霍爾電流傳感器在直流電流檢測(cè)中的應(yīng)用

安科瑞 時(shí)麗花

【摘要】直流電流是電氣測(cè)量中常見的被測(cè)量，檢測(cè)方法主要有直接式和非直接式。其中直接式是利用分流器，非接觸 式是利用霍爾電流傳感器或直流電流互感器。相比較而言霍爾電流傳感器在精度、線性度等方面具有優(yōu)勢(shì)，所以成為直 流電流檢測(cè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。文章針對(duì)霍爾傳感器在直流電流檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

引言

隨著光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等技術(shù)的發(fā)展，直流電的應(yīng)用范圍變得日益廣泛。相應(yīng)的直流電流也就成為一個(gè)重要的檢測(cè)量。霍爾電流傳感器在綜合了分流器和直流電流互感器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也有效避免了兩者存在的缺陷，是一種先進(jìn)的、能隔離主電路回路和電子控制電路的電測(cè)量元件，且具有精度高、線性好、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。文章簡(jiǎn)單介紹了霍爾電流傳感器的工作原理及種類，重點(diǎn)探討了其在直流電流檢測(cè)中的應(yīng)用。

一、霍爾電流傳感器的分類及工作原理

1.霍爾效應(yīng)

霍爾電流傳感器是霍爾傳感器的一種，是基于霍爾效應(yīng)制造的一種磁場(chǎng)傳感器。圖1為霍爾效應(yīng)的原理圖。

圖1中UH為霍爾電勢(shì)

UH=(RH/d)IHB

式中，RH為霍爾系數(shù)，由元件材料的性質(zhì)決定，通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)可獲得;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;d為材料厚度。

2.霍爾電流傳感器的種類及工作原理

霍爾傳感器的測(cè)量屬于間接測(cè)量，可對(duì)各種類型的電流進(jìn)行測(cè)量，從直流到幾十千赫茲的交流。根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為開環(huán)式和閉環(huán)式兩種。

(1)開環(huán)式霍爾電流傳感器

圖2 開環(huán)式霍爾電流傳感器

通過對(duì)圖2分析，可以了解到開環(huán)式霍爾電流傳感器主要是由磁芯、霍爾元件和放大電路三部分構(gòu)成。其中在磁芯上有一個(gè)開口氣隙，霍爾元件置于氣隙處。當(dāng)有電流IP流過原邊導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流大小成正比的磁場(chǎng)，磁力線被磁芯聚集在氣隙處，霍爾元件輸出與氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的電壓信號(hào)，再由放大電路將該信號(hào)進(jìn)行放大并輸出。這一類傳感器一般情況下可輸出±10V左右的電壓信號(hào)。為了增強(qiáng)傳感器的電磁兼容性，傳感器也可將 電壓信號(hào)變換為電流信號(hào)輸出。

(2)閉環(huán)式霍爾電流傳感器

如圖3所示，閉環(huán)式霍爾電流傳感器主要是由磁芯、霍爾元件、放大電路和副邊補(bǔ)償繞組四部分組成。在工作過程中，放大電路接收到霍爾元件的輸出并放大為電流信號(hào)提供給副邊補(bǔ)償繞組，副邊補(bǔ)償繞組會(huì)在磁芯中產(chǎn)生一個(gè)與原邊電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在氣隙處大小相等，方向相反的磁場(chǎng)，將原有磁場(chǎng)抵消，構(gòu)成負(fù)反饋閉環(huán)控制電路。

圖3 閉環(huán)式霍爾電流傳感器

若在檢測(cè)過程中如果副邊電流太小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)無法抵消原邊磁場(chǎng)，則放大電路會(huì)根據(jù)情況輸出更大的電流;反之，放大電路會(huì)根據(jù)情況降低輸出電流，實(shí)現(xiàn)氣隙處磁場(chǎng)的平衡。當(dāng)原邊電流發(fā)生變化時(shí)，會(huì)破壞氣隙處磁場(chǎng)的平衡，相應(yīng)地負(fù)反饋閉環(huán)控制電路會(huì)及時(shí)對(duì)副邊輸出電路機(jī)械能調(diào)節(jié)，使磁場(chǎng)快速恢復(fù)平衡。從理論上講，磁芯的氣隙處在檢測(cè)過程中將始終保持零磁通狀態(tài)，這就是零磁通互感器及磁平衡霍爾電流傳感器名稱的來由。

3.開環(huán)式和閉環(huán)式的區(qū)別

兩者的區(qū)別主要是體現(xiàn)在檢測(cè)帶寬和檢測(cè)精度， 閉環(huán)式的檢測(cè)帶寬可達(dá)到100kHz，而開環(huán)式只能夠達(dá)到3kHz;開環(huán)式的檢測(cè)精度通常劣于1%，而閉環(huán)式的檢測(cè)精度可達(dá)到0.2%。

