電磁式電流互感器磁飽的相關(guān)問題
發(fā)布時間:2021-02-19 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理,根據(jù)霍爾效應(yīng)原理,從霍爾元件的控制電流端通入電流Ic,并在霍爾 元件平面的法線方向上施加磁場 強度為B的磁場,那么在垂直于 電流和磁場方向(即霍爾輸出端 之間),將產(chǎn)生一個電勢VH,稱 其為霍爾電勢,其大小正比于控 制電流I。與磁場強度B的乘積。 即有式中:K為霍爾系數(shù),由霍爾元件的材料決定;I。為控制電流;B為磁場強度; VH為霍爾電勢。
霍爾電流傳感器的原理
霍爾器件是一種采用半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件。如果在輸入端通入控制電流IC,當(dāng)有一磁場B穿過該器件感磁面,則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢VH。霍爾電勢VH的大小與控制電流IC和磁通密度B的乘積成正比,即:VH=KHICBsinΘ?;魻栯娏鱾鞲衅魇前凑栈魻栃?yīng)原理制成,對安培定律加以應(yīng)用,即在載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一正比于該電流的磁場,而霍爾器件則用來測量這一磁場。因此,使電流的非接觸測量成為可能。通過測量霍爾電勢的大小間接測量載流導(dǎo)體電流的大小。因此,電流傳感器經(jīng)過了電-磁-電的絕緣隔離轉(zhuǎn)換。
工作原理
1、 直放式(開環(huán))電流傳感器(CS系列)
霍爾電流傳感器的工作原理與其磁飽和問題
當(dāng)原邊電流IP流過一根長導(dǎo)線時,在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場,這一磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比,產(chǎn)生的磁場聚集在磁環(huán)內(nèi),通過磁環(huán)氣隙中霍爾元件進行測量并放大輸出,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、磁平衡式(閉環(huán))電流傳感器(CSM系列)
霍爾電流傳感器的工作原理與其磁飽和問題
磁平衡式電流傳感器也稱補償式傳感器,即原邊電流Ip在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈電流所產(chǎn)生的磁場進行補償,其補償電流Is精確的反映原邊電流Ip,從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。
具體工作過程為:當(dāng)主回路有一電流通過時,在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場被磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上,所產(chǎn)生的信號輸出用于驅(qū)動功率管并使其導(dǎo)通,從而獲得一個補償電流Is。這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場,該磁場與被測電流產(chǎn)生的磁場正好相反,因而補償了原來的磁場,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)生的磁場相等時,Is不再增加,這時的霍爾器件起到指示零磁通的作用,此時可以通過Is來測試Ip。當(dāng)Ip變化時,平衡受到破壞,霍爾器件有信號輸出,即重復(fù)上述過程重新達到平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。一旦磁場失去平衡,霍爾器件就有信號輸出。經(jīng)功率放大后,立即就有相應(yīng)的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡,所需的時間理論上不到1μs,這是一個動態(tài)平衡的過程。因此,從宏觀上看,次級的補償電流安匝數(shù)在任何時間都與初級被測電流的安匝數(shù)相等。
3、霍爾電壓(閉環(huán))傳感器(VSM系列)
霍爾電壓傳感器的工作原理與閉環(huán)式電流傳感器相似,也是以磁平衡方式工作的。原邊電壓VP通過限流電阻Ri產(chǎn)生電流,流過原邊線圈產(chǎn)生磁場,聚集在磁環(huán)內(nèi),通過磁環(huán)氣隙中霍爾元件輸出信號控制的補償電流IS流過副邊線圈產(chǎn)生的磁場進行補償,其補償電流IS精確的反映原邊電壓VP。
4、交流電流傳感器(A-CS系列)
交流電流傳感器主要測量交流信號燈電流。是將霍爾感應(yīng)出的交流信號經(jīng)過AC-DC及其他轉(zhuǎn)換,變?yōu)?~4V、0~20mA(或4~20mA)的標(biāo)準(zhǔn)直流信號輸出供各種系統(tǒng)使用。
