霍尔式发电机功率测量系统设计方案

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，做出了一个简单的测量装置。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。

0引言

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔(A.H.Hall，1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

霍尔电流、电压传感器是近十几年发展起来的测量电流、电压的新一代工业用电量传感器，是一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，只要再配上一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=KbIL (1)

霍尔元件的输出电压为：

UH=KHIeB (2)

把(1)式代入(2)式得：

UH=KbKHILIeB (3)

电机两端电压为：

UL=KLIe (4)

则:Ie=UL/RL (5)

将(5)式代人(3)式得：

UH=Kb/RLULILB (6)

由(6)式得出：霍尔元件测得的输出电压UH与电机输出的功率ULIL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UL，IL，它们之间相位差为φ，则：

Ie=KbUlmsinwt (7)

在负载上的电流为：

ilm=ILMsin(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=K1ILMsin(wt+f) (9)

代入式(2)得：

UH=KUlmILMcosφ-KUlmILMcos(2wt+φ)非(10)

对上式求其平均值，得：

UH=KUlmILMcosφ=KP (11)

其中，K=KHKLKB，P=UIcosf为功率。因此只要测出了UH就可以计算出负载功率P。以上介绍的为一相的功率测量方法，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

信号调理电路由前置放大电路、低通滤波器、一阶同相放大器组成，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5一阶同相放大器

图6EA—D20040与AT89S51接口电路

图7A/D转换电路

3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。

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。对于图2所示的半导体试样，若在X方向通以电流Is，在Z方向加磁场B，则在Y方向即试样A，A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决定于测试样品的电类型。

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(峰一峰值)，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。

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波。

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