磁补偿霍尔传感器在矿井提升机中的应用

　　1　霍尔元件的工作原理

　　1.1　霍尔效应

　　1897年美国科学家霍尔发现,在磁场的作用下,通过有电流的金属片(半导体中更为显著)将产生一种横向电位差,如图1所示。在厚度为d的半导体芯片上设置端子1、2、3、4,输入电流I流过端子1、3;若外加垂直于晶片平面的磁通密度为B的磁场时,则输出端子2、4间产生电位差VH为:

　　1.2　霍尔元件的测量原理

　　为了提高其工作的快速响应性、我们采用了迁移率很高的半导体锑化铟材料,由式(1)已知RH后,选定I,就可利用测量VH的办法来测定磁场B。当电流通过一根长直导线时,在导线周围产生磁场,磁场的大小与流过导线的电流成正比。这一磁场可以通过软磁材料来聚集,然后用霍尔器件进行测量。由于磁场与霍尔器件的输出具有良好的线性关系,因此霍尔器件测得信号的大小,直接反映出电流的大小,即:

　　2　磁补偿霍尔传感器

　　2.1　结构

　　磁补偿霍尔传感器是把互感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路的优点集中在一起,构成一个具有测量、反馈、保护三种功能的闭环自控检测系统的传感器。它根据磁场补偿原理,使输出电流正比于原电流,且如实反映原边电流波形。磁势的平衡不靠电磁感应来实现,而是采用由霍尔元件感生的电压作为反馈控制信号,由电子线路的电源供给补偿能量。

　　2.2　工作原理

　　如图2所示,主电流IP回路所产生的磁场,始终通过一个次级线圈的电流IS所产生的磁场进行补偿,使霍尔元件一直处于零磁通时的工作状态。当主回路有一大电流IP流过时,在导线周围产生一个强磁场,这一磁场被聚磁环聚磁,并感应到霍尔元件,使其产生一个信号输出。该信号经放大器放大,输入到功率放大器中,使相应的功率管导通,从而获得一个补偿电流IS。这一电流通过很多匝绕组,所产生的磁场与主电流所产生的磁场大小相等,方向相反,因而补偿原来的磁场,使霍尔元件的输出逐渐减少。最后,当IS与匝数相乘所产生的磁场与IP所产生的磁场相等时,霍尔元件就达到了零磁通状态。

　　上述平衡过程是在1μs时间内建立的,是一个动态平衡过程。一旦磁场失去平衡,霍尔元件就有信号输出;经放大后,立即有相应的电流流过次级线圈进行补偿。因此从宏观上看,副边的安匝数在任何时间都与原边的安匝数相等,时时补偿为零,即:

　　3　磁补偿霍尔传感器的优点

　　传感器不再受频率、波形的限制,测量频率的范围已不限于50Hz,可从0(直流)~100kHz,不仅能检测50Hz正弦量、有效值、瞬态峰值,并能对任何波形甚至对含直流分量的信号都可做出迅速响应,适应了电力电子技术变频斩波调速向高频发展的需求。磁补偿霍尔传感器由于采取了高迁移率的半导体霍尔元件及电子反馈电路,使响应速度可达1μs。它比电磁元件、快速熔断的动作快了几个数量级,可以有效地保护GTR的二次击穿,晶闸管的di/dt损坏,GTO的超可关断电流和IGBT管的超锁定电流的保护,VD-MOS管的抗振荡及SITH管的过电流保护。