一種新型磁通門式電流傳感器的設(shè)計(jì)

1.電流傳感器技術(shù)用電力傳感器代替電氣設(shè)備的在線檢測(cè)系統(tǒng)是一致的。目前,電流傳感器有多種類型,如霍爾傳感器、無磁芯電流傳感器、高導(dǎo)磁非晶合金多諧振蕩電流傳感器、電子自旋共振電流傳感器等。由于電力系統(tǒng)使用環(huán)境的特殊性,許多傳感器存在自身的局限性。目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電流傳感器多是以電磁耦合為基本工作原理的,從采樣方式上分,這類傳感器主要有直接串入式、鉗式、閉環(huán)穿芯式三種。大量的研究試驗(yàn)表明,基于“零磁通原理”的小電流傳感器更適合電力系統(tǒng)絕緣在線檢測(cè)的要求。本文所述小電流傳感器即是以磁通門技術(shù)為基本原理,加上閉環(huán)控制在電子電路中的應(yīng)用,使小電流傳感器具有高精度、高穩(wěn)定度、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。2.門的原理和電流傳感器系統(tǒng)的組成2.1磁滯回線的磁芯輸出磁磁通門傳感器是利用被測(cè)磁場(chǎng)中高導(dǎo)磁率磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下,其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測(cè)量弱磁場(chǎng)的。這種物理現(xiàn)象對(duì)被測(cè)環(huán)境磁場(chǎng)來說好像是一道“門”,通過這道“門”,相應(yīng)的磁通量即被調(diào)制,并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。利用這種現(xiàn)象來測(cè)量電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng),從而間接的達(dá)到測(cè)量電流的目的。本文采用現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)構(gòu)簡單應(yīng)用較廣泛的一種單繞組磁通門。環(huán)形磁芯上繞有線圈,此繞組即作為激勵(lì)繞組又作為測(cè)量繞組。所測(cè)電流從磁環(huán)中間穿過。如圖1所示。一般磁性材料都有S形狀曲線的特性,稱之為磁滯回路(hysteresisloop),如圖2所示。此磁滯回路曲線建立在B-H的坐標(biāo)軸上,為磁性材料遭受完全磁化與非磁化周期,下圖所示為典型磁滯曲線的鐵心,如果曲線由a點(diǎn)開始,此點(diǎn)表示最大正磁化力,至b點(diǎn)磁化力為零,然后下降至c點(diǎn)為最大負(fù)磁化力,再至d點(diǎn)磁化力為零,最后返回最大正磁化力的a點(diǎn),此即為整個(gè)磁性周期。高導(dǎo)磁率、低矯頑力磁芯的磁滯回線如圖3所示。當(dāng)我們?cè)诖怒h(huán)導(dǎo)線中加入電流分量后,電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)使原本對(duì)稱的B-H磁滯回線會(huì)改變中心線變成如圖4所示形狀。假設(shè)激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度為:Hmcosuf077t,就能得到磁通門磁芯上的總磁場(chǎng)強(qiáng)度為:式中:H0為導(dǎo)線電流在環(huán)形磁芯上的磁場(chǎng)強(qiáng)度;Hm為激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值;uf077為激勵(lì)場(chǎng)角頻率。則線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì):式中:N為繞組線圈匝數(shù);S為環(huán)形磁芯的截面積;為磁芯物質(zhì)的微分磁導(dǎo)率。根據(jù)磁飽和特性,當(dāng)H0=0時(shí),H(t)(28)Hmcosuf077t,在磁飽和作用下磁感應(yīng)強(qiáng)度為:式中:aB為磁化曲線飽和段延長線在B軸上的截距,顯然,B(t)是對(duì)時(shí)間軸上下對(duì)稱的平頂波,根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)分析,它只含奇次諧波不含偶次諧波。當(dāng)外磁場(chǎng)H0≠0時(shí),H(t)(28)H0(10)Hmcosuf077t,B(t)的表達(dá)式為:這時(shí),B(t)成為上下不對(duì)稱的平頂波,根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)分析可知,它不僅含有奇次諧波還含有偶次諧波。而由式(2)可知,E(t)和B(t)應(yīng)含有相似的波形成分,因此,可以根據(jù)E(t)在激勵(lì)周期內(nèi)的振幅的上下不對(duì)稱來檢測(cè)外電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)0B,從而達(dá)到測(cè)量電流的目的。整個(gè)過程可以概括為:當(dāng)磁通門式電流傳感器工作時(shí),激勵(lì)線圈中加載一固定頻率、固定波形的交變電流進(jìn)行激勵(lì),使磁芯往復(fù)磁化達(dá)到飽和。