一零磁通霍爾電流傳感器與零磁通電流互感器原理簡(jiǎn)介

1零磁通霍爾電流傳感器原理

　　霍爾效應(yīng)在1879年被E.H. 霍爾發(fā)現(xiàn)，它定義了磁場(chǎng)和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系，這種效應(yīng)和傳統(tǒng)的感應(yīng)效果完全不同。當(dāng)電流通過一個(gè)位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個(gè)垂直于電子運(yùn)動(dòng)方向上的的作用力，從而在導(dǎo)體或半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差，這個(gè)電壓差，稱為霍爾電勢(shì)。

　　普通代替產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)非常微弱，不易測(cè)量，因此，直到出現(xiàn)利用半導(dǎo)體材料制作的霍爾元件后，霍爾效應(yīng)才得以廣泛的應(yīng)用。

　　早期的霍爾電流傳感器是利用霍爾效應(yīng)將一次電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)變換為霍爾電勢(shì)，再利用放大電路將霍爾電勢(shì)放大輸出的電流傳感器。上述原理制作而成的霍爾電流傳感器，被稱為開環(huán)式霍爾電流傳感器。

　　后來為了提高傳感器性能，又稍作了改造，就是利用一個(gè)補(bǔ)償繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過閉環(huán)控制，使其與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小相等，方向相反，達(dá)到互相抵消的效果，此時(shí)，補(bǔ)償繞組中的電流正比與被測(cè)電流的大小，這種傳感器，被稱為閉環(huán)式或磁平衡式霍爾電流傳感器，由于一次繞組與二次繞組產(chǎn)生的磁通互相抵消，宏觀上看，霍爾電流傳感器的鐵心中的磁通為零，因此，閉環(huán)式霍爾電流傳感器也稱零磁通霍爾電流傳感器。

　　圖1為零磁通霍爾電流傳感器的構(gòu)成原理，零磁通霍爾電流傳感器由磁芯，霍爾元件，補(bǔ)償繞組，誤差放大電路等構(gòu)成。

圖1 零磁通霍爾電流傳感器的構(gòu)成及原理

　　在零磁通霍爾電流傳感器中，霍爾元件輸出與誤差放大電路相連，當(dāng)傳感器處于理想平衡狀態(tài)時(shí)，霍爾元件處磁通為零，霍爾元件輸出霍爾電勢(shì)為零?？梢?，霍爾元件實(shí)際上是用于檢測(cè)零磁通，或者說，是用于檢測(cè)是否有磁通。

　　由于磁芯的非線性，開環(huán)式霍爾電流傳感器的輸出線性度較差。而在零磁通霍爾電流傳感器中，霍爾元件輸出的霍爾電勢(shì)與磁芯中的磁通是否成線性關(guān)系，磁芯中的磁通與一次電流是否成線性關(guān)系幾乎與二次輸出無(wú)關(guān)，對(duì)測(cè)量精度幾乎沒有影響，這是零磁通霍爾電流傳感器的相對(duì)于開環(huán)式霍爾電流傳感器的最大優(yōu)勢(shì)！

2零磁通電流互感器原理

　　電流互感器基于電磁感應(yīng)原理，因此，鐵芯中的必須有磁通是電流互感器工作的先決條件?？墒?，為了在鐵芯中建立磁通，就需要?jiǎng)?lì)磁電流，勵(lì)磁電流是互感器誤差的主要來源。零磁通電流互感器的目的，就是消除勵(lì)磁電流對(duì)互感器測(cè)量精度的影響。

　　必須要有勵(lì)磁電流，又要消除勵(lì)磁電流對(duì)測(cè)量精度的影響，最直接的辦法就是采用一個(gè)補(bǔ)償繞組，專門用于提供勵(lì)磁電流，這樣，測(cè)量繞組就不會(huì)受到勵(lì)磁電流的影響。如圖2所示，零磁通電流互感器包括兩個(gè)鐵芯，四個(gè)繞組。四個(gè)繞組分別為一次繞組N_P、二次補(bǔ)償繞組N_C、二次測(cè)量繞組N_S、檢測(cè)繞組N_D。兩個(gè)鐵芯分別為Core1和Core2。

圖2 零磁通電流互感器的構(gòu)成及原理

　　一次繞組N_P和二次測(cè)量繞組N_S同時(shí)繞在Core1和Core2上，補(bǔ)償繞組N_C繞在Core1上，檢測(cè)繞組N_D繞在Core2上。

　　檢測(cè)繞組N_D連接高阻抗電壓表，繞組電流可以忽略。

　　補(bǔ)償繞組N_C連接一個(gè)與被測(cè)一次電流頻率相同的可控交流電壓源。互感器工作時(shí)，一次繞組N_P及二次測(cè)量繞組N_S在Core1和Core2中均產(chǎn)生磁通，補(bǔ)償繞組N_C只在Core1中產(chǎn)生磁通。檢測(cè)繞組N_D只與Core2磁通鉸鏈，并且自身負(fù)載阻抗很大，電流可忽略不計(jì)，不產(chǎn)生磁通。調(diào)節(jié)補(bǔ)償繞組N_C的電壓源，當(dāng)檢測(cè)繞組N_D的電壓表讀數(shù)等于零時(shí)，鐵芯Core2中磁通為零。

