摘要，本頁(yè)為霍爾電流傳感器說(shuō)明書主要介紹電流傳感器中霍爾電流傳感器的工作原理，直放式(開環(huán))電流傳感器(CS系列)跟 磁平衡式(閉環(huán))電流傳感器(CSM系列)的區(qū)別及霍爾傳感器的安裝規(guī)范。

　　一什么是霍爾電流傳感器

　　霍爾電流傳感器包括開環(huán)式和閉環(huán)式兩種，高精度的霍爾電流傳感器大多屬于閉環(huán)式，閉環(huán)式霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理，即閉環(huán)原理，當(dāng)原邊電流IP產(chǎn)生的磁通通過(guò)高品質(zhì)磁芯集中在磁路中，霍爾元件固定在氣隙中檢測(cè)磁通，通過(guò)繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補(bǔ)償電流，用于抵消原邊IP產(chǎn)生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零。經(jīng)過(guò)特殊電路的處理，傳感器的輸出端能夠輸出精確反映原邊電流的電流變化。

　　二、霍爾電流傳感器的工作原理

　　2.1直放式(開環(huán))電流傳感器

　　當(dāng)原邊電流IP流過(guò)一根長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流成正比，產(chǎn)生的磁場(chǎng)聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過(guò)磁環(huán)氣隙中霍爾元件進(jìn)行測(cè)量并放大輸出，其輸出電壓VS精確的反映原邊電流IP。一般的額定輸出標(biāo)定為4V。

　　2.2磁平衡式(閉環(huán))電流傳感器

　　磁平衡式電流傳感器也稱補(bǔ)償式傳感器，即原邊電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)次級(jí)線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電流Is精確的反映原邊電流Ip，從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。

　　具體工作過(guò)程為：當(dāng)主回路有一電流通過(guò)時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。這一電流再通過(guò)多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)的霍爾器件起到指示零磁通的作用，此時(shí)可以通過(guò)Is來(lái)測(cè)試Ip。當(dāng)Ip變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件有信號(hào)輸出，即重復(fù)上述過(guò)程重新達(dá)到平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過(guò)次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1μs，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。因此，從宏觀上看，次級(jí)的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時(shí)間都與初級(jí)被測(cè)電流的安匝數(shù)相等。

　　閉環(huán)式霍爾電流傳感器與開環(huán)式霍爾電流傳感器的主要區(qū)別

　　A、帶寬區(qū)別

　　微觀上講，氣隙處的磁場(chǎng)始終在零磁通附近變化，由于磁場(chǎng)變化幅度非常小，變化幅度小，變化的頻率可以更快，因此，閉環(huán)式霍爾電流傳感器具有很快的響應(yīng)時(shí)間。實(shí)際的閉環(huán)式霍爾電流傳感器帶寬通常可以達(dá)到100kHz以上。而開環(huán)式霍爾電流傳感器的帶寬通常較窄，如：LEM公司的HAZ系列開環(huán)式霍爾電流傳感器的帶寬在3kHz左右。

　　B、精度區(qū)別

　　開環(huán)式霍爾電流傳感器副邊輸出與磁芯氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，而磁芯由高導(dǎo)磁材料制作而成，非線性和磁滯效應(yīng)是所有高導(dǎo)磁材料的固有特點(diǎn)，因此，開環(huán)式霍爾電流傳感器一般線性度角差，且原邊信號(hào)在上升和下降過(guò)程中副邊輸出會(huì)有不同。開環(huán)式霍爾電流傳感器精度通常劣于1%。閉環(huán)式霍爾電流傳感器由于工作在零磁通狀態(tài)，磁芯的非線性及磁滯效應(yīng)不對(duì)輸出造成影響，可以獲得較好的線性度和較高的精度。閉環(huán)式霍爾電流傳感器精度一般可達(dá)0.2%。

　　三、霍爾電流傳感器應(yīng)用

　　近年來(lái)，自動(dòng)化系統(tǒng)中大量使用大功率晶體管、整流器和可控硅，普遍采用交流變頻調(diào)速及脈寬調(diào)制電路，使得電路中不再只是傳統(tǒng)的50周的正弦波，出現(xiàn)了各種不同的波形。對(duì)于這類電路，采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法不能反應(yīng)其真實(shí)波形，而且電流、電壓檢出元件也不適應(yīng)中高頻、高di/dt電流波形的傳感和檢測(cè)。

