(jì)算確定所用元件參數(shù)（交流電源、交流磁場源電路設(shè)計(jì)）。根據(jù)軟硬件的設(shè)計(jì)，做出了一個(gè)簡單的測量裝置。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理以及誤差分析，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：霍爾元件；發(fā)電機(jī)；輸出功率；交流磁場源

引言

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(fù)載采用電源變換器供電，用普通的功率計(jì)測量這類電能有點(diǎn)困難。例如發(fā)電機(jī)運(yùn)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(jī)的頻率周期的變化，重復(fù)頻率可以高達(dá)20kHz，脈沖寬度在1～50微秒范圍內(nèi)。雖然電機(jī)的電流是連續(xù)的，但是由于電機(jī)是感性負(fù)載，故電機(jī)的電壓是由許多高頻脈沖電壓組成的[5]。因此用普通的功率計(jì)不能測量脈寬調(diào)制的高頻脈沖電壓的有效值，必須采用霍爾效應(yīng)元件的電流測量法。因?yàn)槲挥诳刂苽?cè)的霍爾效應(yīng)元件具有把兩個(gè)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[2]。

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(jī)功率測量系統(tǒng)基本原理框圖[3]。螺線管產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為：

B=KbIL （1）

霍爾元件的輸出電壓為：

UH=KH Ic B （2）

把（1）式代入（2） 式得：

UH=KbKHILIcB （3）

電機(jī)兩端電壓為：

UL=KL Ic （4）

則：Ic=UL/RL （5）

將（5）式代入（3）式得：

UH=KbKH/RLULILB （6）

由（6）式得出：霍爾元件測得的輸出電壓UH與電機(jī)輸出的功率ULIL成線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)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？漬，則：

Ic=KlULmsinwt （7）

在負(fù)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(yīng)強(qiáng)度B 可表示為：

B=Kl ILmsin（wt+f） （9）

代入式（2）得：

UH=KULmILmcos？漬-KULmILmcos（2？棕t+？漬）非 （10）

對(duì)上式求其平均值，得：

UH=KULmILmcos？漬=KP（11）

其中，K=KHKLKB，P=UIcosf為功率。因此只要測出了UH就可以計(jì)算出負(fù)載功率P。以上介紹的為一相的功率測量方法， 對(duì)于三相電路， 只需用三個(gè)和圖1相同的電路進(jìn)行分別測量， 然后求三個(gè)測量值的和即可[1]。

2 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)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(jī)AT89551根據(jù)不同時(shí)段價(jià)格計(jì)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(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路等[4]。

單片機(jī)AT89C51在整個(gè)系統(tǒng)中將采集的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入I/O口存儲(chǔ)，通過對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算出功率，并將結(jié)果送到LCD模塊顯示。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 單片機(jī)AT89C51最小系統(tǒng)

圖4 二階有源低通濾波器

信號(hào)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(diǎn)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。

3 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(jī)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，所以這種電路必須適用于最小脈寬為1微秒的電壓，或者說最高脈沖重復(fù)頻率是500kHz。電壓的波形無關(guān)緊要，只要它的諧波低于2.5MHz。由于感應(yīng)電流的存在，電流的頻率不是很高，而且應(yīng)該是正弦的。當(dāng)電流頻率高于1kHz時(shí)，本設(shè)計(jì)選用的測量傳感器仍可以正常工作。由于它的最大峰值電流為33A，測量電壓可以高達(dá)350V（峰-峰值），所以可以測量測量的功率高達(dá)2900W。當(dāng)用于三相電源時(shí)，這個(gè)值相當(dāng)于電機(jī)的功率為5000W[6]。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理以及誤差分析，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性。

參考文獻(xiàn)

[1]郭東棟.智能功率測量儀的設(shè)計(jì)[J].電子測試，2007（9）.

[2]雷磊，等.霍爾式數(shù)字電度表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].技術(shù)交流與應(yīng)用，2011.

[3]胡媛媛，等.交變磁場測量系統(tǒng)數(shù)值仿真分析[J].儀表技術(shù)與傳感器，2003.

[4]仁杰.8098單片機(jī)在發(fā)電機(jī)輸出功率測量中的應(yīng)用[J].四川水力發(fā)電，2000.

[5]楊冠城.電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理[M].中國電力出版社，2007.

[6]Hoshikawa H，Koyama K. Uniform eddy current probe with little disrupting noise[J]. Review of Progress in QNDE，1988.

作者簡介：黃穎輝（1969-），男，漢，碩士研究生，畢業(yè)于中科院武漢分院自動(dòng)控制與儀器專業(yè)。