在不存在外在電流所產(chǎn)生的被測(cè)磁場(chǎng)時(shí),則檢測(cè)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)只含有激勵(lì)波形的奇次諧波,波形正負(fù)上下對(duì)稱。當(dāng)存在直流外在被測(cè)磁場(chǎng)時(shí),則磁芯中同時(shí)存在直流磁場(chǎng)和激勵(lì)交變磁場(chǎng),直流被測(cè)磁場(chǎng)在前半周期內(nèi)促使激勵(lì)場(chǎng)使磁芯提前達(dá)到飽和,而在另外半個(gè)周期內(nèi)使磁芯延遲飽和。因此,造成激勵(lì)周期內(nèi)正負(fù)半周不對(duì)稱,從而使輸出電壓曲線中出現(xiàn)振幅差。該振幅差與被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)成正比,因此可以利用振幅差來檢測(cè)磁環(huán)中所通過的電流。2.2整體控制板的工作原理電流傳感器的系統(tǒng)框圖5所示。電流所產(chǎn)生的的磁場(chǎng)在磁通門探頭內(nèi)經(jīng)激勵(lì)信號(hào)調(diào)制后,通過峰值檢波和積分濾波電路產(chǎn)生有用的電壓信號(hào),然后經(jīng)過反饋,使電流傳感器工作在零磁通狀態(tài)。3.硬件電路的設(shè)計(jì)3.1頻率源的選擇傳感器激勵(lì)信號(hào)對(duì)探頭和整個(gè)系統(tǒng)都產(chǎn)生很大的影響,一般從頻率穩(wěn)定度、信號(hào)幅值穩(wěn)定度、相位穩(wěn)定度、波形穩(wěn)定度這幾個(gè)方面來考慮激勵(lì)信號(hào)的選擇。此外,激勵(lì)信號(hào)頻率的高低很大程度影響著傳感器的工作性能,頻率太高,則會(huì)增大噪聲;頻率太低則會(huì)降低傳感器的靈敏度,通常,激勵(lì)最佳頻率會(huì)在幾百到幾千赫茲。綜合以上各個(gè)因素,選擇了頻率為9.6KHZ的方波作為傳感器的激勵(lì)信號(hào),同正弦波相比,方波可以由石英晶體直接產(chǎn)生,能比較容易的獲得,且有更好的穩(wěn)定度,更重要的是方波只有正負(fù)電平兩個(gè)電壓幅值,這比正弦波的電壓幅值的穩(wěn)定度要好很多。電路如圖6所示,由晶振和分頻器CD4006組成。頻率源產(chǎn)生穩(wěn)定的方波激勵(lì)信號(hào)由耦合電容C11送給探頭繞組。另外,此處選用了高驅(qū)動(dòng)能力、高精度、低噪聲、低溫漂的運(yùn)放TS922,并采用雙電源供電。3.2深度負(fù)反饋和積分濾波電路如圖7所示,其目的是提取出由外電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)所調(diào)制的電信號(hào)。由峰值檢波電路、積分濾波電路放大電路和閉環(huán)反饋電阻等組成。1、2號(hào)端子分別接磁環(huán)繞組的兩根引線,被調(diào)制后的電信號(hào)從1號(hào)端子經(jīng)兩個(gè)對(duì)稱的檢波二極管D1、D2,電阻R1、R2組成的正負(fù)峰差檢波電路,基本濾掉單純由激勵(lì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的正負(fù)上下對(duì)稱的信號(hào),得到由外測(cè)電流磁場(chǎng)被調(diào)制而產(chǎn)生的脈動(dòng)的磁通門信號(hào),再經(jīng)運(yùn)放U1A和C2等組成的積分濾波放大電路處理后,得到平滑的直流磁通門信號(hào)。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力,采用反饋電阻將信號(hào)回饋到探頭的2號(hào)端子,形成深度負(fù)反饋電路,使繞組線圈始終工作在零場(chǎng)狀態(tài)下。最后由U1B和D3組成的鉗位跟隨電路產(chǎn)生最終的輸出信號(hào)。在本電路中,兩個(gè)峰值檢波二極管D1、D2和電阻R1、R2務(wù)必盡量選用一致性較好的器件,否則難于濾掉單純由激勵(lì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的正負(fù)上下對(duì)稱信號(hào),這將嚴(yán)重影響峰值檢波的性能;另外,在濾波積分環(huán)節(jié),尤其要注意積分運(yùn)放U1A和積分電容C2的溫度特性和噪聲特性。設(shè)計(jì)選用低噪聲、低溫漂的TLC2652精密運(yùn)放,一路作為積分濾波用,另一路作為電壓跟隨用。再者,反饋電阻選用高精度、低溫漂電阻,實(shí)際上還負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的增益即系統(tǒng)的的靈敏度。在阻值的選擇上,即不宜過大也不宜過小。過大則達(dá)不到深度負(fù)反饋的目的,太小則無法滿足系統(tǒng)靈敏度要求。4.電流傳感器通入電流的測(cè)量電流傳感器主要關(guān)心分辨力、靈敏度、測(cè)量范圍、溫度特性和穩(wěn)定性等。通過安捷倫公司的6645A電源給電流傳感器通入高精度的電流,改變輸入電流,用萬用表測(cè)量電流傳感器的輸出電壓U0,經(jīng)過試驗(yàn)得到表1的數(shù)據(jù),可以看出靈敏度與理論計(jì)算的誤差在0.5%左右,靈敏度和穩(wěn)定性較好。對(duì)結(jié)果進(jìn)行最小二次擬合,作出試驗(yàn)曲線如圖8所示。5.模擬激勵(lì)電路溫度性能本電流傳感器采用環(huán)形磁芯作為傳感器的磁敏元件,基于峰差法信號(hào)處理電路,由晶振產(chǎn)生激勵(lì)方波,有效改善了傳統(tǒng)RC模擬激勵(lì)電路的溫度性能,