三种检测三相电源用的传感器

概述随着电力系统的快速发展，电网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统中实时监控、调度的自动化就显得十分重要，电量的数据采集是实现自动化的重要环节，尤其是如何准确、快速的采集系统中的模拟量（电压、电流、功率等），是电力系统自动化的一个重要因素。

同时随着数字技术的发展，三相交流电源的检测系统设计中也普遍采用了数字系统，基本流程如下：图1 三相交流电源检测系统的基本流程信号处理电路和A/D转换电路的作用在于将传感器检测到的信号转变成单片机可以识别的脉冲信号。

对于不同的传感器，信号处理电路也是不同的。

在本论文中将介绍三种不同类型的传感器检测三相交流电压（220V）、电流（0～100A）的方法。

这三种方法分别是：1、利用电压互感器、电流互感器进行检测；2、利用霍尔式传感器进行检测；3、利用光纤式传感器进行检测；下面将对这三种不同方法的传感器的检测原理以及接线方式的进行详细介绍。

1利用电压互感器、电流互感器进行检测测量用电压、电流互感器是最常见的交流电压、电流检测传感器，在论文中用到的电压电流互感器的工作流程如下图所示。

图2 电压电流互感器工作流程1.1电压互感器工作原理电压互感器是一个带铁心的变压器。

它的基本结构和变压器很相似，它主要是由一、二次线圈、铁心和绝缘组成，其工作原理与变压器相同。

当在一次绕组上施加一个电压时U，在铁心中就产生一个磁通 ，根据电磁感应定律，则在1二次绕组中就产生一个二次电压U。

一、二次侧的电压与其线圈匝数成正比，2改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同变比的电压互感器。

电压互感器的特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。

1.2电压互感器接线图电压互感器在运行时，一次绕组并联接在线路上，二次绕组接仪表或继电器。

需要注意的是电压互感器二次侧不允许短路。

由于电压互感器本身的阻抗很小，一旦二次侧发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈，甚至危及人身安全。

在本论文中，根据要求电压互感器可以选用JDG4-0.5型（220/100），然后就可以依次计算线路中所需各种器件的参数。

图2为电压互感器检测220V交流电压的线路连接图。

图3 电压互感器检测220V交流电压如图所示，电压互感器的一次侧是并联接在220V交流母线上，二次侧输出的交流电压经过整流（D1）滤波(C1)转变成直流电，然后由R2、R3进行分压，再经过滤波、隔离、A/D转换等电路得到单片机可以接受的电压信号。

1.3 电流互感器工作原理电流互感器是将大电流变成小电流的变压器，它的一次绕组和二次绕组绕在同一个磁路闭合的铁心上，其工作原理与变压器基本相同。

如果一次绕组中有电流流过，将在二次绕组中感应出相应的电动势，当二次绕组为通路时，则在二次绕组中产生电流。

此电流在铁心中产生的磁通趋于抵消一次绕组电流产生的磁通。

二次电流与一次电流之比等于一次绕组与二次绕组匝数比。

1.4 电流互感器接线图电流互感器在运行时，它的二次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。

需要注意的是，电流互感器二次侧不允许开路。

因为一旦开路，原边电流均成为励磁电流，使磁通和副边电压大大超过正常值而危及人身和设备安全。

图4 电流互感器检测220V交流电流如图所示，电流互感器一次侧串联在交流母线上，二次侧输出端并联一个电阻，将电流互感器二次侧输出的交流电流转变成交流电压，然后经过整流、滤波、分压输出我们需要的电压，再经过A/D转换后传送给单片机。

1.5 电压、电流互感器精确度和线性度分析本论文中所选用的互感器的准确级可达到0.5～2级，非线性度小于0.1%。

测量互感器的准确度等级，在规定条件下，以测量互感器的变比误差的数值来表示。

所谓规定条件，是指测量互感器在规定的初级电压或初级电流，以及负载要在规定的范围之内。

对不同等级的测量用互感器，它的相角误差也有相应的规定。

2利用霍尔式传感器进行检测2.1 霍尔传感器工作原理霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏式传感器。

如图4所示在金属或半导体薄片相对两侧面ab 通以控制电流I ，在薄片垂直方向上施加磁场B ，则在垂直于电流和磁场的方向上，即另两侧面cd 会产生一个大小与控制电流I 和磁场B 乘积成正比的电动势H U ，这一现象称为霍尔效应。

图5 霍尔效应原理图霍尔电压、电流传感器采用磁补偿原理，当原边通过电流P I ，在它的周围产生一个磁场P H ，这一磁场被聚集，并感应了霍尔器件，使其有一个信号输出H V 。

这一信号经放大器放大后，从而获得一个补偿电流S I ，即副边电流。

副边多匝线圈所产生的磁场与原边电流所产生的磁场方向相反，因而削弱了原边的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小，最后副边的安匝数和原边的安匝数相等。

