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摘 要 ：介绍闭环霍尔电流和电压传感器的基本工作原理。具体给出了它们的主要性能参数及其在EAST快控电源新系统中的应用。
关键词 ：霍尔传感器；闭环；EAST快控电源
1 引言
国家“九五”大科学工程“EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）超导托卡马克核聚变实验装置”中的快速控制电源为一种大容量AC/DC/AC单相逆变电源，其跟踪等离子体漂移产生的位移信号，通过为真空室内部的四个快控线圈提供数千安的励磁电流，形成磁场来维持等离子体在非圆截面时的动态平衡与准确位置，以抑制等离子体在大拉长形下的快速漂移。
EAST快控电源【1】整个系统由主电路部分，控制保护部分以及远程监控诊断部分组成。其中控制电路部分由主控制器、分控制器、闭环霍尔传感器等组成。考虑到EAST快控电源新系统的复杂性以及工作现场的恶劣环境，对电源装置实施完善的现场控制保护和远程监控诊断，选择合适的闭环霍尔传感器是很重要的。
2 闭环霍尔传感器的工作原理
闭环霍尔电流传感器【2】【3】也称磁补偿霍尔电流传感器，它的工作原理为： 当主回路有一大电流IN流过时，在导线周围产生一个强磁场，这一磁场被聚磁环聚磁，并感应到霍尔元件上，使其产生输出。这信号经放大器放大，输人到功率放大器中，使相应的功率管导通，从而获得了一个补偿电流IM，这一电流通过很多匝绕组所产生的磁场与主电流所产生的磁场大小相等，方向相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔元件的输出逐渐减少。最后，当IM与匝数相乘所产生的磁场与IN所产生的磁场相等时，霍尔元件就达到了零磁通状态。如下图1所示的为闭环霍尔电流传感器的接线图，图2为其等效电路图。
图1 闭环霍尔电流传感器的接线图
图2 闭环霍尔电流传感器等效电路图
上述平衡过程是在小于lμs的时间内建立的，是一个动态平衡过程。一旦磁场失去平衡，霍尔元件就有信号输出，立即有相应的电流流过次级线圈进行补偿。从宏观上来看，原副边的安匝数在任何时间都相等，时时补偿为零。
由图2可知得：
其中：NP为原边匝数，NS为副边匝数，若己知Np、Ns，通过检测负载电阻上的电压可计算出电流
IM，即可得到主电流IN的大小。
对于闭环霍尔电压传感器，它与电流传感器最大的不同在于它原边线圈上要串联一个大电阻R，其基本工作原理为：被测电压VN流过R的电流通过线圈产生的磁场，由霍尔元件输出信号控制的补偿电流IM流过次级线圈产生的磁场补偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流IM即可精确反映原边所测电压值。串联电阻R选取的大小为： R=VN/IN；
VN — 被测最高电压；IN—原边线圈额定电流。
3 闭环霍尔传感器在EAST快控电源新系统中的应用
EAST快控电源新系统的主电路采用3个H桥级联构成一个支路，再6个支路并联。图3所示为EAST快控电源新系统的主电路原理图。
图3 EAST快控电源新系统原理图
霍尔传感器被广泛应用于大功率整流电源、逆变器电源等各类电源系统中【4】。在EAST快控电源新系统中，一共用到2只LT10000-S（雙向）电流传感器、12只LT1005-S/T（双向） 电流传感器、36只BH-0.66 40I电流传感器、2只AV100-2000电压传感器。每个传感器的具体分布见图3中所示，其中DCCT即表示电流传感器，DCVT即表示电压传感器；每个传感器的型号及基本性能参数如表1所列。
表1 传感器性能参数
图3中的传感器 型 号 额定电流（A） 测量电压（V） 测量频率（Hz） 响应
（μs） 精度
DDCT301 LT10000-S
（双向） 10000 2V/10kA 0-100k <1 ±0.3%
DCCT302 LT10000-S
（双向） 10000 2V/10kA 0-100k <1 ±0.3%
DCCT201-212 LT1005-S/T
