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LEM Sensors Applied in Active Power Filter (APF)
李建林 高志刚
(中国科学院电工研究所)
摘要：本文在阐述传感器重要作用的基础上，介绍了LEM公司基于霍尔效应的电流传感器，并给出了在实际科研工作中在有源电力滤波器(APF)中应用LEM公司LA 58-P电流传感器的实例，试验结果表明，补偿后的电网电流正弦度高、基本达到单位功率因数。LEM公司LA 58-P电流传感器工作可靠稳定，精确度高，是一款值得信赖的电流传感器。
关键词：电流传感器；有源电力滤波器；LEM公司；LA 58-P
中图分类号： TM930 文献标识码：A
一、前言
中华人民共和国国家标准GB7665-1987对传感器(transducer/sensor)的定义是：能感受规定的被测量并按照一定元件转化成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件(sensing element)和转换元件(transduction element)组成。
当前人类社会已经跨入信息时代，人类的生产生活和科技活动都离不开测量，测量从本质上来说是人类感观的一种延伸，而传感器的作用就是测量，传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一，其水平高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。可以想象，如果没有传感器对原始参数进行准确可靠在线实时的测量，那么无论后续的数据分析和处理有多么强大，都是没有意义的。图1形象的表明了传感器技术无可替代的重要作用。  图1 传感器的地位示意图
在与电气工程相关的科研活动中，不可避免的要对电流信号进行测量或感知。LEM公司的电流传感器可以测量各种类型的电流，其主要工作原理是基于电磁效应－霍尔效应。霍尔效应的原理如图2所示，当电流I流过金属或半导体薄片，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场是，在垂直于电流和磁场的方向上(即霍尔输出端之间)将会产生电动势UH(称为霍尔电势或霍尔电压)，且有
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其中,  为霍尔常数  ； 为待测电流(A)； B为磁感应强度(T)； d为霍尔元件厚度(m)；  称为霍尔元件的灵敏度  。 由式1可知，霍尔电势的大小正比于电流I和磁感应强度B，KH是表征在单位磁感应强度和单位电流时输出霍尔电压大小的一个重要参数，一般希望它越大越好。霍尔元件的灵敏度与元件材料的性质和几何参数有关。由于半导体(尤其是N型半导体)的霍尔常数要比金属大得多，所以实际中常采用N型半导体，此外元件厚度d越小，灵敏度也越高[1]。
二、电网问题及有源电力滤波器的提出
高次谐波对电网和用电设备造成的危害日趋严重，世界各国都对谐波问题十分关心和重视，不少国家己制定了电力系统和用电设备谐波和波形畸变的国家标准或电力部门的规定。此外，还有无功功率和负序电流等问题也严重危害电网和用电设备的安全。无功功率的存在会增加设备容量，增加设备及线路损耗，以及引起电网电压的波动，使一些用电设备无法正常工作，降低供电质量。负序电流会引起旋转电机和变压器的附加发热和振动，危及其安全运行和正常出力，引起以负序分量为起动元件的继电保护发生误动作，增加电网损耗，对通信系统产生干扰，影响正常通信质量[6]。
不论是谐波、无功还是负序电流，从物理本质上看，都可以归结为波形的问题。谐波是工频正弦波畸变，无功是电压、电流波形相位不同，负序电流是三相电流波形不对称。正是由于这种物理本质的统一性，可以对电力系统中的谐波、无功和负序电流进行综合补偿[7]。
有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电路电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波和无功分量进行实时的补偿 [23]。作为柔性交流输电系统（FACTS）中的元件，APF的研究受到了各国学者的高度重视。APF以其优异的运行特性和广阔的应用前景使世界各国学者的研究兴趣方兴未艾。在不远的将来，APF会成为电力系统谐波治理的主流。按APF在系统中的连接方式可将其分为图2所示的串联型、并联型、与LC滤波器混合使用型以及串并混合使用型等几种基本拓扑结构，具体工作原理见文献 [2][3]。  图2 APF基本拓扑结构图 三、APF中LEM公司电流传感器的应用 APF系统的流程图如图3所示，电网在拖动非线性负载后电流中谐波含量会增大，依据“补偿为标准正弦波”的指导思想可以求得需要输出的补偿电流，DSP根据该参考信号发出适当的脉冲驱动逆变起工作，最终起到补偿电网电流的作用。
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