一、问题的提出 逆变焊机(以下简称为焊机)的输出电流的检测与 控制，直接决定了焊机工作的稳定性和可靠性由于焊 机的使用条件不同而导致负载变化较大，随之焊机的输 出功率也将发生较大变化，若对焊机的输出电流不加限 制，会造成焊机因过载而发热，影响其功率输出，更严 重情况下会导致焊机永久失效- 闭环霍尔电流传感器(以下简称传感器)在逆变焊 机中的应用，实现了对焊机输出电流的隔离测量，即传 感器的输出信号与焊机的输出电流电气隔离，有利于传 感器输出信号调整处理，通过调整、设定该信号并反馈 控制焊机的输出电流，当焊机的输出电流接近设计功率 输出时，输出电流将不再增加，从而限制了焊机的输出 功率，保护焊机不会因负载等外部因素的变化而损坏仁， 二、闭环霍尔传感器的工作原理 1879年，美国物理学家Edwin Herhert Hall发现霍 尔效应以来，霍尔技术越来越多的应用于工业控制的各 个领域。进人20世纪80年代，随着元器件工艺技术的 发展，霍尔器件的性能大大提高，由霍尔器件应用开发 的霍尔电流、电压传感器的性能也有很大提高，特别是 闭环霍尔电流、电压传感器的研制成功，大大扩展了该 项技术的应用领域。 1.霍尔效应及霍尔器件 霍尔效应是霍尔技术应用的理论基础，当通有小电 流的半导体薄片置于磁场中时(见图l)，半导体内的载 流子受洛伦兹力的作用发生偏转，使半导体两侧产生电 势差，该电势差即为霍尔电压‘，;，这个电压u，;与磁 感应强度B及控制电流I(一成正比，经过理论推算有如 下等式关系: U;;=(R日八l)火B xl、(l) 式中:ul.为霍尔电压:B为磁感应强度;人:为控制电 流;R;，为霍尔系数;‘l为半导体厚度 上式中，若保持控制电流1.不变，在一定条件下， 可通过测量霍尔电压推算出磁感应强度的大小，由此建 立了磁场与电压信号的联系。根据这一关系式，人们研 制了用于测量磁场的半导体器件，即霍尔器件 图l霍尔效应原理 2.闭环霍尔电流传感器的工作原理 闭环霍尔电流传感器是利用霍尔器件为核心敏感元 件用于隔离检测电流的模块化产品，它的工作原理是霍 尔磁平衡式的(或称霍尔磁补偿式、霍尔零磁通式)。 众所周知，当电流流过一根长的直导线时，在导线周围 |州仓 才J 产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流大小成正比， 这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进 行检测，山于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有 良好的线形关系，因此可利用霍尔器件的测得的输出信 号，直接反应出导线中的电流大小，即: 1 cc B o=U一(2) 式中:I为通过导线中的电流;刀为导线通电流后产生 的磁感应强度;v:为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔 电压。 当选择适当的比例系数，上述关系可以表示为等式。 对于霍尔输出电压信号Ul。的处理，人们设计了许 多种电路，但总体来讲可分为两类:一类为开环(或称 直测式、直检式)霍尔电流传感器;另一类为闭环(或 称零磁通式、磁平衡式)霖尔电流传感器。 针对雀尔传感器的电路形式而言，人们最容易想到 的是将稚尔元件的输出电压用运算放大器直接信一号放 大，得到所需要的信一号电压.由此电压值来标定一次 (侧)被测电流大小，这种形式的霍尔传感器通常称为 开环袱尔电流传感器。开环瞿尔传感器的优点是电路形 式简单，成木相对较低;其缺点是精度、线性度较差， 响应时问较慢;温度漂移较大。为克服开环传感器存在 的不足，80年代末期，国外出现了闭环霍尔电流传感 器。1989年，北京七0一厂引进国外技术在国内率先 开展闭环霍尔电流传感器的研制、生产。经过十几年的 努力，这种传感器在国内逐渐为广大用户了解和应用。 闭环霜尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的(见图 2)，即一次(侧)电流(IN)所产生的磁场，通过一个二 次线!鳅勺电流(I。，)所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件 始终处于检测零磁通的工作状态。当一、二次边补偿电流 产生的磁场在磁芯中达到平衡时，即有如下等式: N x IN二n xz。:(3) 式中:肠为一次(侧)电流;N为一次(侧)线圈的 匝数;IM为二次(侧)补偿电流;n为二次(侧)线 圈的匝数。 山土式看出，当已知传感器一次(侧)和二次 (侧)线圈匝数时，通过测量二次(侧)补偿电流IM的 大小，即可推算出一次(侧)电流标的值，从而实现 了一次(侧)电流的隔离测量。 三、闭环霍尔电流传感器的主要性能 闭环报尔电流传感器是近10年来出现的高技术模 细一次(侧) 汁输出 侧}妾电阻 图2闭环雀尔电流传感器的工作原理 块化产品，其性能要大大的优于开环霍尔电流传感器， 同时与传统的分流器或互感器的电流测量方法相比亦有 许多优点。