基于霍尔传感器的发电机功率测量系统设计

摘 要：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。

关键词：霍尔元件；发电机；输出功率；交流磁场源

引言

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1～50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[5]。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，必须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[2]。

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[3]。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=KH Ic B （2）

把（1）式代入（2） 式得：

UH=KbKHILIcB （3）

电机两端电压为：

UL=KL Ic （4）

则：Ic=UL/RL （5）

将（5）式代入（3）式得：

UH=KbKH/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？渍，则：

Ic=KlULmsinwt （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=Kl ILmsin（wt+f） （9）

代入式（2）得：

UH=KULmILmcos？渍-KULmILmcos（2？棕t+？渍）非 （10）

对上式求其平均值，得：

UH=KULmILmcos？渍=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1相同的电路进行分别测量， 然后求三个测量值的和即可[1]。

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[4]。

单片机AT89C51在整个系统中将采集的A/D转换结果送入I/O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。单片机最小系统如图3所示。

图3 单片机AT89C51最小系统

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。

3 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，所以这种电路必须适用于最小脉宽为1微秒的电压，或者说最高脉冲重复频率是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1kHz时，本设计选用的测量传感器仍可以正常工作。由于它的最大峰值电流为33A，测量电压可以高达350V（峰-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5000W[6]。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。

参考文献

[1]郭东栋.智能功率测量仪的设计[J].电子测试，2007（9）.

[2]雷磊，等.霍尔式数字电度表的设计与实现[J].技术交流与应用，2011.

[3]胡媛媛，等.交变磁场测量系统数值仿真分析[J].仪表技术与传感器，2003.

[4]仁杰.8098单片机在发电机输出功率测量中的应用[J].四川水力发电，2000.

[5]杨冠城.电力系统自动装置原理[M].中国电力出版社，2007.

[6]Hoshikawa H，Koyama K. Uniform eddy current probe with little disrupting noise[J]. Review of Progress in QNDE，1988.

作者简介：黄颖辉（1969-），男，汉，硕士研究生，毕业于中科院武汉分院自动控制与仪器专业。