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1、传感器在电力传动控制系统应用传感器在电力传动控制系统应用概述电力传动控制系统中需要对电压、电流、温度、转速、转矩等参数进行实时测控，特别是在一些需要对大电流和高电压以及对运行速度有较高要求的系统进行测量和控制的工程应用中，需要使用安全可靠、精度较高的各类传感器。以满足系统内部的测控及设备运行保护的需要。传感器在电力传动控制系统应用本单元将根据电力传动控制系统实际需要重点介绍几类所涉及到的传感器电压、电流传感器转速传感器转矩传感器传感器在电力传动控制系统应用温度传感器转速传感器直流电机双闭环控制系统传感器在电力传动控制系统应用交流电机变频控制系统电压传感器电流传感器温度传感器转速传感器传感器在电
2、力传动控制系统应用动力输出机械驱动单元传感器在电力传动控制系统应用一、电压、电流传感器原理及应用传感器在电力传动控制系统应用1）电压测量的重要性阐述电压测量重要性及应用。2）电压测量的特点交流电压测量的幅值范围、频率、相位等指标。V(t)=UmSin(t+)1.电压传感器传感器在电力传动控制系统应用1）电压测量的重要性电压测量是电力传动控制系统的可靠工作的基础。供电、驱动输出回路测量参数。电压测量传感器是最重要检测指标，也是设备安全运行的基本工作条件。电压测量是所有工作单元和继电保护单元（电机、控制回路、功率输出单元）正常工作的前置条件或额定工况。1.电压测量传感器传感器在电力传动控制系统应用
3、2）电压测量的特点 频率范围广：零赫兹（直流）109Hz 测量幅值范围宽电力传动控制系统：千伏级(KV)。电压波形的多样化波形：纯正弦波、失真的正弦波（含有谐波分量），方波，三角波，梯形波；随机噪声。应关注波形系数！阻抗匹配（负载效应）电压传感器输入阻抗是指它的两个输入端之间的等效阻抗，是被测电路的外部负载。测量传感器应具有较高的输入阻抗！1.电压测量传感器传感器在电力传动控制系统应用1.电压测量传感器传感器在电力传动控制系统应用3)电压传感器分类与测量方法1.电压传感器分类按检测对象分类：直流电压传感器；交流电压传感器工作机理和应用范围分类：电压互感器、霍尔电压传感器1.电压测量传感器传感器
4、在电力传动控制系统应用(1)电压互感器电压互感器：按照一定的比例将输（供）电线路上的高电压降低到可以用仪表直接测量的标准范围数值，以便电压仪表或电路进行直接测量；电压互感器除用作测量外，还可与继电保护装置配合，对设备进行电气故障的保护。电压互感器实现一、二次系统的电气隔离。但它的应用频带范围比较窄，只适用于4560Hz 正弦波的工频检测，对于其它波形的电压的测量精度低。1.电压测量传感器传感器在电力传动控制系统应用(1)电压互感器电压互感器相当于空载变压器注意！电压互感器二次绕组不许短路。212121NNEEUUKU=AaxX1.电压测量传感器传感器在电力传动控制系统应用(1)电压互感器电压互
5、感器：可以扩大交流电压测量的范围（量程）。高压部分高压部分低压部分低压部分1.电压测量传感器传感器在电力传动控制系统应用使用电压互感器应注意的问题：A.所选电压互感器一次侧线圈额定电压应大于被测电压。B.与电压互感器配套使用的测量仪表应选择量程一致的交流电压表。C.电压互感器的一、二次侧绝对不能接反，A、X应接被测电压，a、x应接电压表或测量电路。D.电压互感器的二次侧不允许短路。因二次侧短路时将产生很大的短路电流，导致互感器的损坏。所以，为防止二次侧短路，必须在二次侧安装熔断器。为防止电压互感器一次侧的过电压，一般也安装熔断器。1.电压测量传感器传感器在电力传动控制系统应用1.电压测量传感器
6、(2)霍尔电压传感器简介：霍尔电压传感器是测量应用较多的传感器件之一，应用于变频调速、逆变装置、开关电源等诸多领域。霍尔电压传感器是一种能够隔离主回路（一次回路）与控制电路的电压检测元件，具备优越的电性能，同一传感器既可以检测交流也可以检测直流，还可以检测瞬态电压峰值，是传统互感器的升级换代产品。传感器在电力传动控制系统应用磁平衡式电压传感器：需要原边匹配一个内置或外置电阻，该电阻的取值随着测量电压量程增大，其阻值和功率也相应增大，甚至需要加散热片。因为原边采用多匝绕组，存在比较大的电感，一般响应速度不高，频率范围有限。微型化设计中使用！后续讲解(2)霍尔电压传感器传感器在电力传动控制系统应用