闭环霍尔电流传感器主要有以下特点: (l)可以同时测量任意波形电流，如:直流、交 流、脉冲电流。 (2)二次(侧)测量电流与一次(侧)被测电流之 间完全电气隔离，绝缘电压一般为2一1 Zkv。 (3)电流测量范围宽，可测量额定1:1达一50kA电流。 (4)跟踪速度， 11/《{‘:高于50A/us。 (5)线性度:优于0 .1%I、; (6)响应时间:刁、于坛s。 (7)频率响应:0一100k日:。 四、闭环霍尔电流传感器在逆变焊机中的 应用 1.闭环霍尔电流传感器的应用 闭环霍尔电流传感器的应用范田很广，目前已成功 的应用于各种电源、逆变焊机、发电及输变电设备、电 气传动、数控机床、军用装备等工业及军用产品上。下 面以额定电流为300A的Cllll一3005型闭环霍尔电流传 感器(见图3)为例，说明这种传感器的应用。 图3 CH13一3005型闭环电流霍尔传感器实物照片 CllB一3005型闭环霍尔电流传感器的额定电流为 300A，输出电流为150n、A，下表给出了CHn一3005型 传感器的主要性能参数: CHB一加05型霍尔传感器的主要性能参数 符号 名称参数 I、 额定电流300A(RMS) l，， 测量范围O一sooA IM 输出电流巧olnA对应一次(侧)300A .Y 精度(T.=25℃)zN的士0.5% 人、 匝比l:2000 L 线性度<0.1% di/〔」t>50A/I里s I。“ 失调电流士0.3mA(典型) Tr 反)友时间12，s F“ 电源电压士x5V(土5%) I 耗电ZsmA+zM T。 工作温度0一70℃ T， 储存温度一40℃一100℃ 测试时，焊机的输出正端母线电流排穿过CHB- 3005的一次(币则)电流穿孔，由传感器CHB一3005输 出电流，传感器的输出端与!与焊机逆变器的控制电路 相连，它们的信号输出为150mA对应一次(侧)额定 输人电流3OOA，依据此信号，由逆变器控制电路设定 焊机的输出电流控制点，实现对焊机的输出电流的检 测。通过设置传感器cHB一3005的输出信号，对焊机 的输出电流加以限制，避免出现因焊机的输出功率过高 而发生故障或损坏，以保证焊机的正常工作。 逆变器 风 剐 —} 巴 2.应用效果 某型逆变焊机中设计选用了CHB一3005型闭环霍 尔电流传感器作为系统电流检测部件，传感器的主要作 用是隔离检测焊机的输出电流，通过对传感器的输出信 号进行处理，设定限流工作点，确保焊机的输出功率不 高于逆变焊机的额定功率。闭环霍尔电流传感器CHB- 3005的应用，很好地实现了上述应用目的(见图4)。 图4 CHB一3005传感器的应用 五、结语 经过以上测试，该传感器的性能能够满足该型号焊 机对电流检测的需要，该设计已在多套逆变焊机中应 用，并按相关标准进行了试验测试，测试结果受到专家 的肯定。公，(2005，，02)闭环霍尔电流传感器在逆变焊机中的应用@李泽勇$北京七○一厂!(100024)
@王文生$北京森社电子有限公司!(100024)本文介绍闭环霍尔电流传感器的工作原理及在逆变焊机中的应用,实现了对逆变焊机输出电 流的隔离测量、控制,解决了逆变焊机输出电流的限流保护问题。用 闭环霍尔电流传感器的应用范田很广，目前已成功 的应用于各种电源、逆变焊机、发电及输变电设备、电 气传动、数控机床、军用装备等工业及军用产品上。下 面以额定电流为300A的Cllll一3005型闭环霍尔电流传 感器(见图3)为例，说明这种传感器的应用。 图3 CH13一3005型闭环电流霍尔传感器实物照片 CllB一3005型闭环霍尔电流传感器的额定电流为 300A，输出电流为150n、A，下表给出了CHn一3005型 传感器的主要性能参数: CHB一加05型霍尔传感器的主要性能参数 符号 名称参数 I、 额定电流300A(RMS) l，， 测量范围O一sooA IM 输出电流巧olnA对应一次(侧)300A .Y 精度(T.=25℃)zN的士0.5% 人、 匝比l:2000 L 线性度<0.1% di/〔」t>50A/I里s I。“ 失调电流士0.3mA(典型) Tr 反)友时间12，s F“ 电源电压士x5V(土5%) I 耗电ZsmA+zM T。 工作温度0一70℃ T， 储存温度一40℃一100℃ 测试时，焊机的输出正端母线电流排穿过CHB- 3005的一次(币则)电流穿孔，由传感器CHB一3005输 出电流，传感器的输出端与!与焊机逆变器的控制电路 相连，它们的信号输出为150mA对应一次(侧)额定 输人电流3OOA，依据此信号，由逆变器控制电路设定 焊机的输出电流控制点，实现对焊机的输出电流的检 测。通过设置传感器cHB一3005的输出信号，对焊机 的输出电流加以限制，避免出现因焊机的输出功率过高 而发生故障或损坏，以保证焊机的正常工作。 逆变器 风 剐 —} 巴 2.应用效果 某型逆变焊
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