二、霍爾傳感器在直流電流檢測(cè)中的應(yīng)用

通過前面關(guān)于開環(huán)式和閉環(huán)式兩種傳感器帶寬和精度的比較，可以清晰地認(rèn)識(shí)到閉環(huán)式傳感器在直流電流檢測(cè)中具有更為廣闊的應(yīng)用前景。下面以CSC5G型閉環(huán)式霍爾傳感器為例分析其在直流電流檢測(cè)過程中的應(yīng)用。這一類型的傳感器能夠?qū)?00/1000/2000/3000/4000/6000A多個(gè)等級(jí)的電流進(jìn)行測(cè)量。具體性能參數(shù)為：線性范圍在1.5倍的額定電流;精度及線性度在±1%;失調(diào)電壓<±20mV;磁滯誤差<±10mV;反應(yīng)時(shí)間<10μs(di/dt=50A/μs)等。

1.應(yīng)用過程中需要注意的問題

(1)電流傳感器的穿心導(dǎo)體能夠充滿孔徑，根據(jù)傳感器孔徑不同可合理選擇銅排或銅棒等。

(2)在傳感器的安裝位置附近沒有強(qiáng)磁場(chǎng)，諸如變壓器、大電流導(dǎo)體等。

(3)在電磁干擾較大的環(huán)境中應(yīng)盡量選擇二次輸出為電流信號(hào)的傳感器，且電流信號(hào)盡可能大。

(4)注意與準(zhǔn)確度有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，如零點(diǎn)輸出誤差、基本誤差、線性度誤差、回差、重復(fù)性誤差等。

(5)注意運(yùn)行環(huán)境溫度變化。由于霍爾元件是用半導(dǎo)體材料制成，溫度變化會(huì)影響霍爾元件內(nèi)阻變化， 所以在傳感器設(shè)計(jì)時(shí)要針對(duì)性的設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。

2.提高檢測(cè)精度的方法

在實(shí)際應(yīng)用過程中除了安裝接線、即時(shí)標(biāo)定校準(zhǔn)、注意傳感器的工作環(huán)境外，通過下面幾個(gè)方法還可以進(jìn)一步提高檢測(cè)精度：

(1)原邊導(dǎo)線應(yīng)放置于傳感器內(nèi)孔中心，盡可能不要放偏;

(2)原邊導(dǎo)線盡可能完全放滿傳感器內(nèi)孔，不要留有空隙;

(3)需要測(cè)量的電流應(yīng)接近于傳感器的標(biāo)準(zhǔn)額定值IPN，不要相差太大。

3.未來發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)閉環(huán)式霍爾電流傳感器應(yīng)用過程中的不足情況，研究人員進(jìn)行了針對(duì)性改進(jìn)研究，相關(guān)成果有集磁極霍爾傳感器、智能閉環(huán)霍爾傳感器等。其中集磁極霍爾傳感器是在芯片表面附著一個(gè)由高磁導(dǎo)率和低矯頑磁場(chǎng)的鐵磁體制成的鐵磁層，以此來提高其性能;智能閉環(huán)霍爾電流傳感器則是通過利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)，對(duì)傳感器所處環(huán)境的環(huán)境溫度及電流傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采集并上傳至后臺(tái)機(jī)，由后臺(tái)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)修正，輸出更為精確的檢測(cè)信號(hào)。

三、安科瑞霍爾型傳感器的選型

1.概述

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集，廣泛應(yīng)用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)采集和反饋控制，具有響應(yīng)時(shí)間快，電流測(cè)量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)，線性好，抗ganrao能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.應(yīng)用場(chǎng)所

霍爾電流傳感器控制從可再生能源系統(tǒng)發(fā)送到電網(wǎng)的能量的流量和波形。他們測(cè)量電流以幫助風(fēng)車，太陽能，光伏或其他類型的裝置以較大效率工作。

3.可再生能源的典型應(yīng)用：

太陽能

風(fēng)電

水電

燃料電池

地?zé)岚l(fā)電

潮汐能

4.安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型說明

5.安科瑞霍爾傳感器應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

四、結(jié)束語

霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)小巧、檢測(cè)精度高、相關(guān)的電氣回路簡(jiǎn)單，對(duì)于推動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的微型化、集成化有著積極的作用。但是在實(shí)際的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)存在易受干擾、對(duì)工作環(huán)境和電氣環(huán)境要求較高等問題，需要在相關(guān)方便深入研究，進(jìn)一步提高其應(yīng)用性能。

審核編輯：湯梓紅