7、二、电流传感器原理及应用传感器在电力传动控制系统应用2 电流测量传感器电流测量应用十分普遍，起重要作用：电流与负载功率有直接关系，需要电流信号对控制系统的实时反馈；系统中如有过载或短路情况出现也需要及时采取保护措施。测量电流的方法一般分成直接式和间接式两种。传感器在电力传动控制系统应用2 电流测量传感器直接式测量：根据欧姆定律电流和电压成正比，因此测量小阻值电阻上的电压得到电流值（I/V变换）间接式测量：通电导体周围产生磁场，采用互感器测量其电流值。直接式测量应用场合：用于测量相对较小的电流情况。间接式测量应用场合：可用于测量大电流、高电压电力回路。常用电流互感器和霍尔式传感器，通过输出信号检
8、测电流值。传感器在电力传动控制系统应用2 电流测量传感器1）电流互感器电流互感器相当于二次侧短路的变压器（升压变压器），与控制电路或电流表联用。注意！电流互感器二次绕组不许开路。1221NNIIKI=传感器在电力传动控制系统应用2 电流测量传感器使用电流互感器应注意的问题：（1）所选电流互感器一次侧绕组额定电流应大于被测电流。（2）与电流互感器配套使用的测量仪表应选择同一量程的交流电流表。（3）电流互感器的二次侧不允许开路。否则，二次侧将产生很高的开路电压，可能击穿互感器的绝缘层。（4）电流互感器的二次侧不允许接熔断器，需要更换测量仪表时，用开关先将二次侧短路。（5）为了人身和设备的安全，电流
9、互感器的二次侧线圈、铁芯和外壳需要可靠接地！传感器在电力传动控制系统应用2 电流测量传感器2）电压、电流互感器接线图例电压互感器在系统连接图例电压互感器在系统连接图例电流互感器在系统连接图例电流互感器在系统连接图例传感器在电力传动控制系统应用2 电流测量传感器3）电流、电压互感器实物图传感器在电力传动控制系统应用2 电流测量传感器4）霍尔电流传感器简介：霍尔元件为核心构成，频带宽，可达DC2MHz频响范围，测量线性度高，是高精度宽频带的电量传感器。在电力传动控制系统中得到广泛的应用。霍尔效应：导电平面在与其垂直方向磁场中，将在导电平面上产生一个与电流方向和磁场方向都垂直的电场。传感器在电力传动
10、控制系统应用2 电流测量传感器霍尔元件：在与半导体平面垂直的方向施加磁场，导电平面内有劳伦茨力施加在电流（荷）上，使电流分布变形，在输出端形成了电位差。这个电位差就称为霍尔电压，它的大小与流过的电流IH 及穿过的磁感应强度B 成正比。YXZ4312dBHIHVdBRIVHH=传感器在电力传动控制系统应用2 电流测量传感器上式中比例系数R称为霍尔系数，对同一材料R为一常数。因器件成品d也是一常数。故R/d常用另一常数K来表示，有BKIVHH=K称为霍尔元件的灵敏度，它是表示该元件在单位磁感应强度和单位电流作用时霍尔电压的大小。如果霍尔元件的灵敏度K已知（一般由实验给出），测出电流和霍尔电压，根据
11、下式也可求出磁感应强度B。HHKIVB=传感器在电力传动控制系统应用2 电流测量传感器霍尔电流传感器是基于对磁感应强度测量来实现，由导流电缆周围磁场：040 IBr=400联立得到：传感器在电力传动控制系统应用2 电流测量传感器(1)直测式霍尔电流传感器电流通过导线产生周围磁场，磁感应强度与流过导线的电流成正比，通过磁芯聚集感应到霍尔器件上，并使其有一信号输出。信号经线性功率放大后可以直接输出，输出标定为04V。传感器在电力传动控制系统应用2 电流测量传感器(2)磁平衡式电流传感器（CSM系列 LEM公司）主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场，通过一个次级线圈电流产生的反向抵消磁场进行补偿
12、，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态而实现测量。传感器在电力传动控制系统应用2 电流测量传感器Elevator电梯Folk lift升降机传感器在电力传动控制系统应用2 电流测量传感器Robot machine机器人设备welding焊接机Inserter/mounting machine变频器/安装机器传感器在电力传动控制系统应用用二极管检波滤波器可以构成简单的ACDC转换器，但这种ACDC转换器的转换特性受到检波二极管的非线性的制约，这种非线性将影响传感器的测量精度。因此这种简单的ACDC转换器不适用动态范围较大的交流电压高精度测量。为了解决这一问题。交流直流电压转换的电路精密检波器3