这时霍尔器件就起到零磁通检测作用。

上述过程是在非常短的时问内产生的．这一平衡所建立的时间在1s 之内，它是一个动态平衡。

霍尔传感器是以霍尔元件为基本检测元件，利用负反馈原理研制成功的。

反馈控制系统具有抑制内部和外部各种干扰对输出影响的能力。

在闭环系统中，有可能采用精度不太高和成本低廉的元器件，构成控制质量较高的系统。

该传感器反馈控制原理及扰动影响如图所示：图6 反馈控制原理图中，P I ：原边电流；P N ：原边匝数；e ：误差信号；K ：霍尔器件比例系数；H V ：霍尔输出电压；V A ：放大器增益；0R ：放大器输出阻抗；L R :负载阻抗；S I ：副边电流；S N ：副边匝数；d V :扰动信号2.2 霍尔电压传感器我们可以采用霍尔电压传感器CHV-50P 实现对220V 电压的检测。

CHV-50P 型电压传感器输出端与原边电路是电隔离的，磁补偿式测量，过载能力强、性能稳定可靠，易于安装。

CHV-50P 霍尔电压传感器的额定电压为10V ～1200V ，线性度<0.1%，响应时间为20～200S ，精确度优于1%。

在进行电压测量时，传感器通过与模块原边电路串联电阻1u R 与被测量电路并联连接，输出电流正比与原边电压。

由于CHV-50P 的输入额定电流1n I 为10mA,本设计中所要检测的电压是220V 的交流电压，则：11220 2.210u n U V R K I mA===Ω 电阻1u R 消耗的功率1P 为：1122010 2.2n P UI mA W ==⨯= 因此电阻1u R 应选择阻值为2.2千欧，功率为5W 的大功率电阻。

另外为了抑制共模干扰，在交流输入侧并联了两个电容C 。

下图是霍尔电压传感器的接线电路，此接线图包含了霍尔电压传感器的检测电路和滤波补偿电路。

图7 霍尔电压传感器接线图2.3 霍尔电流传感器霍尔电流互感器采用DT-50P 型，用来检测交流220V 电流，它的性能也是稳定可靠，易于安装。

如何选择电阻可以参考霍尔电压互感器，在此就不再赘述。

下图为霍尔电流传感器的接线图，与霍尔电压传感器接线图基本一致。

图8 霍尔电流传感器接线图2.4 精确度和线性度分析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。

它的原边电路与副边电路之间完全电绝缘。

采用霍尔传感器检测电压电流具有如下几个特点。

首先，测量精度高。

在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量，而普通互感器一般精度为3%至5%且适合50Hz正弦波形。

其次，线性度、动态性能好，优于0.1%，跟踪速度di/dt高于50A/μs。

再次，它的工作频带宽。

3利用光纤式传感器进行检测3.1 光纤传感器的结构光纤传感器（FOS——Fiber Optical Sensor）是基于光导纤维的新型传感器。

光纤传感器系统包括了光源、光纤、传感头、光探测器和信号处理电路等5个部分。

光源相当于一个信号源，负责信号的发射；光纤是传输媒质，负责信号的传输；传感头感知外界信息，相当于调制器；光探测器负责信号转换，将光纤送来的光信号转换成电信号；信号处理电路的功能是还原外界信息，相当于解调器。

图9 光纤传感器结构示意图3.2 光纤传感器的工作原理光纤传感器的基本原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质，如光的强度、波长(颜色)、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光，再经光纤送入光敏器件、解调器而获得被测参数。

光纤传感器检测原理框图如下：图10光纤传感器检测原理框图如图所示，光检测及放大电路实现了光/电转换，并且对电信号放大、滤波，以及分离出交流信号，然后对交流信号进行采集和处理即可。

光纤电流传感器（OCT）是以法拉第磁光效应为基础，以光纤为介质的新兴电力计量装置，它通过测量光波在通过磁光材料时其偏振面由于电流产生的磁场的作用而发生旋转的角度来确定被测电流的大小。

图11 基于法拉第电磁效应的光纤电流传感器的传感头光纤电压传感器（OPT）是利用电光效应来测量电压的。

3.3 线性度和精确度分析光纤传感器是一种新型的传感器，与电磁式互感器相比，基于光学、微电子、微机技术的光纤式传感器，具有无铁心、绝缘结构简单可靠，体积小、重量轻、线性度好、动态范围大、无饱和现象，输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口等优点。

这些优点既满足、推动了电力系统的发展，而且应用前景十分广阔。

利用光纤传感器测量交流220V电压电流，电压精确度可以达到1.5%，电流精确度可以达到5%。

测量频率为10～1000H。

Z结语本论文中介绍了三种检测220V交流电压和电流的传感器。

通过本次论文，我对传感器有了一个更深的了解，以前对于检测交流220V电压电流，只知道可以使用互感器，现在又了解了好几种检测用的传感器，这对以后的学习很有帮助，在这个学习过程中，我自己受益匪浅，提高了很多。