1. 诚博娱乐
  2. 要闻
  3. 行业资讯
  4. 高端访谈
  5. 诚博娱乐
  6. 专家指导
  7. 应用研究
  8. 电工基础知识
  9. 《诚博娱乐》
  10. 展会
  11. 产品
  12. 企业
  13. 资料
诚博娱乐 > 《诚博娱乐》
《诚博娱乐》 爽子 2015-10-08 10:14
诚博娱乐讯:
 朱开建
 
    (深圳市拓邦自动化技术有限公司,深圳518000)
 
    [摘要] 介绍巨磁电阻电流传感器的工作原理,比较巨磁电阻电流传感器与霍尔电流传感器在太阳能光伏发电智能型汇流箱中的应用情况,最后给出巨磁电阻电流传感器在-40~+85℃范围内的实测非线性数据和曲线图。实测数据表明,巨磁电阻电流传感器完全可取代霍尔电流传感器用于解决光伏电流测量在低温下的线性精度问题。
 
    关键词 巨磁电阻电流传感器 光伏发电 智能型汇流箱
 
    0 引言
 
    在清洁能源领域,太阳能光伏发电有着广范的应用,每串太阳能电池板所发出的直流电流经过汇流箱的汇流形成总电流后,输出给电源逆变器转变成交流,进行并网发电[1]。在智能型汇流箱中,还采用了单片机和电流传感器对每串太阳能电池板所发出的直流电流和电压进行测量,以便监测太阳能光伏电站的发电状况以及方便电池板故障时的诊断维修。目前,国内大多数厂家在智能型汇流箱中都采用霍尔电流传感器,但由于霍尔电流传感器本身的低温线性特性不太理想(霍尔效应材料本身决定的),只能满足在0~55℃时测量线性精度在0.5%以内的要求,而在0℃以下不能满足该精度要求,且偏差较大,因此用霍尔电流传感器做的智能型汇流箱一般用于客户对0℃以下低温测量精度要求不太严格的场合[2]。而某些地区的客户(如俄罗斯和北欧国家)需要智能型汇流箱在0℃以下低温时也能较好地满足测量精度要求,这时就不能再采用霍尔电流传感器做为测量元件了。利用巨磁阻效应制做的巨磁电阻电流传感器,具有灵敏度高、响应快、低功耗、在温度大范围变化时具有较高稳定性的特点,可以较好地解决光伏电流测量在低温下的精度要求问题。
 
    1 巨磁电阻电流传感器的工作原理
 
    巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子效应,它产生于层状的磁性薄膜结构,这种结构是由铁磁和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时,载流子与自旋有关的散射最小,材料有最小的电阻;当铁磁层的磁矩为反平行时,与自旋有关的散射最强,材料的电阻最大[3]。
 
    巨磁电阻传感器是将4个巨磁电阻(以下简称GMR)构成惠斯登电桥结构,该结构可减少外界环境对传感器输出稳定性的影响,增加传感器的灵敏度,如图1所示。
 
    图1GMR传感器的结构图
 
    图1中,R1和R2为GMR,它们对外界通过的同一磁场有相反方向的阻值变化,在没有磁场影响时R1=R2,电桥输出为0。在实际应用中,一般将GMR传感器封装成插件或贴片形式的芯片,再加上运放、电阻、电容等少量外围电路和一个用于聚拢磁场的磁环材料就可以构成一个GMR电流传感器。众所周知,电流流过导体时会在导体周围产生磁场,该磁场通过磁环聚拢后作用在GMR传感器芯片上产生电压输出,经运放放大后得到反映电流变化的电压输出。GMR传感器芯片和GMR电流传感器实物如图2所示。
      
 
    图2GMR传感器芯片和GMR电流传感器实物图
 
    利用巨磁阻效应研发的GMR电流传感器具有体积小、灵敏度高、线性好、线性范围宽、响应频率高、使用温度特性好、可靠性高、成本低等特点[3],是各种传统传感器的换代产品。GMR传感器芯片在国际上的实际应用才刚刚开始。
 