13、 交流/直流转换器原理（交流信号调理）传感器在电力传动控制系统应用1、正半周：当输入信号电压为正极性，Ux 0时，U1 0;D1导通、D2截止，输出电压Uo=0。2、负半周：当输入电压为负极性，Ux 0,D1截止、D2导通，Uo=U1=-R2Ux/R1运放式精密半波检波器运放式精密半波检波器3 交流/直流转换器原理传感器在电力传动控制系统应用运放式精密全波检波器运放式精密全波检波器3 交流/直流转换器原理传感器在电力传动控制系统应用运放式精密全波检波器运放式精密全波检波器3 交流/直流转换器原理传感器在电力传动控制系统应用总结1.电压、电流测量传感器的意义、特点2.电压、电流测量方法3.互感器
14、（电压、电流）原理简介4.霍尔电流传感器的原理及工程应用5.交流直流电压变换器电路传感器在电力传动控制系统应用三、转速、转（扭）矩传感器原理及应用传感器在电力传动控制系统应用1.转速传感器在电力传动控制系统的应用1）测速发电机传感器在电力传动控制系统应用测速发电机是测量转速的传感器，将输入的机械转速变换成对应的电压输出。在传动系统中体现的性能：输出电压与转速成正比：U2=Kn,并保持稳定；剩余电压(转速为零时的输出电压）要小；输出电压的极性或相位能反映被测对象的转向；温度变化对输出特性的影响小；灵敏度高，即输出电压对转速的变化反应灵敏，输出特性斜率要大；转动惯量和摩擦转矩小，以保证响应速度要求
15、。1）测速发电机1.转速传感器在电力传动控制系统的应用传感器在电力传动控制系统应用主要类型：测速发电机直流交流异步同步电磁式永磁式1.转速传感器在电力传动控制系统的应用传感器在电力传动控制系统应用测量原理与普通直流发电机相同电枢电势为：aeeE Cn K n=空载时，Ia=0,Ua=EanU0负载为RL时，1.转速传感器在电力传动控制系统的应用aLaaaRRUEU=CnnRRKRREULaeLaaa=+=+=11传感器在电力传动控制系统应用理想情况下C为常数，直流测速发电机带负载时的输出特性是一条直线。负载电阻值越大，灵敏度越高。但输出特性会偏离直线！如图虚线所示。nUa01LR2LR2LR1
16、LR=LR1.转速传感器在电力传动控制系统的应用传感器在电力传动控制系统应用1.线性误差 U%2.最大线性工作转速nm3.输出斜率Kg4.最小负载电阻RL5.不灵敏区 n6.输出电压的不对称度直流测速发电机的性能指标%100%=ammUUU1.转速传感器在电力传动控制系统的应用传感器在电力传动控制系统应用闭环反馈控制系统原理图1.转速传感器在电力传动控制系统的应用速度控制系统应用1-放大器；放大器；2-电动机；电动机；3-负载；负载；4-测速发电机测速发电机传感器在电力传动控制系统应用2）光电编码器光电编码器利用光电效应原理，将角度、位置、转速等物理量转化为电信号并加以输出的一种传感器。光电编
17、码器在工业控制和自动化领域应用非常广泛。适用于测量：速度；长度；角度；位置。传感器在电力传动控制系统应用2）光电编码器 增量式旋转编码器：用光信号扫描码盘（码盘与转动轴相联），通过检测、统计信号的亮暗数量来计算旋转角度。工作原理：光敏元件得到A，B信号为具有90度相位差的正弦波，这组信号经放大、整形得到的输出方波，当A相超前B相时为正方向旋转，若B相超前A相时即为负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别正反转，Z相产生的脉冲为基准脉冲，又称零点脉冲，在固定位置上产生脉冲，可获得零位参考点。传感器在电力传动控制系统应用2）光电编码器 增量式旋转编码器传感器在电力传动控制系统应用2）光电编码器
