霍尔传感器在发电机功率测量系统中的应用

摘要：文章分析了霍尔元件测量发电机输出功率的原理，并根据建立的数学模型设计霍尔元件测量交流电源功率的电路，通过理论计算确定所用元件参数(交流电源、交流磁场源电路设计)。根据软硬件的设计，做出了个简单的测量装置。通过实验数据的处理以及误差分析，验证了本设计的合理性。

关键词：霍尔元件；发电机；输出功率；交流磁场源

0引言

霍尔电流、电压传感器是近十几年发展起来的测量电流、电压的新代工业用电量传感器，是种新型的高性能电气检测元件。电网中，越来越多的负载采用电源变换器供电，用普通的功率计测量这类电能有点困难。例如发电机运行用的频率变换器就是把直流电压变换成频率自由选择的交流电压。根据电机的频率周期的变化，重复频率可以高达20kHz，脉冲宽度在l～5O微秒范围内。虽然电机的电流是连续的，但是由于电机是感性负载，故电机的电压是由许多高频脉冲电压组成的IS]。因此用普通的功率计不能测量脉宽调制的高频脉冲电压的有效值，采用霍尔效应元件的电流测量法。因为位于控制侧的霍尔效应元件具有把两个高频脉冲电量相乘的功能，只要再配上定的放大器电路就能把结果显示出来日。

1基本原理

图1系统基本组成框图

图1为霍尔式发电机功率测量系统基本原理框图。螺线管产生的磁场强度为：

B=K_bI_L                         (1)

霍尔元件的输出电压为：

U_H=K_HI_eB                       (2)

把(1)式代入(2)式得：

U_H=K_bK_HI_LI_eB                    (3)

电机两端电压为：

U_L=K_LI_e                        (4)

则:I_e=U_L/R_L                      (5)

将(5)式代人(3)式得：

U_H=K_b/R_LU_LI_LB                     (6)

由(6)式得出：霍尔元件测得的输出电压U_H与电机输出的功率U_LI_L成线性关系，从而实现负载消耗功率的测量。那么在正弦交流电路中，电压电流相量分别为U_L，I_L，它们之间相位差为φ，则：

I_e=K_bU_lmsinwt                     (7)

在负载上的电流为：

i_lm=I_LMsin(wt+f)                  (8)

其则在线圈上产生的垂直于霍尔元件的磁感应强度B可表示为：

B=K₁I_LMsin(wt+f)                  (9)

代入式(2)得：

U_H=KU_lmI_LMcosφ-KU_lmI_LMcos(2wt+φ)非（10）

对上式求其平均值，得：

U_H=KU_lmI_LMcosφ=KP                 (11)

其中，K=K_HK_LK_B，P=UIcosf为功率。因此只要测出了U_H就可以计算出负载功率P。以上介绍的为相的功率测量方法，对于三相电路，只需用三个和图l相同的电路进行分别测量，然后求三个测量值的和即可。

2测量系统设计

文章设计的功率测量系统主要以霍尔转换器和AT89S51为核心将电路中的电压电流乘积即电路消耗的电功率转化为霍尔元件的电势形式，通过测量霍尔元件的霍尔电势得到电路的电功率值，经过放大滤波、A／D转换等电路处理后，经单片机AT89551根据不同时段价格计算出所用电量并送到LCD上显示。系统包括霍尔元件传感器装置、微处理器、信号调理电路、A／D转换电路、LCD显示电路等。

图2霍尔式发电机功率测量系统硬件框图

单片机AT89C51在整个系统中将采集的A/D转换结果送入I/0口存储，通过对采集的数字信号进行计算出功率，并将结果送到LCD模块显示。单片机系统如图3所示。

图3单片机AT89C51系统

图4二阶有源低通滤波器

信号调理电路由置放大电路、低通滤波器、阶同相放大器组成，如图4、5所示。图6为LCD显示电路，液晶显示模块采用EPSON点阵式EA—D20040模块。图7所示为A/D转换电路，文章采用美信ICL7135转换器芯片。

图5阶同相放大器

图6EA—D20040与AT89S51接口电路

图7A/D转换电路

3安科瑞霍尔传感器产品选型

3.1产品介绍

霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。

3.2产品选型

3.2.1开口式开环霍尔电流传感器

4结束语

文章介绍的功率测量电路可用于测量变换器供电电机的功率消耗。由于这类工作电压不是正弦波，而是脉宽调制的高频矩形脉冲，所以这种电路适用于脉宽为1微秒的电压，或者说脉冲重复频率是500kHz。电压的波形无关紧要，只要它的谐波低于2．5MHz。由于感应电流的存在，电流的频率不是很高，而且应该是正弦的。当电流频率高于IkHz时，本设计选用的测量传感器仍可以正常工作。由于它的峰值电流为33A，测量电压可以高达350V(峰峰值)，所以可以测量测量的功率高达2900W。当用于三相电源时，这个值相当于电机的功率为5O00w向。通过实验数据的处理以及误差分析，验证了本设计的合理性。

【参考文献】

[1]郭东栋．智能功率测量仪的设计[J].电子测试,2007（9）

[2]黄颖辉.基于霍尔传感器的发电机功率测量系统设计

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版