（双向） 1000 10V/1500A 0-150k <1 ±0.4%
DCCT101-136 BH-0.66 40I 340 600/5A / <1 0.5级
DCVT AV100-2000 0.05 5V/50mA 0-13k <12 ±0.7%
各传感器在EAST快控电源新系统中都起着不同的作用。
DCCT-301的作用是测量主电流并将反馈电流信号给控制系统【5】，以保证整个电源系统按照预设的电流曲线运行，DCCT-302的作用是测量主电流并将采集到的电流信号送给采集系统，通过采集系统可以随时查看、分析主电流的数据及波形。DCCT-302是DCCT-301的冗余，以防止传感器出现故障，导致电流失控。它的简单控制原理如下图4所示。
图4. EAST快控电源新系统的简化控制原理图
DCCT-201的作用是测量支路电流并将反馈电流信号给支路控制系统，以保证该支路电源系统按照预设的电流曲线运行，DCCT-302的作用是测量支路电流并将采集到的电流信号送给采集系统，通过采集系统可以随时查看、分析该支路电流的数据及波形。DCCT-202是DCCT-201的冗余，以防止传感器出现故障，导致电流失控。
DCCT-101到DCCT-136的作用是测量支路交流侧A相、C相的线电流，并将采集的电流信号送给支路控制系统，检测AC380V输入是否过流。
DCVT的作用是测量EAST快控电源新系统输出端口处负载两端的电压，作为负载的测量和监控信号，并将采集到的电压信号送给控制系统。 通过给出不同的预设电流波形，使电源系统分别在不同电流下进行实验。经实验证明：各传感器都工作正常，达到了工程设计要求。
4.闭环霍尔传感器在EAST快控电源新系统中采集的实验波形
如下图5为闭环霍尔传感器在EAST快控电源新系统中的采集的给定100Hz正弦8V（7200A）峰峰值不均流度小于1%的正弦实验波形；图6为闭环霍尔传感器在EAST快控电源新系统中的采集的给定100Hz方波8V（7200A）峰峰值不均流度小于1%的方波实验波形。波形中的横坐标为时间坐标轴，其单位为：5ms/格；纵坐标为闭环霍尔传感器在EAST快控电源新系统中采集的输出电流、电压幅值坐标轴。CH1通道为电源给定信号的波形（900A/V）；CH2- CH4通道为电源系统中一、三、五支路输出电流采样信号的波形（735A/V）。
t/（5ms/格）
图5 给定100Hz正弦波8V（7200A）
t/（2ms/格）
图6 给定100Hz方波8V（7200A）
从实验波形图中看出，跟踪效果良好，总电流响应延时约0.6ms。总电流峰值达到9000A没有问题。六个支路电流波形基本重合，若从峰峰值上看，给定100Hz正弦波8V（7200A）峰峰值不均流度小于1%；给定100Hz方波8V（7200A）峰峰值不均流度小于0.6%。
5. 结论
该传感器能够满足EAST快控电源新系统对电流检测的技术要求，且已经在该电源系统中应用。由于闭环霍尔传感器具有尺寸小、重量轻、测量频率宽、响应时间短、动态特性好以及原、副边绝缘电压高等优点。因而，随着电力电子技术的发展，闭环霍尔传感器在整流、逆变、变频、斩波、交流调压、调速、非正弦周期量的检测以及保护和控制等方面的应用将会越来越多。
参考文献：
【1】、黄海宏等. EAST快控电源逆变器并联分析.电力电子技术，2010 44（3）
【2】、刘小源，许留伟等. 25kA霍尔传感器在EAST纵场电源中的研究与应用.传感器与微系统，2010 29（11）
【3】、LEM模块传感器产品说明书，2013
【4】、宋执权，傅鵬，王林森。闭环霍尔传感器在极向场电源系统中的应用[J].仪表技术，2006（1）：85-86.
【5】、Hai-hong Huang， Wen Cheng， etc. Development of New Fast Control Power Supply for EAST. IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY， VOL. 23， NO. 5， OCTOBER 2013.