18、分辨率:编码器以每旋转360度提供多少亮或暗刻线称为分辨率，一般在每转分度：510000线。信号输出：信号输出有正弦波(电流或电压),方波(TTL、HTL),集电极开路(PNP、NPN),推挽式多种形式。增量式旋转编码器传感器在电力传动控制系统应用2）光电编码器 增量式旋转编码器传感器在电力传动控制系统应用2）光电编码器绝对式旋转编码器用光信号扫描分度盘（分度盘与传动轴相联）上的格雷码或二进制码刻度盘以确定被测物的绝对位置值，然后将检测到的格雷码或二进制码数据以脉冲的形式输出测量的位移量绝对式旋转编码器的原理图传感器在电力传动控制系统应用2）光电编码器绝对式旋转编码器单圈绝对式编码器：转动光电
19、码盘各码道的刻线，获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点。绝对位置从码盘上读取在码盘上，每一位对应一个码道每个数位编码器对应一个输出电路每一个通道都包含一个接收器每圈(360)读数完成后，将重复读数输出传感器在电力传动控制系统应用2）光电编码器绝对式旋转编码器多圈绝对式编码器：运用钟表齿轮机械原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘(或多组齿轮，多组码盘)，在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。优点：是由于测量范围大，实际安装时不必要确定零点，将某一中间位置作为起始点，简化了安装调试难度。
20、传感器在电力传动控制系统应用2）光电编码器绝对式旋转编码器绝对式编码器的输出形式：有并行输出、串行输出、总线型输出等。要参照相应的通信协议与控制系统进行数据传输。传感器在电力传动控制系统应用2）光电编码器增量式编码器综述特点:数字编码,根据旋转角度输出脉冲信号记录单位时间旋转脉冲数量可以测量速度选型:-旋转一周对应的脉冲数(256,512,1024,2048)-输出信号类型(TTL,HTL,push-pull mode)-电压类型(5V,24V)-分辨率优点:-分辨能力强-测量范围大缺点:-断电后丢失位置信号用途：-主要用于测速传感器在电力传动控制系统应用2）光电编码器绝对式旋转编码器综述选型
21、:-单圈编码盘/多圈编码盘-代码(格雷码,BCD码,二进制码)-信号传输方式(并口,串口)-分辨率-最高旋转速度优点:-结构简单-角行程编码(通过旋转轴获得)-掉电不影响编码数据的获得-最大24位编码用途:-角度控制；定位；测长传感器在电力传动控制系统应用2）光电编码器旋转编码器应用举例传感器在电力传动控制系统应用2.转矩传感器在电力传动系统应用转矩是旋转动力系统中重要的机械动力参数，应用于：1.检测各种机械加工设备生产过程中扭矩。2.检测减速机，风机，泵，搅拌机，卷扬机，螺旋桨，钻探机械等机电设备的负载扭矩及输入功率。3.检测发电机，电动机，内燃机等旋转动力设备输出扭矩、功率、效率及转速。传
22、感器在电力传动控制系统应用电机输出扭矩计算公式：T=9550*P/n（换能）其中：电机功率P（kW）P=3UIcos（三相供电）额定转速n（r/min）电机输出扭矩T(Nm)，额定电压U（V）额定电流I（A），功率因数cos动力侧负载侧传感器在电力传动控制系统应用原理1：应变式扭矩传感器，利用被测转矩在弹性元件上产生弹性径向变形，通过应变片转换成电阻的变化，从而测出扭矩值。原理2：扭转角相位差式传感器。是在弹性轴的两端安装两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装一只接近(磁或光)传感器。弹性轴旋转时，测量两组脉冲波的相位差就可以计算出弹性轴所承受的转矩值。转（扭）矩传感器传感器在电力传动控制系统应用应变式扭矩传感器电路：应变片输出的扭矩信号是一个微小的电压信号，需要对毫伏级电压经过放大、滤波、和A/D转换，最后将信号调制在射频信号上传输出去。无线传输很好解决了在线式扭矩传感器测量电路的信号传输问题，传感器要满足信号的实时性和稳定性以及一定的无线传输距离。相位差式扭矩传感器测量电路：通过两组传感器的波形产生相位差，从而计算出扭矩。特点：实现了转矩信号的非接触传递，检测的信号是数字信号，转速较高。但扭矩传感器大，低转速时的性能不理想，应用面窄。相位差式扭矩传感器测量电路原理框图应力式扭矩传感器测量电路原理框图传感器在电力传动控制系统应用