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闭环霍尔方案以及磁通门方案---电流传感器
闭环霍尔电流传感器
下图为前文介绍过的开环霍尔电流传感器的结构图(图片来自于LEM官网),待测电流Ip建立起磁芯内的磁场后,通过霍尔元件感应出的霍尔电压来测量电流值大小;它对外输出的是一个电压模拟量。
而闭环霍尔电流传感器是基于开环原理(下图来自于网络),然后引入了补偿电路;通过磁芯的有两部分电流:原边待测电流与副边补偿电流;原边待测电流就是指电池流经母线铜排中的大电流,而副边补偿电流是由闭环霍尔电流传感器内部产生的,流经磁芯上的副边线圈。
具体地(下图来自于LEM官网),霍尔元件感应出来的霍尔电压并没有直接用于测量,而是霍尔电压通过放大电路后产生了一个副边电流,这个副边电流流过缠绕在磁芯上的线圈,然后通过采样电阻Rm流到地。这样的话副边电流也会在磁芯中产生一个磁场,并且设计让这个磁场与原边待测电流产生的磁场方向相反,强度相等,那么总磁通量为0,即霍尔元件处于0磁通的环境中。
接下来,当霍尔元件中的磁通为0后,就会得到如下公式,通过测量Is,即可得到Ip;Ns一般为1000~5000,Is一般为25mA~300mA左右。
磁通门电流传感器(Fluxgate)
磁通门电流传感器才是我们经常遇到的产品,如LEM的CAB系列。
磁通门电流传感器又可以分为几种,如下图所示(图片来源LEM官网):例如标准型、C-type、IT-type、低频型等,这里介绍比较基本的标准型磁通门原理。
标准型的磁通门电流传感器结构很类似闭环霍尔结构,如下图所示(图片来源于网络),只是在磁芯的气隙处放置的不是霍尔元件,而是一个磁通门的传感器,即可饱和电感。
具体地,在结构上同样有原边待测电流Ip(母线中电流),副边反馈电流Is(副边线圈中),同样地,只要让气隙中的总磁通量为0,根据下式可以计算出Ip:
此方案的原理框图如下(来源于LEM官网),前面我们知道了计算电流Ip的方法,即调节副边电流Is,使得气隙处的总磁通量为0,即可得出Ip;那么,我们怎么实时检测气隙处的磁通量,然后调节磁通量为0呢?
这里在气隙处应用了可饱和电感作为探头来识别气隙处的磁通量(下图来源于LEM官网),它是由磁芯与线圈组成的电感探头。
进一步地,气隙处的磁通量大小会影响这个探头的电感量(探头的电感量是受外部磁场影响而变化的),我们只要区别出磁通量为0时的电感大小与磁通量不为0时的电感大小即可。
那么怎么来识别不同磁通量下的电感大小呢?
一种方案是,在电感探头的线圈中通过一个电流Isi(两端施加一个电压源u(t)),它产生的磁通与外部气隙的总磁通(包括了IpIs二者引起的磁通)叠加后作用于电感探头的磁芯上,这个累加后的磁通量会影响电感探头的感量,而电感量与电流大小又相关,所以只要知道Isi的电流怎么受到气隙处的磁通影响就OK了。
省略中间的一些理论性的分析过程,当气隙处的总磁通量为0时,电感探头中的电流如下图,其中虚线代表施加在探头两端的方波电压u(t),实线为电流值i(t)。
当气隙处的总磁通量不为0时,电感探头中的电流波形如下图:所以我们通过检测这个电流值,就可以等效判断出气隙处的总磁通量是否为0,然后通过调整副边线圈中的电流Is,来使得气隙处的总磁通量为0。
总结:
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