关键词 ：霍尔传感器；闭环；EAST快控电源
1 引言
国家“九五”大科学工程“EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）超导托卡马克核聚变实验装置”中的快速控制电源为一种大容量AC/DC/AC单相逆变电源，其跟踪等离子体漂移产生的位移信号，通过为真空室内部的四个快控线圈提供数千安的励磁电流，形成磁场来维持等离子体在非圆截面时的动态平衡与准确位置，以抑制等离子体在大拉长形下的快速漂移。
EAST快控电源【1】整个系统由主电路部分，控制保护部分以及远程监控诊断部分组成。其中控制电路部分由主控制器、分控制器、闭环霍尔传感器等组成。考虑到EAST快控电源新系统的复杂性以及工作现场的恶劣环境，对电源装置实施完善的现场控制保护和远程监控诊断，选择合适的闭环霍尔传感器是很重要的。
2 闭环霍尔传感器的工作原理
闭环霍尔电流传感器【2】【3】也称磁补偿霍尔电流传感器，它的工作原理为： 当主回路有一大电流IN流过时，在导线周围产生一个强磁场，这一磁场被聚磁环聚磁，并感应到霍尔元件上，使其产生输出。这信号经放大器放大，输人到功率放大器中，使相应的功率管导通，从而获得了一个补偿电流IM，这一电流通过很多匝绕组所产生的磁场与主电流所产生的磁场大小相等，方向相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔元件的输出逐渐减少。最后，当IM与匝数相乘所产生的磁场与IN所产生的磁场相等时，霍尔元件就达到了零磁通状态。如下图1所示的为闭环霍尔电流传感器的接线图，图2为其等效电路图。
图1 闭环霍尔电流传感器的接线图
图2 闭环霍尔电流传感器等效电路图
上述平衡过程是在小于lμs的时间内建立的，是一个动态平衡过程。一旦磁场失去平衡，霍尔元件就有信号输出，立即有相应的电流流过次级线圈进行补偿。从宏观上来看，原副边的安匝数在任何时间都相等，时时补偿为零。
由图2可知得：
其中：NP为原边匝数，NS为副边匝数，若己知Np、Ns，通过检测负载电阻上的电压可计算出电流
IM，即可得到主电流IN的大小。
对于闭环霍尔电压传感器，它与电流传感器最大的不同在于它原边线圈上要串联一个大电阻R，其基本工作原理为：被测电压VN流过R的电流通过线圈产生的磁场，由霍尔元件输出信号控制的补偿电流IM流过次级线圈产生的磁场补偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流IM即可精确反映原边所测电压值。串联电阻R选取的大小为： R=VN/IN；
VN — 被测最高电压；IN—原边线圈额定电流。
3 闭环霍尔传感器在EAST快控电源新系统中的应用
EAST快控电源新系统的主电路采用3个H桥级联构成一个支路，再6个支路并联。图3所示为EAST快控电源新系统的主电路原理图。
图3 EAST快控电源新系统原理图
霍尔传感器被广泛应用于大功率整流电源、逆变器电源等各类电源系统中【4】。在EAST快控电源新系统中，一共用到2只LT10000-S（雙向）电流传感器、12只LT1005-S/T（双向） 电流传感器、36只BH-0.66 40I电流传感器、2只AV100-2000电压传感器。每个传感器的具体分布见图3中所示，其中DCCT即表示电流传感器，DCVT即表示电压传感器；每个传感器的型号及基本性能参数如表1所列。
表1 传感器性能参数
图3中的传感器 型 号 额定电流（A） 测量电压（V） 测量频率（Hz） 响应
（μs） 精度
DDCT301 LT10000-S
（双向） 10000 2V/10kA 0-100k <1 ±0.3%
DCCT302 LT10000-S
（双向） 10000 2V/10kA 0-100k <1 ±0.3%
DCCT201-212 LT1005-S/T
（双向） 1000 10V/1500A 0-150k <1 ±0.4%
