一零磁通霍爾電流傳感器與零磁通電流互感器原理簡介

1零磁通霍爾電流傳感器原理

　　霍爾效應在1879年被E.H. 霍爾發現，它定義了磁場和感應電壓之間的關系，這種效應和傳統的感應效果完全不同。當電流通過一個位于磁場中的導體或半導體的時候，磁場會對導體或半導體中的電子產生一個垂直于電子運動方向上的的作用力，從而在導體或半導體的兩端產生電壓差，這個電壓差，稱為霍爾電勢。

　　普通代替產生的霍爾電勢非常微弱，不易測量，因此，直到出現利用半導體材料制作的霍爾元件后，霍爾效應才得以廣泛的應用。

　　早期的霍爾電流傳感器是利用霍爾效應將一次電流產生的磁場變換為霍爾電勢，再利用放大電路將霍爾電勢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，就是利用一個補償繞組產生磁場，通過閉環控制，使其與被測電流產生的磁場大小相等，方向相反，達到互相抵消的效果，此時，補償繞組中的電流正比與被測電流的大小，這種傳感器，被稱為閉環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成原理，零磁通霍爾電流傳感器由磁芯，霍爾元件，補償繞組，誤差放大電路等構成。

圖1 零磁通霍爾電流傳感器的構成及原理

　　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，當傳感器處于理想平衡狀態時，霍爾元件處磁通為零，霍爾元件輸出霍爾電勢為零。可見，霍爾元件實際上是用于檢測零磁通，或者說，是用于檢測是否有磁通。

　　由于磁芯的非線性，開環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與磁芯中的磁通是否成線性關系，磁芯中的磁通與一次電流是否成線性關系幾乎與二次輸出無關，對測量精度幾乎沒有影響，這是零磁通霍爾電流傳感器的相對于開環式霍爾電流傳感器的最大優勢！

2零磁通電流互感器原理

　　電流互感器基于電磁感應原理，因此，鐵芯中的必須有磁通是電流互感器工作的先決條件。可是，為了在鐵芯中建立磁通，就需要勵磁電流，勵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，就是消除勵磁電流對互感器測量精度的影響。

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

圖2 零磁通電流互感器的構成及原理

　　一次繞組N_P和二次測量繞組N_S同時繞在Core1和Core2上，補償繞組N_C繞在Core1上，檢測繞組N_D繞在Core2上。

　　檢測繞組N_D連接高阻抗電壓表，繞組電流可以忽略。

　　補償繞組N_C連接一個與被測一次電流頻率相同的可控交流電壓源。互感器工作時，一次繞組N_P及二次測量繞組N_S在Core1和Core2中均產生磁通，補償繞組N_C只在Core1中產生磁通。檢測繞組N_D只與Core2磁通鉸鏈，并且自身負載阻抗很大，電流可忽略不計，不產生磁通。調節補償繞組N_C的電壓源，當檢測繞組N_D的電壓表讀數等于零時，鐵芯Core2中磁通為零。

　　由于一次繞組N_P和二次測量繞組N_S均與鐵芯Core2鉸鏈，此時，對于鐵芯Core2而言，一次繞組N_P和二次測量繞組N_S的在Core2中產生的磁通相同，即一次繞組N_P和二次測量繞組N_S安匝數相等：N_P×I_P=N_S×I_S。在一次繞組N_P和二次測量繞組N_S上產生感應電動勢的磁通完全由二次補償繞組N_C提供，即：N_C繞組提供勵磁電流和勵磁磁場。

　　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，就是因為鐵芯Core2中的磁通為零，一次繞組N_P和二次測量繞組N_S的磁通在鐵芯Core2中達到了平衡，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

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。

三零磁通霍爾電流傳感器與零磁通電流互感器的區別

1磁芯的區別

　　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，更多時候采用磁導率更高、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，受鐵芯磁滯效應等的影響，允許工作的頻率較低。

　　上述區別決定了零磁通霍爾電流傳感器的帶寬遠遠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構，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鐵芯。這一區別決定了零磁通霍爾電流傳感器測量精度較容易受外部磁場的影響，而零磁通電流互感器測量精度受外磁場的影響甚微。

　　零磁通霍爾電流傳感器只有一個磁芯，而零磁通電流互感器具有兩個鐵芯。

2零磁通檢測原理不同

　　零磁通霍爾電流傳感器通過霍爾元件檢測零磁通，而零磁通電流互感器通過輔助繞組檢測零磁通。

　　零磁通霍爾電流傳感器的二次電流由控制電路產生，產生的二次電流磁通與一次電流磁通抵消達到零磁通。

　　零磁通電流互感器基于電磁感應原理，非零的磁通是互感器工作的前提，非零磁通為勵磁磁通，建立在鐵芯core1中，由補償繞組NC提供。通過電磁感應原理產生二次電流的是另一個鐵芯core2，在這個core2中，一次電流與二次電流磁通互相抵消，達到磁平衡時，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的目的是減小勵磁電流對測量精度（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，適合測量各種頻率及各種波形的復雜電量——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等低功率因數工況的高精度功率測量。

---