基于霍爾傳感器的發電機功率測量系統設計

摘 要：文章分析了霍爾元件測量發電機輸出功率的原理，并根據建立的數學模型設計霍爾元件測量交流電源功率的電路，通過理論計算確定所用元件參數（交流電源、交流磁場源電路設計）。根據軟硬件的設計，做出了一個簡單的測量裝置。通過實驗數據的處理以及誤差分析，驗證了本設計的合理性。

關鍵詞：霍爾元件；發電機；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展起來的測量電流、電壓的新一代工業用電量傳感器，是一種新型的高性能電氣檢測元件。電網中，越來越多的負載采用電源變換器供電，用普通的功率計測量這類電能有點困難。例如發電機運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。根據電機的頻率周期的變化，重復頻率可以高達20kHz，脈沖寬度在1～50微秒范圍內。雖然電機的電流是連續的，但是由于電機是感性負載，故電機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不能測量脈寬調制的高頻脈沖電壓的有效值，必須采用霍爾效應元件的電流測量法。因為位于控制側的霍爾效應元件具有把兩個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果顯示出來[2]。

1 基本原理

圖1 系統基本組成框圖

圖1為霍爾式發電機功率測量系統基本原理框圖[3]。螺線管產生的磁場強度為：

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與電機輸出的功率ULIL成線性關系，從而實現負載消耗功率的測量。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）

在負載上的電流為：

iLm=ILmsin（wt+f） （8）

其則在線圈上產生的垂直于霍爾元件的磁感應強度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就可以計算出負載功率P。以上介紹的為一相的功率測量方法， 對于三相電路， 只需用三個和圖1相同的電路進行分別測量， 然后求三個測量值的和即可[1]。

2 測量系統設計

文章設計的功率測量系統主要以霍爾轉換器和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，經過放大濾波、A/D轉換等電路處理后，經單片機AT89551根據不同時段價格計算出所用電量并送到LCD上顯示。系統包括霍爾元件傳感器裝置、微處理器、信號調理電路、A/D轉換電路、LCD顯示電路等[4]。

單片機AT89C51在整個系統中將采集的A/D轉換結果送入I/O口存儲，通過對采集的數字信號進行計算出功率，并將結果送到LCD模塊顯示。單片機最小系統如圖3所示。

圖3 單片機AT89C51最小系統

圖4 二階有源低通濾波器

信號調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點陣式EA-D20040模塊。圖7所示為A/D轉換電路，文章采用美信ICL7135轉換器芯片。

3 結束語

文章介紹的功率測量電路可用于測量變換器供電電機的功率消耗。由于這類工作電壓不是正弦波，而是脈寬調制的高頻矩形脈沖，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頻率是500kHz。電壓的波形無關緊要，只要它的諧波低于2.5MHz。由于感應電流的存在，電流的頻率不是很高，而且應該是正弦的。當電流頻率高于1kHz時，本設計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350V（峰-峰值），所以可以測量測量的功率高達2900W。當用于三相電源時，這個值相當于電機的功率為5000W[6]。通過實驗數據的處理以及誤差分析，驗證了本設計的合理性。

參考文獻

[1]郭東棟.智能功率測量儀的設計[J].電子測試，2007（9）.

[2]雷磊，等.霍爾式數字電度表的設計與實現[J].技術交流與應用，2011.

[3]胡媛媛，等.交變磁場測量系統數值仿真分析[J].儀表技術與傳感器，2003.

[4]仁杰.8098單片機在發電機輸出功率測量中的應用[J].四川水力發電，2000.

[5]楊冠城.電力系統自動裝置原理[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，畢業于中科院武漢分院自動控制與儀器專業。