DCCT101-136 BH-0.66 40I 340 600/5A / <1 0.5级
DCVT AV100-2000 0.05 5V/50mA 0-13k <12 ±0.7%
各传感器在EAST快控电源新系统中都起着不同的作用。
DCCT-301的作用是测量主电流并将反馈电流信号给控制系统【5】，以保证整个电源系统按照预设的电流曲线运行，DCCT-302的作用是测量主电流并将采集到的电流信号送给采集系统，通过采集系统可以随时查看、分析主电流的数据及波形。DCCT-302是DCCT-301的冗余，以防止传感器出现故障，导致电流失控。它的简单控制原理如下图4所示。
图4. EAST快控电源新系统的简化控制原理图
DCCT-201的作用是测量支路电流并将反馈电流信号给支路控制系统，以保证该支路电源系统按照预设的电流曲线运行，DCCT-302的作用是测量支路电流并将采集到的电流信号送给采集系统，通过采集系统可以随时查看、分析该支路电流的数据及波形。DCCT-202是DCCT-201的冗余，以防止传感器出现故障，导致电流失控。
DCCT-101到DCCT-136的作用是测量支路交流侧A相、C相的线电流，并将采集的电流信号送给支路控制系统，检测AC380V输入是否过流。
DCVT的作用是测量EAST快控电源新系统输出端口处负载两端的电压，作为负载的测量和监控信号，并将采集到的电压信号送给控制系统。 通过给出不同的预设电流波形，使电源系统分别在不同电流下进行实验。经实验证明：各传感器都工作正常，达到了工程设计要求。
4.闭环霍尔传感器在EAST快控电源新系统中采集的实验波形
如下图5为闭环霍尔传感器在EAST快控电源新系统中的采集的给定100Hz正弦8V（7200A）峰峰值不均流度小于1%的正弦实验波形；图6为闭环霍尔传感器在EAST快控电源新系统中的采集的给定100Hz方波8V（7200A）峰峰值不均流度小于1%的方波实验波形。波形中的横坐标为时间坐标轴，其单位为：5ms/格；纵坐标为闭环霍尔传感器在EAST快控电源新系统中采集的输出电流、电压幅值坐标轴。CH1通道为电源给定信号的波形（900A/V）；CH2- CH4通道为电源系统中一、三、五支路输出电流采样信号的波形（735A/V）。
t/（5ms/格）
图5 给定100Hz正弦波8V（7200A）
t/（2ms/格）
图6 给定100Hz方波8V（7200A）
从实验波形图中看出，跟踪效果良好，总电流响应延时约0.6ms。总电流峰值达到9000A没有问题。六个支路电流波形基本重合，若从峰峰值上看，给定100Hz正弦波8V（7200A）峰峰值不均流度小于1%；给定100Hz方波8V（7200A）峰峰值不均流度小于0.6%。
5. 结论
该传感器能够满足EAST快控电源新系统对电流检测的技术要求，且已经在该电源系统中应用。由于闭环霍尔传感器具有尺寸小、重量轻、测量频率宽、响应时间短、动态特性好以及原、副边绝缘电压高等优点。因而，随着电力电子技术的发展，闭环霍尔传感器在整流、逆变、变频、斩波、交流调压、调速、非正弦周期量的检测以及保护和控制等方面的应用将会越来越多。
参考文献：
【1】、黄海宏等. EAST快控电源逆变器并联分析.电力电子技术，2010 44（3）
【2】、刘小源，许留伟等. 25kA霍尔传感器在EAST纵场电源中的研究与应用.传感器与微系统，2010 29（11）
【3】、LEM模块传感器产品说明书，2013
【4】、宋执权，傅鵬，王林森。闭环霍尔传感器在极向场电源系统中的应用[J].仪表技术，2006（1）：85-86.
【5】、Hai-hong Huang， Wen Cheng， etc. Development of New Fast Control Power Supply for EAST. IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY， VOL. 23， NO. 5， OCTOBER 2013.