开环式及闭环式霍尔电流传感器工作原理及磁饱和问题

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1、开环式及闭环式霍尔电流传感器工作原理及磁饱和问题一回顾电磁式电流互感器磁饱和问题01磁饱和现象　　所谓磁饱和是指电磁式电流互感器铁芯中磁通密度大于饱和磁通密度之后，磁通密度不再因一次电流的增大而增大。02磁饱和原因　　磁通密度为交变量，未发生磁饱和时，互感器铁芯磁通密度的最大值为：Bm=E2/(4.44*f*N2*S)　　式中，E2为二次绕组感应电动势，约等于二次绕组输出电压。N2为二次绕组匝数，S为铁芯截面积。对于固定的互感器而言，N2和S为恒定值。　　因此，铁芯磁通密度正比于二次电压，反比于电流

2、频率。　　二次电压由二次电流和二次负荷共同决定，可见，电磁式电流互感器的磁饱和原因有：　　A、一次电流过大，大于额定电流；　　B、二次负荷过大，大于额定二次负荷；　　C、电流频率过低，低于额定频率。03磁饱和危害　　电流互感器发生磁饱和后，一次电流与二次电流不再成比例关系，电流互感器不能起到正常的测量或保护作用，引发安全事故。此外，磁饱和状态下，铁芯中磁通密度大，涡流损耗和磁滞损耗大，铁芯发热，容易损坏互感器。二霍尔电流传感器工作原理　　霍尔电流传感器依据工作原理不同分为开环式霍尔电流传感器和闭环式

3、霍尔电流传感器。01开环式霍尔电流传感器工作原理　　开环式霍尔电流传感器也称：直放式霍尔电流传感器、直检式霍尔电流传感器等。　　如图1，开环式霍尔电流传感器由磁芯、霍尔元件和放大电路构成。磁芯有一开口气隙，霍尔元件放置于气隙处。当原边导体流过电流时，在导体周围产生磁场强度与电流大小成正比的磁场，磁芯将磁力线集聚至气隙处，霍尔元件输出与气隙处磁感应强度成正比的电压信号，放大电路将该信号放大输出，该类传感器通常输出±10V左右的电压信号，也有部分传感器为了增强电磁兼容性，变换为电流信号输出。图1开环式霍

4、尔电流传感器工作原理02闭环式霍尔电流传感器工作原理　　闭环式霍尔电流传感器也称：零磁通霍尔电流传感器、零磁通互感器、磁平衡式霍尔电流传感器等。　　如图2，闭环式霍尔电流传感器包括磁芯、霍尔元件、放大电路和副边补偿绕组。与开环式霍尔电流传感器相比，闭环式霍尔电流传感器多了副边补偿绕组，正是副边补偿绕组，将闭环式霍尔电流传感器的性能进行了大幅度提升。图2闭环式霍尔电流传感器工作原理　　放大电路接受霍尔元件的输出，并放大为电流信号提供给副边补偿绕组，副边补偿绕组在磁芯中产生的磁场与原边电流产生的磁场在气

5、隙处大小相等，方向相反，抵消原边磁场，形成负反馈闭环控制电路。　　若副边电流过小，产生的磁场不足以抵消原边磁场，放大电路将输出更大的电流，反之，放大电路输出电流减小，从而维持气隙处的磁场平衡。　　若原边电流发生变化，气隙处磁场平衡被破坏，负反馈闭环控制电路同样会调节副边输出电路，使磁场重新达到平衡。　　宏观上讲，气隙处将一直维持零磁通，保持磁平衡，这也是零磁通互感器及磁平衡霍尔电流传感器名称的来由。03闭环式霍尔电流传感器与开环式霍尔电流传感器的主要区别　　A、带宽区别　　微观上讲，气隙处的磁场始终

6、在零磁通附近变化，由于磁场变化幅度非常小，变化幅度小，变化的频率可以更快，因此，闭环式霍尔电流传感器具有很快的响应时间。实际的闭环式霍尔电流传感器带宽通常可以达到100kHz以上。而开环式霍尔电流传感器的带宽通常较窄，如：LEM公司的HAZ系列开环式霍尔电流传感器的带宽在3kHz左右。　　B、精度区别　　开环式霍尔电流传感器副边输出与磁芯气隙处的磁感应强度成正比，而磁芯由高导磁材料制作而成，非线性和磁滞效应是所有高导磁材料的固有特点，因此，开环式霍尔电流传感器一般线性度角差，且原边信号在上升和下降过

7、程中副边输出会有不同。开环式霍尔电流传感器精度通常劣于1%。闭环式霍尔电流传感器由于工作在零磁通状态，磁芯的非线性及磁滞效应不对输出造成影响，可以获得较好的线性度和较高的精度。闭环式霍尔电流传感器精度一般可达0.2%。三霍尔电流传感器磁饱和问题　　许多霍尔电流传感器厂家在其技术资料的也将无磁饱和作为霍尔电流传感器的一个重要优点来宣传。霍尔电流传感器不会发生磁饱和几乎是霍尔电流传感器自应用以来就得到广泛认可的主要优点之一。　　事实是不是这样呢？　　事实上，霍尔电流传感器包含了非线性的磁芯，就已经决定了

8、霍尔电流传感器在特定情况下，一定会发生磁饱和！01开环式霍尔电流传感器的磁饱和问题　　下图为所有高导磁材料的典型磁化曲线示意图： 图3霍尔电流传感器磁芯的磁化曲线　　图中，Oa’为起始非线性段，a’a’’为线性段，a’’a为饱和区。众所周期，为了获取较好的测量结果，不论是开环式霍尔电流传感器，还是电磁式互感器，都会将磁化曲线中线性度较好的一段作为工作区间。换言之，只要磁感应强度超出线性区域一定的范围，就会发生磁饱和。　　与电磁式互感器相比，开环式霍尔电流传感器磁饱和原