Zusammenfassung:

     
           

Der Hall-Effekt wird vorgestellt, das Funktionsprinzip des geschlossenen Hall-Stromsensors sowie seine Hauptmerkmale, Produkteigenschaften und Auswahlkriterien werden analysiert. Die typische Anwendung des Hall-Stromsensors im Frequenzumrichter und die typische Stromerfassungsschaltung im Frequenzumrichter werden untersucht und analysiert, und seine typische Anwendung im Frequenzumrichter wird kurz erläutert.

1. Einleitung

     
           

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung moderner Industrietechnologien findet die Strommessung breite Anwendung in der industriellen Steuerungstechnik. Diese stellt hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Ansprechgeschwindigkeit der Strommessung und strebt gleichzeitig eine vollständige Trennung vom Messobjekt an. Hall-Stromsensoren erfüllen diese Anforderungen optimal. Dank ihrer hervorragenden Leistung und ihrer präzisen Konstruktion haben sie sich als Lösung für die galvanische Trennung von Strommessungen in der industriellen Steuerungstechnik etabliert und finden breite Anwendung in Antrieben, Frequenzumrichtern, Motorwicklungen und bei der Messung hoher Ströme im Hochfrequenzbereich.

2 Arbeitsprinzip

     
           

Der Hall-Stromsensor ist ein Magnetfeldsensor, der auf dem Hall-Effekt basiert. Er verfügt über zwei Betriebsmodi: den offenen Regelkreis (direkter Typ) und den geschlossenen Regelkreis (magnetischer Ausgleichstyp). Die Vorteile des direkt verstärkten Hall-Sensors liegen in seinem einfachen Schaltungsaufbau und den relativ geringen Kosten; seine Nachteile sind die geringe Genauigkeit und Linearität, die langsame Ansprechzeit und die starke Temperaturdrift. Um diese Nachteile zu beheben, wurden geschlossene (magnetische Ausgleichs-)Hall-Stromsensoren entwickelt.

Der geschlossene Hall-Stromsensor, auch Nullfluss-Hall-Stromsensor genannt, ist in Abbildung 1 dargestellt. Er besteht aus einem Primärkreis, einem Magnetring, einem Hall-Element, einer Sekundärspule, einem Verstärker usw. Wenn der vom Primärstrom I erzeugte magnetische Fluss durch den hochwertigen Magnetkern im Magnetkreis konzentriert wird, misst das im Luftspalt fixierte Hall-Element diesen Fluss und gibt über die auf den Magnetkern gewickelte Mehrwindungsspule einen Kompensationsstrom aus. Dieser kompensiert den vom Primärstrom I erzeugten magnetischen Fluss, sodass der magnetische Fluss im Magnetkreis stets null bleibt. Nach der Verarbeitung durch eine spezielle Schaltung gibt der Sensor am Ausgang Stromänderungen aus, die den Primärstrom präzise widerspiegeln.

   

Figure 1

3. Produkteinführung

     
         

3.1 Produktauswahl

             

Hall-Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis bieten zahlreiche Vorteile wie kurze Ansprechzeit, hohe Betriebsfrequenz, hohe Überlastfähigkeit und hohe Isolation. Die Auswahl des Hall-Stromsensors erfolgt in der Regel anhand des Eingangssignals, des Designs und der Größe der Innenbohrung. In der Sensorindustrie erfüllen die Hall-Stromsensoren von Jiangsu Ankeri die Anforderungen der Norm JB/T 7490-2007 „Hall Current Transformer Industry Standard“ (Industriestandard für Hall-Stromwandler). Im Gegensatz zu vergleichbaren Sensoren mit Stiftverdrahtung verwenden sie grüne Steckklemmen, was die Installation vor Ort vereinfacht und zuverlässiger macht. Gängige Markenprodukte sind in Abbildung 2 dargestellt.

   

Figure 2

     
         

3.2 Erscheinungsbild des Produkts

             

Modell: AHBC-LTA

   

Figure 3

     
         

3.3 Technische Indikatoren

             

Reaktionszeit: ≤1 µs

Bandbreite: 100 kHz

Offsetstrom: 0.1 mA

Betriebstemperatur: -25～70℃

Lagertemperatur: -40～80℃

Ausgangslast: Abhängig von verschiedenen Hilfsstromversorgungen, Eingangssignalen und Ausgangssignalen

Überlastfähigkeit des Eingangs: Durch Eingabe des zweifachen Bereichswerts kann der normale Betrieb wiederhergestellt werden.

Spannungsfestigkeit: 3.5 kV / 50 Hz / 1 min

4. Anwendung

     
         

4.1 Sensoren, die in Frequenzumwandlungs-Drehzahlregelungsschaltungen verwendet werden

                 

Abbildung 4: Frequenzumwandlungs-Drehzahlregelungsschaltung. Y ist der Hall-Stromsensor.

