一種新研閉環(huán)大電流傳感器校準(zhǔn)裝置

杜玲玲，唐武忠，曾渭平，張曉勇，曹云飛

(1.中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院，陜西西安710089;2.武漢龍成電氣設(shè)備廠，湖北武漢430074)

0 引言

傳感器是一種將物理量、化學(xué)量、生物量等轉(zhuǎn)換成電信號的器件。其輸出信號有不同形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等。電流傳感器主要用來擴(kuò)大儀表的量限和實現(xiàn)測量儀表與被測電路間的隔離，進(jìn)行電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)的測量。這些參數(shù)的準(zhǔn)確可靠度直接影響試驗的準(zhǔn)確度，而試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，是判定設(shè)計是否滿足要求的重要依據(jù)。為了確保綜合試驗中測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，必須定期對電流傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)［1］。而目前，隨著變頻電源及多電飛機(jī)、全電飛機(jī)的出現(xiàn)及得到廣泛應(yīng)用，300～800 Hz的變頻電源也得到了應(yīng)用。變頻電流的最大特征是電流信號中含有各種頻率成分的頻譜信息，而且其頻率成分比較復(fù)雜，因此準(zhǔn)確測量變頻電流比測量恒頻電流要難得多。并且，綜合試驗中使用的LEM公司霍爾閉環(huán)電流傳感器上限電流已達(dá)到2000 A，而這種變頻、閉環(huán)大電流傳感器，國內(nèi)外無現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)裝置能夠?qū)ζ溥M(jìn)行校準(zhǔn)。本文介紹的新研大電流傳感器校準(zhǔn)裝置能夠解決閉環(huán)大電流傳感器的校準(zhǔn)問題。

1 傳感器工作原理與特點

LEM電流傳感器采用磁補(bǔ)償原理，即原邊電流Ip產(chǎn)生的磁場與副邊線圈電流產(chǎn)生的磁場相平衡。HALL裝置與輔助電路產(chǎn)生副邊磁補(bǔ)償電流，此電流可精準(zhǔn)反映原邊電流［2］。原理圖如圖1所示。

圖1 傳感器工作原理圖

閉環(huán)霍爾電流傳感器有頻帶范圍寬、精度高、響應(yīng)時間快、溫漂小、線性度好及抗干擾能力強(qiáng)等特點。

2 現(xiàn)狀分析

通過對閉環(huán)大電流傳感器精度校準(zhǔn)的現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)開展閉環(huán)大電流傳感器校準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)普遍存在以下問題［3］:

1)校準(zhǔn)耗時長、耗費資源多。需要搭建臨時平臺，用電源、數(shù)字多用表、跨導(dǎo)放大器、標(biāo)準(zhǔn)源等搭建臨時校準(zhǔn)電路，而校準(zhǔn)過程至少需要兩名校準(zhǔn)人員，一位負(fù)責(zé)調(diào)解電流輸出，一位負(fù)責(zé)讀數(shù)和記錄數(shù)據(jù)。

2)測量誤差大。采用對電流傳感器繞線圈等方法完成的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)誤差較大，影響校準(zhǔn)結(jié)果的可信度，使校準(zhǔn)結(jié)果的符合性判斷存在一定風(fēng)險。

3 校準(zhǔn)裝置的技術(shù)指標(biāo)

針對目前閉環(huán)大電流傳感器校準(zhǔn)存在的問題，需要研制一種專用的校準(zhǔn)裝置，以解決大電流傳感器校準(zhǔn)工作中存在的校準(zhǔn)時間長、耗費資源多、人力多、校準(zhǔn)誤差大、可信度低等問題。

該裝置研制需實現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

1)裝置測量電流范圍:0～2000 A;

2)裝置測量頻率范圍:300～800 Hz;

3)整套裝置精度:0.02級。

4 裝置的原理

大電流校準(zhǔn)裝置是由大功率交、直流穩(wěn)流源，交、直流電流比較儀 (以下稱電流比例標(biāo)準(zhǔn))，標(biāo)準(zhǔn)電阻器，高精度數(shù)字多用表，大電流導(dǎo)線及計算機(jī)系統(tǒng)組成。原理框圖如圖2所示。

