大直流传感器在直流电源计控中的应用设计

 大直流传感器对电解工业的整流电源的计量准确，稳定可靠起到重要作用。该文所介绍的电流传感器产品具有自主知识产权。目前它又能取代过去进口的哈尔玛公司的产品。

该传感器的主要材料铁芯和砷化镓霍尔元件是从日本引进，但经过特殊的加工处理和电路设计，设计中的元器件都选用国产军工品。根据霍尔件在磁路间隙中所采集到的由电流及磁场转换过来的电压信号，运用全电流定律和新技术;新工艺手段研制成功。

直流电源计控在电解工业管理有着举足轻重的地位，它是企业增效挖潜的主要技术考核指标之一，也是保障整流电源平稳运行的调控信号源之一，因此，直流传感器在整流电源系统中的计量准确、稳定可靠显得尤为重要。

众所周知，目前国内市场流行的直流电流传感器分开环和闭环二种形式(也就是常说的直测式和检零式)，且二种形式的传感器在测量精度方面都有其理论根据，都是依据霍尔元件在磁路气隙中采集由电流与磁场成正比转换过来的电压信号，在全电流定律的理论框架下设计制作。

SDA系列直流大电流传感器在电解工业领域针对不同行业、不同厂家的需求，可生产闭环式和开环式二大类型的多种产品。可对5KA~420KA直流大电流进行在线计量检测，具有精度高、可靠性及稳定性好、反应速度快、安装维护方便等特点，产品曾先后列入湖北省"火炬计划"、"科技攻关计划"、"国家级新产品试制鉴定计划";并获得湖北省"科技进步二等奖"、国家科委"金桥奖"和"国家级新产品证书"。

产品是在ISO9001-2000质量管理体系下严格按照国际标准组织生产的，依靠一支强劲的、经验丰富的科技研发队伍作后盾，运用新技术，新材料，新工艺等手段，从而保证了我公司的产品在性能及各项技术指标上，与时俱进地始终保持在时代的最前沿。

直流大电流传感器是在全电流定律∫LHdL=I的基础上研制的，全电流定律的核心是：磁场强度的闭合线积分只与闭合积分路径相交链的电流(被测电流I)有关，它与电流的位置及与不交链电流(所产生的杂散磁场)无关，当穿过传感器窗口的电流为零时，不管相邻导排有无电流(相对外磁)，传感器的输出必须为零。我们知道被测电流I在铁心中产生磁通Φ，用带气隙的均匀无分支磁路来完成待测电流I转换成为气隙中的磁感应强度，根据磁场强度的环路定律H1d+H2d+……H2Nd+∫LHid1=I和霍尔元件的输出电压UH=KHIHB与灵敏度，控制电流和磁场强度的关系，将传感器设计成一定铁心面积和一定气隙长度，在磁路中按照中心对称及轴对称的原则将每个气隙通道里的霍尔件由磁场强度感应出的感应电势相加并放大N倍，即得出了与实际电流成正比的输出电压。假定霍尔检测通道及对应的气隙通道为2N个(设计为偶数,并在磁路中按中心及轴对称的原则排列),每个气隙的宽度为d,设铁芯的总长度为L则有:

H1d+H2d+…+H2Nd+∫LHid1=Io ……………………..(1)
其中,Hi(i=1,2,…,2N)为气隙通道中的磁场强度,H1为铁芯中l处的强度,Io为现场母排中的电流。
对于气隙中，有Hi=Bi/μ0,而由中值定理,有
∫LH1d1=HLL=BLL/μrμ0
从而有:B1d+B2d+…+B2Nd+BLL/μr=μoIo

在上述关系式中,根据磁介质的边界条件,可知BL与Bi近似相等,且L/d在装置设计中,其值范围通常在10~30左右,而μr的值通常在四个数量级以上因而BL/μr在整个和式项中,其值很小，从而可令

　　BLL/μrμ0=βμ0I0 (且β<<1)进而得出:
B1+B2+…+B2N=(1-β)μ0I0 /d……………………...(2)
另一方面也可以得出:
BL ≈μ0I0 /2Nd ………………………………….(3)
β≈L/2Ndμr…………………………………….(4)

在传感器的调试中,可让

SH1I1 Sinψ1= SH2I2 Sinψ2=…=SH2NI2N Sinψ2N =K
由VHi=SHiIiBiSinψ1代入(2)式有：
VH1+VH2+…+VH2N=K(1-β)μ0I0 /d

在电子线路中,我们将各个霍尔感应电势相加,并放大Q倍,作为该装置的输出信号Vo,即有:

Vo=Qk(1-β)μ0I0/d……………………………… (5)

该式即反映出检测装置输出电压Vo与一次检测电流Io的量值对应关系。

由以上理论分析，影响传感器测量精度的因素很大程度上取决于选用铁心和霍尔器件。因此我们花费了很大的精力将各种铁磁材料进行大量试验，最终选用了日本日芝铁公司生产的一种新型导磁材料，为尽可能地保证磁性材料的性能，在磁性材料成型前后对其进行了特殊工艺结构处理，这样由我们原来导磁材料的5000-8000高斯导磁率一下子提高到现在的17000-20000高斯的高导磁低矫顽力的理论要求上来，从而使我们的传感器在线性度上得到了有效保证。

同样在霍尔件方面,我们也是严格地按照理论计算精度要求,做了大量地试验和筛选工作，最终我们确定了日本尼赛拉公司生产的TO90A砷化镓霍耳元件,它的最大优点是其在恒流工作时温度稳定性的典型值为-300至-400PPm/℃,输出线性好，其最大误差只有0.8%,1mA1kGS的输出电压可达到65-170mV左右且具有很好的频率特性,理论频带宽度在1M赫兹以上,只要其激励电流不超过3.5mA ,使用寿命可达20万小时以上。

为了保证生产的传感器在现场使用具有高可靠性，高稳定性和高精度等要求，在采用新材料的基础上，将原来的工业级元器件改成现在的军品级的元器件，电路板由原来的敷铜板改为现在的双面镀金板，所有原来的电连接接插件改成现在的紧固件连接，保证了产品的高可靠性能;在制造工艺上我们采用了二级自动温度补偿技术，在单个霍尔元件的补偿工艺方面进行了大量的研究实验工作，针对霍尔元件的物理特性和材料特性，采用一种新型霍尔补偿工艺，使霍尔元件的补偿精度及稳定性较以前热敏电阻补偿工艺有很大改善，为了防止外界温度对传感器的影响将电子电路部分集中在一个可自控的恒温盒里面，避免了因某个局部受温度系数影响而导致系统发生偏移量的变化，从而保证了产品的高稳定性能;在电路结构上我们将原来的一级差动放大电路改成现在的三级差动放大电路，消除了霍尔元件的输出电阻大于运算放大器的输入电阻而产生的误差。在传感器的后级放大电路采用多级隔离放大输出，输出的信号互不干扰，使大电流直流计控系统的配接非常方便。多台并联整流器中，当其中一台停电时，直流网侧短路产生的反向短路电流很大，传感器逆流保护接点设定一限值，达到对整流机组的反向保护作用。

通过大量的理论研究和实践探索，生产的大电流直流计控系统不断完善和优化，在市场上获得了广泛的好评。特别是在化工行业巴陵石化公司的5万吨离子膜烧碱直流电源系统应用中.