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因只有一个，就是原边电流足够大。

　　不会因为电流频率低导致磁饱和，是霍尔电流传感器的优点，也是开环式霍尔电流传感器磁饱和特点。

　　相比之下，电磁式互感器也有一个优点，就是二次负荷足够小时，即便过载较多，也不会发生磁饱和。

02闭环式霍尔电流传感器的磁饱和问题

　　开环式霍尔电流传感器磁饱和问题较简单，相比之下，闭环式霍尔电流传感器磁饱和问题似乎不可理解，因为闭环式霍尔电流传感器正常工作时，磁芯中的磁通为零，零磁通下，自然不会饱和。

　　然而，这只能将是在正常工作条件下！

　　事实上，即便是电磁式电流互感器或开环式霍尔电流传感器磁饱和问题都是发生在过载，频率过低，负荷过大等非正常工作条件下，正常工作条件下，都不会发生磁饱和！

　　从闭环式霍尔电流传感器工作原理可知，零磁通是建立在副边补偿绕组产生的磁场可以抵消原边导体产生的磁场的前提下。那么，当闭环式霍尔电流传感器是不是任何情况下都可以维持这个零磁通呢？

　　显然不是！

　　A、传感器未供电的情况下，副边补偿绕组不产生电流，此时，闭环式霍尔电流传感器相当于一个开环式霍尔电流传感器，只要原边电流够大，就会发生磁饱和。

　　B、正常供电，原边电流过大。这是因为二次补偿绕组可以产生的电流毕竟是有限度的，当原边电流产生的磁场大于副边补偿绕组能够产生的大磁场时，磁平衡被打破，磁芯中有磁场通过，原边电流继续加大时，磁芯中磁场也随着增大，原边电流足够大时，闭环式霍尔电流传感器进入磁饱和状态！

　　与电磁式电流互感器及开环式霍尔电流传感器相比，闭环式霍尔电流传感器磁饱和现象不易发生，但不等于不会发生，使用不当或长时间过载，也会发生磁饱和。