　　霍爾效應(yīng)傳感器，可以測(cè)量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實(shí)地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)。針對(duì)霍爾效應(yīng)傳感器普遍存在溫度漂移大的缺點(diǎn)，采用補(bǔ)償電路進(jìn)行控制，有效地減少了溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，確保測(cè)量準(zhǔn)確；具有精度高、安裝方便、售價(jià)低的特點(diǎn)。

　　霍爾效應(yīng)傳感器廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、ups電源、通信電源、電焊機(jī)、電力機(jī)車、變電站、數(shù)控機(jī)床、電解電鍍、微機(jī)監(jiān)測(cè)、電網(wǎng)監(jiān)測(cè)等需要隔離檢測(cè)電流電壓的設(shè)施中。

　　四、霍爾電流傳感器測(cè)量

　　霍爾電流傳感器尤其是閉環(huán)式霍爾電流傳感器因其寬頻帶、交直流兩用、不易磁飽和等特點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，霍爾電流傳感器也存在一些不足：

　　1、相比電磁式電流互感器，其二次電流較小，抗干擾能力相對(duì)較弱；

　　2、易受環(huán)境磁場(chǎng)的影響，降低測(cè)量精度；

　　3、一般不提供角差指標(biāo)，用于功率測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)誤差無(wú)法溯源。

　　一般建議，霍爾電流傳感器用于不涉及功率測(cè)量的或?qū)纫蟛桓叩囊钥刂茷槟康牡臏y(cè)量；對(duì)于工頻正弦電路的功率測(cè)量或電能計(jì)量，推薦采用電磁式電流互感器；對(duì)于變頻電量的高精度測(cè)量，尤其是相位相關(guān)的功率測(cè)量

　　五、霍爾電流傳感器安裝規(guī)范

　　為了達(dá)到霍爾電流互感器的測(cè)量精度，安裝規(guī)范一般有如下要求：

　　1、電纜(或其它載流導(dǎo)體)需垂直穿過(guò)孔徑;

　　2、電纜(或其它載流導(dǎo)體)需在孔徑的軸線上;

　　3、電纜(或其它載流導(dǎo)體)最好充滿孔徑;

　　4、霍爾電流傳感器附近，不宜有強(qiáng)磁場(chǎng)。

　　霍爾電流傳感器安裝規(guī)范示意，如圖1所示。

　　六、霍爾電流傳感器安裝規(guī)范分析

　　原邊導(dǎo)體流過(guò)電流時(shí)，在導(dǎo)體周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁通包括穿過(guò)鐵芯(磁芯)的主磁通和不穿過(guò)鐵芯的漏磁通。霍爾元件置于霍爾電流傳感器的鐵芯開口氣隙中，通過(guò)檢測(cè)主磁通的磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)反映導(dǎo)體中的電流。霍爾電流傳感器分為開環(huán)式和閉環(huán)式，（接線圖看上文第二點(diǎn)）

　 主磁通及漏磁通都與載流導(dǎo)體與氣隙及鐵芯的相對(duì)位置有關(guān)，載流導(dǎo)體從霍爾電流傳感器孔徑中穿過(guò)的方式直接影響測(cè)量精度，特別是當(dāng)載流導(dǎo)體與鐵芯的距離及氣隙的距離為同一數(shù)量級(jí)時(shí)，漏磁的影響不可忽略!

　　由于霍爾電流傳感器的鐵芯是開口結(jié)構(gòu)，測(cè)量精度易受周圍外部環(huán)境磁場(chǎng)的影響，如變壓器及流過(guò)大電流的載流體等。并且在三相電測(cè)試中，各相間的霍爾電流傳感器應(yīng)保持一定的距離，避免相互電磁干擾。

　　七、如何規(guī)范安裝才能發(fā)揮霍爾電流傳感器的精度

　　實(shí)際工程應(yīng)用中，全部滿足上述的安裝規(guī)范要求，若采用電纜穿心，幾乎不能做到。因此，最好依據(jù)霍爾電流傳感器孔徑的形狀和尺寸，制作相當(dāng)形狀和尺寸銅排或銅棒，如圖3所示。

　　圖3銅排及銅棒

　　事實(shí)上，為了提高霍爾電流傳感器的實(shí)際測(cè)量精度，并且方便客戶的使用，部分廠家(例如LEM萊姆)的高精度霍爾電流傳感器采用銅排接入方式，如圖4所示。