工作過程
開環(huán)的霍爾電流傳感器采用的是霍爾直放式原理,閉環(huán)的霍爾電流傳感器采用的是磁平衡原理。所以閉環(huán)的在響應(yīng)時間跟精度上要比開環(huán)的好很多。開環(huán)和閉環(huán)都可以監(jiān)測交流電,一般開環(huán)的適用于大電流監(jiān)測,閉環(huán)適用于小電流監(jiān)測。
開環(huán)式霍爾傳感器的工作過程:
原邊電流(Ip)通過一根導(dǎo)線時,在導(dǎo)線四周將會產(chǎn)生一個磁場,這一磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比,它能通過磁芯聚集感應(yīng)到霍爾器件上并使其有一信號輸出。這一信號經(jīng)信號放大器放大后直接輸出,霍爾器件輸出的信號準(zhǔn)確反映了原邊電流的輸出情況。
優(yōu)點:封裝尺寸小 ,測量范圍廣 ,重量輕,低電源損耗,無插損
閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作過程:
當(dāng)原邊電流IP產(chǎn)生的磁通通過磁芯集中在磁路中,霍爾器件固定在氣隙中檢測磁通,通過繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補償電流,用于抵消原邊電流(IP)產(chǎn)生的磁通,使得磁路中磁通始終保持為零?;魻柶骷洼o助電路產(chǎn)生的副邊補償電流準(zhǔn)確反映了原邊電流的大小。經(jīng)過特殊電路的處理,傳感器的輸出端能夠輸出精確反映原邊電流的電流變化。
霍爾傳感器的磁飽和問題
許多霍爾電流傳感器廠家在其技術(shù)資料的也將無磁飽和作為霍爾電流傳感器的一個重要優(yōu)點來宣傳?;魻栯娏鱾鞲衅鞑粫l(fā)生磁飽和幾乎是霍爾電流傳感器自應(yīng)用以來就得到廣泛認(rèn)可的主要優(yōu)點之一。
事實是不是這樣呢?
事實上,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,一定會發(fā)生磁飽和!
1、開環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問題
下圖為所有高導(dǎo)磁材料的典型磁化曲線示意圖:
霍爾電流傳感器的工作原理與其磁飽和問題
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)強度超出線性區(qū)域一定的范圍,就會發(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,就是原邊電流足夠大。
不會因為電流頻率低導(dǎo)致磁飽和,是霍爾電流傳感器的優(yōu)點,也是開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和特點。
相比之下,電磁式互感器也有一個優(yōu)點,就是二次負荷足夠小時,即便過載較多,也不會發(fā)生磁飽和。
2、閉環(huán)式霍爾電流傳感器的磁飽和問題
開環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題較簡單,相比之下,閉環(huán)式霍爾電流傳感器磁飽和問題似乎不可理解,因為閉環(huán)式霍爾電流傳感器正常工作時,磁芯中的磁通為零,零磁通下,自然不會飽和。
然而,這只能將是在正常工作條件下!
事實上,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題都是發(fā)生在過載,頻率過低,負荷過大等非正常工作條件下,正常工作條件下,都不會發(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償繞組產(chǎn)生的磁場可以抵消原邊導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場的前提下。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零磁通呢?
顯然不是!
A、傳感器未供電的情況下,副邊補償繞組不產(chǎn)生電流,此時,閉環(huán)式霍爾電流傳感器相當(dāng)于一個開環(huán)式霍爾電流傳感器,只要原邊電流夠大,就會發(fā)生磁飽和。
B、正常供電,原邊電流過大。這是因為二次補償繞組可以產(chǎn)生的電流畢竟是有限度的,當(dāng)原邊電流產(chǎn)生的磁場大于副邊補償繞組能夠產(chǎn)生的最大磁場時,磁平衡被打破,磁芯中有磁場通過,原邊電流繼續(xù)加大時,磁芯中磁場也隨著增大,原邊電流足夠大時,閉環(huán)式霍爾電流傳感器進入磁飽和狀態(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,但不等于不會發(fā)生,使用不當(dāng)或長時間過載,也會發(fā)生磁飽和。
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