霍爾電壓傳感器原理詳解及特點分析
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- 發布時間：2013/11/12 11:10:41
- 作者：AnyWay中國
一前言
霍爾電壓傳感器相對電磁式電壓互感器而言，具有體積小、重量輕、寬頻帶、交直流兩用等優點，在工業測控領域得到了廣泛應用。
隨著電力電子技術的高速發展，變頻調速技術在電機驅動中應用越來越廣，對采用變頻調速技術的電機系統進行準確的能效計量檢測，既是對變頻調速技術節能效果的檢測，也是變頻調速技術科學、持續發展的基礎。而霍爾電壓傳感器是目前變頻器及風力發電機、交流牽引電機、電動汽車電機等變頻電機的檢試驗和能效計量檢測的主要測量裝置。本文旨在通過對霍爾電壓傳感器原理剖析，了解霍爾電壓傳感器的主要特點，并以此指導工程應用。
圖1 霍爾電壓傳感器實物圖
二霍爾電壓傳感器原理
如圖2所示，霍爾電壓傳感器主要包括初級線圈、磁環、次級線圈、放大電路及與初級線圈串聯的限流電阻R。拋開限流電阻R，剩余部分相當于一個
閉環霍爾電流傳感器。不同之處在于該傳感器的初級電流非常小，一般為毫安級。
直觀分析：小信號測量難度大，測量精度低，因此，同樣基于霍爾效應的霍爾電壓傳感器的性能遠遠低于霍爾電流傳感器。
圖2 霍爾電壓傳感器原理
顯然，初級線圈的電流越大，電阻R的功率越大。過大的電流會帶來如下的弊端：
◆傳感器消耗較大功率，并對被測回路造成影響；
◆電阻發熱量大，溫度高，溫漂對測量精度的影響大；
◆為了散發這些熱量，必然增大霍爾電壓傳感器的體積，同時對絕緣不利。
上述原因決定了實際霍爾電壓傳感器的輸入限流電阻較大，并且，測試電壓越高，其阻值越大。
三霍爾電壓傳感器特點
上節分析了霍爾電壓傳感器原理，我們知道霍爾電壓傳感器的輸入有一個阻值較大的電阻，且一次繞組的匝數較大。
客觀世界中，不存在理想的電阻元件，因為電阻元件本身具有一定的形狀和體積，必然造成其附加的電感和電容，此外，環境的分布電感和分布電容也對電阻元件起到一定的影響。如圖3所示，電阻元件可以等效為電阻R與電感L串聯后再與電容C并聯。
圖3 霍爾電壓傳感器串聯的電阻元件的等效電路
圖3中電阻元件的阻抗為：
上式中，Re和Xe分別為等效電阻的分量和等效電抗分量。
由于L、C一般較小，1/LC較大，在ω2<<1/LC時和ω<<1/RC，上式可簡化為：
一般而言，由于L很小，第一項可忽略。對于第二項，當RC較小時，非常接近R。然而，當R較大時，RC不可忽略。
當RC相對ω不可忽略時，第二項對霍爾電壓傳感器的精度和帶寬都有較大的影響。
由此得出第一個結論：采用相同技術時，輸入電阻越大，分布參數對霍爾電壓傳感器的帶寬影響越大。
通過分析霍爾電壓傳感器原理，我們知道，霍爾電壓傳感器初級線圈匝數較多。線圈匝數越多，其電感越大。正常情況下，多匝線圈呈現明顯的感性，不適宜用于交流電壓測試。但是，從霍爾電壓傳感器原理分析可知，霍爾電壓傳感器正常工作時，在補償繞組磁場的作用下，霍爾元件處的磁感應強度為零。假如初級線圈內部及外部處處磁感應強度為零，那么，線圈實際上的等效電感為零。這是霍爾電壓傳感器適合交流電壓測試且一般具備較寬頻帶的重要原因之一。
然而，初級線圈和補償線圈不可能完全重合，初級線圈內部和附近不可能磁場處處為零，存在磁場，就必然對電流的變化起到影響，并對霍爾電壓傳感器的帶寬造成一定的影響。
為了使霍爾元件具有足夠的靈敏度，霍爾電壓傳感器的初級電流越小，需要的匝數越多。匝數越多，霍爾電壓傳感器帶寬越窄。
由此得出第二個結論：采用相同技術時，初級繞組匝數越多，對霍爾電壓傳感器的帶寬越大。
對于霍爾電壓傳感器而言，考慮到電流通過電阻會發熱，一般而言，被測電壓越高，限流電阻R越大，RC對霍爾電壓傳感器的影響也越大。被測電壓越高，初級線圈的電流越小，初級線圈的匝數越多。
這就是為何同一個廠家的霍爾電壓傳感器，隨著測試電壓的增高，帶寬逐步降低的主要原因。
四常用霍爾電壓傳感器的技術指標
下表為常用霍爾電壓傳感器及
AnyWay的SP103501C型
變頻功率傳感器的上升時間、精度及帶寬指標，由表可知，隨著測試電壓的升高，霍爾電壓傳感器的精度降低，且上升時間變大，帶寬變窄。
注：由于目前大多霍爾電壓傳感器未公布帶寬指標，可依據經驗公式BW=0.35/tr對帶寬進行估算。表中的帶寬就是依據此公式計算獲取。
表中所述霍爾電壓傳感器的精度及帶寬隨著被測變化趨勢與第三節的分析相符。此外，表中所述6400V霍爾電壓傳感器的帶寬僅700Hz，用于交流電量時需要特別注意。
在變頻功率（通常也稱寬頻功率測量）測量中，目前的多數變頻功率分析儀可直接測量1kV以內的電壓，霍爾電壓傳感器主要用于測量1kV以上的交流電壓，而1kV以上的霍爾電壓傳感器的精度較低、帶寬較窄，用戶在構建1kV以上高電壓變頻功率測試系統時需特別注意。
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