    2 GMR电流传感器在光伏发电智能型汇流箱中的应用
 
    目前,国内大多数生产光伏发电智能型汇流箱的厂家还是选用霍尔电流传感器来测量电流量。但从实际的使用情况来看,采用霍尔电流传感器有以下不足:(1)线性工作的温度范围不够宽,不能保证0~55℃之外的线性精度;(2)传感器成品需灌胶封装,生产工序复杂,成品率低;(3)所采用的磁环需绕线,线扎数不好控制,工艺相对复杂,零漂难调整等。由于后2个缺点,使霍尔元件生产工艺相对复杂,增加了生产成本。这3个不足基本上是国内霍尔电流传感器厂家都存在的问题[2]。目前做光伏发电智能型汇流箱的厂家多选用浙江霍丰科技有限公司生产的BJHCS-LSP-25型闭环磁平衡霍尔电流传感器做电流测量元件。
 
    本文针对有低温线性精度要求的客户,选用了巨磁实业(上海)有限公司提供的JCB-25A型GMR电流传感器,它与BJHCS-LSP-25型霍尔电流传感器外形尺寸和管脚定义相同,工作电压与输出电压范围也一致,可不用更改电路板直接代换。
 
    JCB-25A型GMR电流传感器的封装不需要灌胶工序,所用磁环也不需绕线,它的最大优点是:在大的温度范围内,线性精度都能满足客户要求[4]。智能型汇流箱中装有汇流监测单元,每个汇流监测单元的电路板上安装有8~16个JCB-25A,实现8~16路电流的测量;同时,该单元还可测2路开关量、1路温度量和1路太阳能板电池电压,并配有1路RS-485通信口,将所测量实时上传给后台电脑进行显示分析和保存[1]。测试中,选用了5个JCB-25A样品装在智能型汇流箱的汇流监测单元上,做了-40~+85℃的工作温度实测,试验设备为高低温箱,实测计算结果见表1,据表1作的非线性偏差曲线如图3所示。
 
    表1JCB-25A样品线性度实测数据   %FS

 
 
 
 
    图3JCB-25A样品实测线性度曲线
 
    通过实测数据可知,样品D在-40℃时的线性度最大,达到全量程的0.251213182%,其它数据都在2%以内;5个样品的实测数据在-40~+85℃全温度范围内,其线性度均能满足0.5%FS的精度要求。
 
    3结束语
 
    GMR电流传感器与霍尔电流传感器相比,在-40~0℃的低温和+55~+85℃的高温环境下都有更优良的线性度,其材料受温度影响小,且其产品生产工艺更简单,可靠性更高,元件封装尺寸与霍尔电流传感器脚对脚兼容,完全可取代霍尔电流传感器用于低温工作环境中。但需要指出的是,目前GMR电流传感器在国内的应用才刚起步,其单价还是高于已大量应用的霍尔电流传感器,在光伏发电产业比较强调产品造价的情况下,要完全取代霍尔电流传感器得到大规模应用还需时日,当前只用于客户对0℃以下低温测量精度有要求而又能承受相对较高成本的场合。
 
    参考文献
 
    [1]陈刚,姬鸿,王勇.太阳能光伏发电系统设计[J].太阳能光伏发电技术专辑,2011,5(2):6~10
 
    [2]鲁光辉.霍尔电流传感器的性能及应用[J].四川文理学院学报(自然科学),2007,17(2):40~42
 
    [3]黄开连,李衡,莫海云,等.巨磁电阻传感器的研究[J].广西民族大学学报(自然科学版),2010,16(3):85~89
 
    [4]宁樑,任欢,李玉莲.巨磁阻抗(GMI)效应在电流传感器领域的研究[J].电测与仪表,2010,47(535):16~20
 
 
  1. 《诚博娱乐》2014年1月刊
    0
地址:重庆市渝北区洪湖西路18号 邮编:401121 诚博娱乐版权所有 Copyright @ 2012渝CIP备 12006835
诚博娱乐