① in Abbildung 4 dient zur Erfassung des Gleichstroms des Busses. Werden im Hauptstromkreis anormale Impulse festgestellt oder überschreitet der Effektivwert den Standard, wird der Triggerimpuls des Wechselrichter-Triggerkreises schnell abgeschaltet, um den Wechselrichter und die Gleichrichtermodule zu schützen;

② in Abbildung 4 dient der Erkennung der Stromdifferenz zwischen den beiden Brückenarmen. Aufgrund eines Kommutierungsfehlers können die IBGT-Module in den oberen und unteren Brückenarmen einer Phase durch Überstrom leicht beschädigt werden. In diesem Fall ist ein Kurzschlussschutz erforderlich, der die Gate-Ansteuerschaltung innerhalb von 10 µs nach Erkennung des Kurzschlusses abschaltet. Dieser Wechselrichtertyp benötigt daher einen schnellen Überstromschutz. Ein Hall-Stromsensor misst den Strom in jedem Brückenarm. Leiten die oberen und unteren Brückenarme aufgrund eines Kommutierungsfehlers gleichzeitig, erfassen die beiden entsprechenden Sensoren gleichzeitig das Stromsignal. Nach Vergleich mit der Referenzspannung und Umwandlung in eine Rechteckwelle werden alle Triggerimpulse des Wechselrichters durch die Gate-Schaltung blockiert, wodurch der Kurzschlusspfad unterbrochen und das teure IBGT-Modul geschützt wird.

Die in Abbildung 4 dargestellte Vorrichtung ③ dient der Erfassung der Wellenform des Ausgangsstroms. Sie ist mit dem Ausgangskreis des Wechselrichters verbunden, um den frequenzabhängigen Wechselstrom zu erfassen. Dadurch lässt sich der Triggerimpuls besser steuern und es können Überlastsignale für elektrische Geräte bereitgestellt werden.

     
         

4.2 Vorsichtsmaßnahmen für die Verwendung

             

4.2.1 Um bessere dynamische Eigenschaften und eine höhere Empfindlichkeit zu erzielen, muss auf die Kopplung der Primär- und Sekundärspule geachtet werden. Um eine gute Kopplung zu erreichen, kann ein einzelner Draht verwendet werden, der die Öffnung des Hall-Sensormoduls vollständig ausfüllt;

4.2.2 Wenn während des Betriebs ein hoher Gleichstrom durch die Primärspule des Sensors fließt und der Sekundärkreis nicht an die Stromversorgung bzw. den Spannungsregler angeschlossen oder die Sekundärseite unterbrochen ist, wird der Magnetkreis magnetisiert, was zu Restmagnetismus führt. Dieser beeinträchtigt die Messgenauigkeit (daher müssen Stromversorgung und Messanschluss M vor der Verwendung unbedingt angeschlossen werden). In diesem Fall muss zunächst eine Entmagnetisierung durchgeführt werden. Dazu wird dem Sekundärkreis keine Spannung zugeführt, sondern ein Wechselstrom gleicher Stärke durch die Primärspule geleitet, dessen Wert sich allmählich verringert.

4.2.3 Hall-Sensoren weisen in den meisten Fällen eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern auf. Magnetfelder, die durch einen Strom erzeugt werden, der dem Doppelten des Betriebsstroms Ip entspricht und sich in einem Abstand von 5–10 cm vom Modul befindet, können in der Regel vernachlässigt werden. Bei stärkeren Magnetfeldern müssen jedoch geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Übliche Methoden hierfür sind:

① Richten Sie das Modul so aus, dass das externe Magnetfeld einen geringeren Einfluss auf das Modul hat;

② Fügen Sie dem Modul eine Metallabschirmung hinzu, die Magnetfeldern widersteht;

③ Wählen Sie Module mit Dual-Hall-Elementen oder Multi-Hall-Elementen;

④ Die Messgenauigkeit wird beim Nennwert erreicht. Liegt der gemessene Strom deutlich unter dem Nennwert, kann zur Erzielung einer höheren Genauigkeit eine höhere Windungszahl auf der Primärseite verwendet werden, d. h.: IpNp = Nennstromstärke. Die Temperatur der Primärzuleitung darf 80 °C nicht überschreiten.

5.Fazit

     
         

             

Hall-Stromsensoren bieten zahlreiche Vorteile. Durch die präzise Erfassung und Regelung hoher Ströme gewährleisten sie den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Wechselrichtern. So können diese Störungen zeitnah beheben und gleichzeitig den normalen Betrieb aufrechterhalten. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Wechselrichters. Die Vorteile von Hall-Stromsensoren in Frequenzumrichtern werden daher immer deutlicher, und sie sind zu einem unverzichtbaren Bestandteil der Frequenzumrichterindustrie geworden.

【Referenz】

     
         

             

[1] Ankerui Enterprise Microgrid Design and Application Manual 2019.11 Edition

[2] Xie Wenhe. Sensoren und ihre Anwendungen [M]. Peking: Higher Education Press, 2003.

[3] Yuan Junwu. Anwendung des Hall-Stromsensors im Frequenzumrichter

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