　　霍爾電流傳感器磁飽和問(wèn)題

　　許多霍爾電流傳感器廠家在其技術(shù)資料的也將無(wú)磁飽和作為霍爾電流傳感器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)來(lái)宣傳。霍爾電流傳感器不會(huì)發(fā)生磁飽和幾乎是霍爾電流傳感器自應(yīng)用以來(lái)就得到廣泛認(rèn)可的主要優(yōu)點(diǎn)之一。

　　事實(shí)是不是這樣呢？

　　事實(shí)上，霍爾電流傳感器包含了非線性的磁芯，就已經(jīng)決定了霍爾電流傳感器在特定情況下，一定會(huì)發(fā)生磁飽和！

　　01開環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問(wèn)題

　　下圖為所有高導(dǎo)磁材料的典型磁化曲線示意圖：

　　圖3霍爾電流傳感器磁芯的磁化曲線

　　圖中，Oa’為起始非線性段，a’a’’為線性段，a’’a為飽和區(qū)。眾所周期，為了獲取較好的測(cè)量結(jié)果，不論是開環(huán)式霍爾電流傳感器，還是電磁式互感器，都會(huì)將磁化曲線中線性度較好的一段作為工作區(qū)間。換言之，只要磁感應(yīng)強(qiáng)度超出線性區(qū)域一定的范圍，就會(huì)發(fā)生磁飽和。

　　與電磁式互感器相比，開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和原因只有一個(gè)，就是原邊電流足夠大。

　　不會(huì)因?yàn)殡娏黝l率低導(dǎo)致磁飽和，是霍爾電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)，也是開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和特點(diǎn)。

　　相比之下，電磁式互感器也有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是二次負(fù)荷足夠小時(shí)，即便過(guò)載較多，也不會(huì)發(fā)生磁飽和。

　　02閉環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問(wèn)題

　　開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問(wèn)題較簡(jiǎn)單，相比之下，閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問(wèn)題似乎不可理解，因?yàn)殚]環(huán)式霍爾電流傳感器正常工作時(shí)，磁芯中的磁通為零，零磁通下，自然不會(huì)飽和。

　　然而，這只能將是在正常工作條件下！

　　事實(shí)上，即便是電磁式電流互感器或開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問(wèn)題都是發(fā)生在過(guò)載，頻率過(guò)低，負(fù)荷過(guò)大等非正常工作條件下，正常工作條件下，都不會(huì)發(fā)生磁飽和！

　　從閉環(huán)式霍爾電流傳感器工作原理可知，零磁通是建立在副邊補(bǔ)償繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以抵消原邊導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的前提下。那么，當(dāng)閉環(huán)式霍爾電流傳感器是不是任何情況下都可以維持這個(gè)零磁通呢？

　　顯然不是！

　　A、傳感器未供電的情況下，副邊補(bǔ)償繞組不產(chǎn)生電流，此時(shí)，閉環(huán)式霍爾電流傳感器相當(dāng)于一個(gè)開環(huán)式霍爾電流傳感器，只要原邊電流夠大，就會(huì)發(fā)生磁飽和。

　　B、正常供電，原邊電流過(guò)大。這是因?yàn)槎窝a(bǔ)償繞組可以產(chǎn)生的電流畢竟是有限度的，當(dāng)原邊電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)大于副邊補(bǔ)償繞組能夠產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)時(shí)，磁平衡被打破，磁芯中有磁場(chǎng)通過(guò)，原邊電流繼續(xù)加大時(shí)，磁芯中磁場(chǎng)也隨著增大，原邊電流足夠大時(shí)，閉環(huán)式霍爾電流傳感器進(jìn)入磁飽和狀態(tài)！

　　與電磁式電流互感器及開環(huán)式霍爾電流傳感器相比，閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和現(xiàn)象不易發(fā)生，但不等于不會(huì)發(fā)生，使用不當(dāng)或長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載，也會(huì)發(fā)生磁飽和。

　　八結(jié)語(yǔ)

　　1、規(guī)范安裝是霍爾電流傳感器達(dá)到標(biāo)稱精度的前提。

　　2、采用與霍爾電流傳感器孔徑尺寸相當(dāng)?shù)你~棒或銅排接入，回避了穿心導(dǎo)體位置及尺寸對(duì)測(cè)量精度的影響，最大程度的保證了測(cè)量精度。

　　3、由生產(chǎn)廠家直接提供銅排接入方式的傳感器，無(wú)需用戶自行定制，極大的方便了客戶使用。