霍爾電流傳感器在直流電流檢測中的應用

安科瑞 時麗花

【摘要】直流電流是電氣測量中常見的被測量，檢測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勢，所以成為直 流電流檢測領域的研究重點。文章針對霍爾傳感器在直流電流檢測中的應用進行分析。

引言

隨著光伏發電、風力發電等技術的發展，直流電的應用范圍變得日益廣泛。相應的直流電流也就成為一個重要的檢測量?；魻栯娏鱾鞲衅髟诰C合了分流器和直流電流互感器優點的同時，也有效避免了兩者存在的缺陷，是一種先進的、能隔離主電路回路和電子控制電路的電測量元件，且具有精度高、線性好、響應快的優點。文章簡單介紹了霍爾電流傳感器的工作原理及種類，重點探討了其在直流電流檢測中的應用。

一、霍爾電流傳感器的分類及工作原理

1.霍爾效應

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

圖1中UH為霍爾電勢

UH=(RH/d)IHB

式中，RH為霍爾系數，由元件材料的性質決定，通過霍爾效應實驗可獲得;B為磁感應強度;d為材料厚度。

2.霍爾電流傳感器的種類及工作原理

霍爾傳感器的測量屬于間接測量，可對各種類型的電流進行測量，從直流到幾十千赫茲的交流。根據其結構可分為開環式和閉環式兩種。

(1)開環式霍爾電流傳感器

圖2 開環式霍爾電流傳感器

通過對圖2分析，可以了解到開環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成。其中在磁芯上有一個開口氣隙，霍爾元件置于氣隙處。當有電流IP流過原邊導體時，會在導體周圍產生磁場強度與電流大小成正比的磁場，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強度成正比的電壓信號，再由放大電路將該信號進行放大并輸出。這一類傳感器一般情況下可輸出±10V左右的電壓信號。為了增強傳感器的電磁兼容性，傳感器也可將 電壓信號變換為電流信號輸出。

(2)閉環式霍爾電流傳感器

如圖3所示，閉環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提供給副邊補償繞組，副邊補償繞組會在磁芯中產生一個與原邊電流產生的磁場在氣隙處大小相等，方向相反的磁場，將原有磁場抵消，構成負反饋閉環控制電路。

圖3 閉環式霍爾電流傳感器

若在檢測過程中如果副邊電流太小，產生的磁場無法抵消原邊磁場，則放大電路會根據情況輸出更大的電流;反之，放大電路會根據情況降低輸出電流，實現氣隙處磁場的平衡。當原邊電流發生變化時，會破壞氣隙處磁場的平衡，相應地負反饋閉環控制電路會及時對副邊輸出電路機械能調節，使磁場快速恢復平衡。從理論上講，磁芯的氣隙處在檢測過程中將始終保持零磁通狀態，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.開環式和閉環式的區別

兩者的區別主要是體現在檢測帶寬和檢測精度， 閉環式的檢測帶寬可達到100kHz，而開環式只能夠達到3kHz;開環式的檢測精度通常劣于1%，而閉環式的檢測精度可達到0.2%。

二、霍爾傳感器在直流電流檢測中的應用

通過前面關于開環式和閉環式兩種傳感器帶寬和精度的比較，可以清晰地認識到閉環式傳感器在直流電流檢測中具有更為廣闊的應用前景。下面以CSC5G型閉環式霍爾傳感器為例分析其在直流電流檢測過程中的應用。這一類型的傳感器能夠對800/1000/2000/3000/4000/6000A多個等級的電流進行測量。具體性能參數為：線性范圍在1.5倍的額定電流;精度及線性度在±1%;失調電壓<±20mV;磁滯誤差<±10mV;反應時間<10μs(di/dt=50A/μs)等。

1.應用過程中需要注意的問題

(1)電流傳感器的穿心導體能夠充滿孔徑，根據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磁場，諸如變壓器、大電流導體等。

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

(4)注意與準確度有關的技術指標，如零點輸出誤差、基本誤差、線性度誤差、回差、重復性誤差等。

(5)注意運行環境溫度變化。由于霍爾元件是用半導體材料制成，溫度變化會影響霍爾元件內阻變化， 所以在傳感器設計時要針對性的設計溫度補償電路。

2.提高檢測精度的方法

在實際應用過程中除了安裝接線、即時標定校準、注意傳感器的工作環境外，通過下面幾個方法還可以進一步提高檢測精度：

(1)原邊導線應放置于傳感器內孔中心，盡可能不要放偏;

(2)原邊導線盡可能完全放滿傳感器內孔，不要留有空隙;

(3)需要測量的電流應接近于傳感器的標準額定值IPN，不要相差太大。

3.未來發展趨勢

針對閉環式霍爾電流傳感器應用過程中的不足情況，研究人員進行了針對性改進研究，相關成果有集磁極霍爾傳感器、智能閉環霍爾傳感器等。其中集磁極霍爾傳感器是在芯片表面附著一個由高磁導率和低矯頑磁場的鐵磁體制成的鐵磁層，以此來提高其性能;智能閉環霍爾電流傳感器則是通過利用先進的數據采集、分析系統，對傳感器所處環境的環境溫度及電流傳感器的輸出信號進行采集并上傳至后臺機，由后臺機進行自動修正，輸出更為精確的檢測信號。

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、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集，廣泛應用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制，具有響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗ganrao能力強等優點。

2.應用場所

霍爾電流傳感器控制從可再生能源系統發送到電網的能量的流量和波形。他們測量電流以幫助風車，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用：

太陽能

風電

水電

燃料電池

地熱發電

潮汐能

4.安科瑞霍爾傳感器產品選型說明

5.安科瑞霍爾傳感器應用場景示意圖

四、結束語

霍爾電流傳感器的結構小巧、檢測精度高、相關的電氣回路簡單，對于推動檢測系統的微型化、集成化有著積極的作用。但是在實際的應用過程中發現存在易受干擾、對工作環境和電氣環境要求較高等問題，需要在相關方便深入研究，進一步提高其應用性能。

審核編輯：湯梓紅