　　由于一次繞組N_P和二次測(cè)量繞組N_S均與鐵芯Core2鉸鏈，此時(shí)，對(duì)于鐵芯Core2而言，一次繞組N_P和二次測(cè)量繞組N_S的在Core2中產(chǎn)生的磁通相同，即一次繞組N_P和二次測(cè)量繞組N_S安匝數(shù)相等：N_P×I_P=N_S×I_S。在一次繞組N_P和二次測(cè)量繞組N_S上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的磁通完全由二次補(bǔ)償繞組N_C提供，即：N_C繞組提供勵(lì)磁電流和勵(lì)磁磁場(chǎng)。

　　零磁通電流互感器的理論誤差等于零，不存在比差和角差。之所以稱為零磁通電流互感器，就是因?yàn)殍F芯Core2中的磁通為零，一次繞組N_P和二次測(cè)量繞組N_S的磁通在鐵芯Core2中達(dá)到了平衡，因此，也可以稱為磁平衡式電流互感器。

二零磁通霍爾電流傳感器與零磁通電流互感器相同點(diǎn)

1、零磁通霍爾電流傳感器與零磁通電流互感器都包含有用于積聚磁通的磁芯；

2、零磁通霍爾電流傳感器與零磁通電流互感器都是通過磁平衡原理達(dá)到零磁通的過程；

3、零磁通霍爾電流傳感器與零磁通電流互感器都有用于檢測(cè)零磁通的元件；

4、零磁通霍爾電流傳感器與零磁通電流互感器的目的都是改善傳感器性能指標(biāo)。

三零磁通霍爾電流傳感器與零磁通電流互感器的區(qū)別

1磁芯的區(qū)別

　　零磁通霍爾電流傳感器的磁芯理論上可以采用與互感器相同的鐵芯，但是，更多時(shí)候采用磁導(dǎo)率更高、工作頻帶更寬、不易飽和的其它材料（如非晶）；而零磁通電流互感器的鐵芯通常與普通互感器的鐵芯相同。

　　零磁通霍爾電流傳感器的磁芯磁通接近零，磁通幅度非常小，允許工作在很高的頻率下。而零磁通電流互感器的鐵芯core1不是工作在零磁通下，磁通變化幅度大，受鐵芯磁滯效應(yīng)等的影響，允許工作的頻率較低。

　　上述區(qū)別決定了零磁通霍爾電流傳感器的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于零磁通電流互感器。

　　零磁通霍爾電流傳感器的磁芯為開口結(jié)構(gòu)，開口處安裝霍爾元件；而零磁通電流互感器的所有鐵芯均為閉環(huán)鐵芯。這一區(qū)別決定了零磁通霍爾電流傳感器測(cè)量精度較容易受外部磁場(chǎng)的影響，而零磁通電流互感器測(cè)量精度受外磁場(chǎng)的影響甚微。

　　零磁通霍爾電流傳感器只有一個(gè)磁芯，而零磁通電流互感器具有兩個(gè)鐵芯。

2零磁通檢測(cè)原理不同

　　零磁通霍爾電流傳感器通過霍爾元件檢測(cè)零磁通，而零磁通電流互感器通過輔助繞組檢測(cè)零磁通。

　　零磁通霍爾電流傳感器的二次電流由控制電路產(chǎn)生，產(chǎn)生的二次電流磁通與一次電流磁通抵消達(dá)到零磁通。

　　零磁通電流互感器基于電磁感應(yīng)原理，非零的磁通是互感器工作的前提，非零磁通為勵(lì)磁磁通，建立在鐵芯core1中，由補(bǔ)償繞組NC提供。通過電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生二次電流的是另一個(gè)鐵芯core2，在這個(gè)core2中，一次電流與二次電流磁通互相抵消，達(dá)到磁平衡時(shí)，磁通為零。

3建立磁平衡及零磁通的目的不同

　　零磁通霍爾電流傳感器建立零磁通狀態(tài)的目的是減小鐵芯非線性及帶寬較窄的影響；而零磁通電流互感器建立零磁通狀態(tài)的目的是減小勵(lì)磁電流對(duì)測(cè)量精度（互感器比差和角差）的影響。

四零磁通霍爾電流傳感器與零磁通電流互感器的應(yīng)用

　　零磁通霍爾電流傳感器具有較高的帶寬和良好的線性度，適合測(cè)量各種頻率及各種波形的復(fù)雜電量——變頻電量。

　　零磁通電流互感器具有極小的角差，適合大型電力變壓器的空載及短路試驗(yàn)等低功率因數(shù)工況的高精度功率測(cè)量。

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