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新型零磁通电流传感器与霍尔电流传感器的区别

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  • 发布时间:2018/2/3 20:05:40
  • 作者:clx_yinhe

  目前市场上测量电流的元件有很多种,但能隔离测量的主要有霍尔电流传感器,它是目前市场上的主流电流测量元件。2017年湖南银河电气推出了更先进的新型零磁通电流传感器,它是霍尔电流传感的理想升级换代产品。它们的主要性能的区别见表1。下面我们一起来了解一下霍尔电流传感器新型零磁通电流传感器的工作原理。

项目 新型零磁通式 磁平衡式霍尔 直接放大式霍尔
原理 磁调制磁电转换、 等匝比电流变换 霍尔元件磁电转换、 等匝比电流变换 霍尔元件磁电转换
量程 极宽,uA~kA级 A~kA级 A~kA级
精度 极高,最高1ppm 一般,最高0.2% 较差,最高1%
零点失调 极小,uA级 较大,mA级 较大,mA级
温漂系数 好,<1ppm/K 差,100ppm/K 差,0.1%/K
线性度 非常好,<10ppm 较好,<0.1% 差,0.5%
长期稳定性 非常好 较好
母线位置影响 较大 较大
带宽 500kHz 150kHz 100kHz

  表1 霍尔电流传感器和磁调制电流传感器主要参数对照表

直接放大式霍尔电流传感器

  直接放大式霍尔电流传感器又称开环式霍尔电流传感器。它的电磁结构及工作原理是:铁芯在径向开有缺口,霍尔元件置于缺口中,初级线圈穿过该铁芯的中心孔,当初级绕组有流流过时,会在铁芯中激发出感应磁场,该感应磁场与初级线圈的电流成线性关系,霍尔元件检测到磁场后,输出对应的霍尔电势,经后级调理放大后,就输出我们所需的能反映初级线圈电流大小和波形的信号。

  直放式电流传感器工作时铁芯中感应磁场的大小随初级线圈电流的大小而变化,但铁芯的磁性能是非线性的,因此其输出信号存在较大的非线性误差,同时霍尔元件、IC电路和其它半导体电路受温度影响会产生温度漂移因此整体测量精度较低,但结构简单,可靠性较好,成本低,因而得到广泛应用。

磁平衡式霍尔电流传感器

  磁平衡式霍尔电流传感器又称零磁通电流传感器或闭环电流传感器。这种电流传感器是在直放式电流传感器的基础上在铁芯上加了反馈绕组(或称次边线圈),把霍尔元件检测的电压驱动反馈绕组,使反馈绕组中电流所产生的磁场抵消原边线圈产生的磁场。这样反馈绕组的电流与初级绕组的电流成对应的等安匝关系,反馈绕组中注过的电流就可以反映初级线圈电流大小和波形。加了反馈绕组后,由于初次级电流产生的磁场互相抵消了,铁芯的工作点就固定在零磁通点,避免了铁芯非线性对输出信号的影响,可以显著提高产品输出信号的线性度。由于铁芯工作在零磁通点,同时对产品的性能指标都比直放式电流传感器有较大的提高,对铁芯的剩磁和灵敏度,因此铁芯一般采用高磁导率的坡莫合金;同时对霍尔传感器的灵敏度等的要求也提高了,一般采用HW302B等高灵敏度霍尔IC.

新型零磁通电流传感器

磁调制式直流电流传感器的工作原理图

图1 磁调制式直流电流传感器的工作原理图

  AnyWay新型零磁通电流传感器创新之处在于它结合了磁平衡原理和磁调制技术,使两者有机地融合在一起,使产品有了极好的综合性能。磁调制电流传感器是在交变对称电压或电流源激磁的铁心中,若同时存在直流恒定磁场,铁心中交变磁通的对称性就被破坏,磁通波形的正负半波相位将发生变化,相应地,检测绕组输出电压中的正负半波将发生相对位移。正负半波相位变化量的大小和方向可以反映该直流偏置电流的大小和方向,这就是相位差磁调制式直流电流传感器的工作原理,如图1。在新型零磁通电流传感器中在磁调制测量基础上增加了一个交流测量线圈,图2 中最下面一个线圈就是用于交流电流的测量线圈,该线圈是通过等安匝原理。

AnyWay新型零磁通电流传感器原理图

图2 AnyWay新型零磁通电流传感器原理图

  将初级线圈电流变换成后,输入后级电路进行调理或放大等处理,再得到所需的信号。AnyWay新型零磁通电流传感器中的磁平衡工作机理是将通过磁调制获得的直流信号或通过交流测量线圈获得的信号进行放大后驱动补偿电路,使补偿电路输出的电流抵消母线电流产生的磁场。这样通过等安匝原理就可以得到母线电流的大小。同磁平衡霍尔电流传感器一样,加了反馈绕组后,由于初次级电流产生的磁场互相抵消了,铁芯的工作点就固定在零磁通点,避免了铁芯非线性对输出信号的影响,可以显著提高产品输出信号的线性度。更重要的是这种原理的电流传感器不用霍尔元件,铁芯是闭合的,同磁平衡霍尔电流传感器相比,没有气隙,避免气隙处产生漏磁,也大大削弱了母线位置和地磁场的影响,大大地提高了产品的精度。磁平衡磁调制电流传感器达到了百万分之一等级极高的精度、极好的稳定性、极高的灵敏度、极好的分辨率,很广的测量范围。这类产品的推出填补了国内高精度电流传感器市场的空白,在军民领域都具有极高的应用价值。

  新型零磁通电流传感器采用封闭的铁芯及线圈绕组的方法来采集初级线圈的电流信号,放弃了霍尔元件采集信号时必须把霍尔元件嵌入铁芯气隙的方案,保证了磁路的对称性,减少了外界干扰和漏磁场对产品性能的不利影响,这种电流传感器从原理上解决了霍尔电流传感器精度低和稳定性差的问题。新型零磁通电流传感器的综合精度达到了1ppm级别,零点失调、时间和温度漂移性能都有大幅度的提高,两者相比,综合性能比霍尔电流传感器提高了3个数量级,成本也在可接受的范围内,是霍尔电流传感器的理想升级替代产品。新型零磁通电流传感器的开发成功标志着我国电流测量技术水平达到了国际领先地位。