圖2 校準(zhǔn)裝置原理圖

大電流校準(zhǔn)裝置工作原理:大功率交、直流穩(wěn)流源提供0～2000 A分檔電流，大電流通過被校傳感器以及電流比例標(biāo)準(zhǔn)。其中電流比例標(biāo)準(zhǔn)既作為采樣穩(wěn)流源部件，又作為校準(zhǔn)電流的標(biāo)準(zhǔn)器，當(dāng)大電流變化時，通過電流比例標(biāo)準(zhǔn)把大電流檢測出來后，控制電流源的輸出電流，從而使得大電流達(dá)到穩(wěn)定的目的。將2000 A以下的大電流轉(zhuǎn)換為1 A后通過1 Ω電阻轉(zhuǎn)換為1 V電壓，用高精度數(shù)字多用表電壓檔測1 V電壓，實現(xiàn)大電流傳感器的校準(zhǔn)。計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行傳感器輸出信號的采集、處理與分析，將結(jié)果反饋給交直流穩(wěn)流源，對頻率的信號輸出進(jìn)行微調(diào)，對定點數(shù)據(jù)進(jìn)行采集等，從而實現(xiàn)高精度的傳感器校準(zhǔn)。

5 裝置各部分設(shè)計

閉環(huán)大電流傳感器校準(zhǔn)裝置為一套完備的高精度校準(zhǔn)裝置，解決了2000 A交、直流電流源的控制技術(shù)，電流比例標(biāo)準(zhǔn)的制造技術(shù)，300～800 Hz變頻技術(shù)及計算機(jī)聯(lián)機(jī)功能，使高精度電流源和電流比例標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)結(jié)合。

現(xiàn)將裝置的各部分設(shè)計原理介紹如下。

5.1 大功率交流穩(wěn)流源原理

大功率交流穩(wěn)流標(biāo)準(zhǔn)源原理框圖如圖3所示。

圖3 交流穩(wěn)流標(biāo)準(zhǔn)源原理框圖

5.2 大功率直流穩(wěn)流源原理

大功率直流穩(wěn)流標(biāo)準(zhǔn)源原理框圖如圖4所示。

圖4 直流穩(wěn)流標(biāo)準(zhǔn)源原理框圖

大功率直流穩(wěn)流源工作原理:交流輸入電壓經(jīng)過整流電路濾波后，得到較高直流電壓。“變頻轉(zhuǎn)換”將高壓直流逆變成高頻交流，經(jīng)高頻變壓器變換到次級，再經(jīng)高頻整流濾波得到需要的輸出電壓。控制電路對輸出電壓和輸出電流取樣，閉環(huán)反饋后產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號控制“功率轉(zhuǎn)換”電路，使輸出電壓或電流保持穩(wěn)定。

5.3 交流電流比例標(biāo)準(zhǔn)原理

交流電流比例標(biāo)準(zhǔn)原理圖如圖5所示。

圖5 交流電流比例標(biāo)準(zhǔn)原理圖

交流電流比例標(biāo)準(zhǔn)原理:檢測繞組Nd，檢測主鐵芯的磁通，調(diào)節(jié)二次繞組電流I2，使得主鐵芯的磁通為零。

根據(jù)安培環(huán)路定律有:∫H·dl=∑I

由于檢測繞組電壓為零，有H=0，即∫H·dl=0

式中:N1為一次繞組;N2為二次繞組。

電流與匝數(shù)成反比，把大電流準(zhǔn)確變成小電流。

5.4 直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)原理

直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)原理圖如圖6所示。

圖6 直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)原理圖

直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)原理:直流電流比較儀原理比交流要復(fù)雜一點，但本質(zhì)相同，是通過磁調(diào)器的原理檢測主磁通的直流磁通為零，從而達(dá)到直流安匝平衡。

同樣有:N1×I1=N2×I2

電流比較儀利用負(fù)反饋技術(shù)，使檢測主鐵芯的磁通運行在零磁通狀態(tài)，使電流與匝數(shù)成反比，從而達(dá)到把大電流變成小電流的目的。

5.5 計算機(jī)系統(tǒng)

大電流校準(zhǔn)裝置的計算機(jī)系統(tǒng)能夠控制高精度數(shù)字多用表，實現(xiàn)對定點數(shù)據(jù)的自動采集、存儲等，并將數(shù)據(jù)傳回到計算機(jī)，生成word文檔，完全消除人為誤差。

具有設(shè)備查詢功能，可根據(jù)設(shè)備名稱、編號、校準(zhǔn)日期、檢定員等項目進(jìn)行單項或組合式查詢。還具有自動生成與打印功能，能夠自動生成校準(zhǔn)結(jié)果文件，打印校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)證書、通知書。

該系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)采集界面如下圖7所示。

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面

6 校準(zhǔn)試驗

校準(zhǔn)試驗接線圖如圖11所示。圖中，V1為監(jiān)測用高精度數(shù)表，V2為讀數(shù)的高精度數(shù)表。

圖11 校準(zhǔn)試驗接線圖

電流源:2 kA;

濾波器:2 kA電源濾波器;

電流比例標(biāo)準(zhǔn):2000/1;

被試品:LEM公司電流傳感器，型號為ST1005-S，測量范圍為0～1000 A，技術(shù)指標(biāo)為±0.4%。

校準(zhǔn)試驗按圖11搭建線路后，用直流電源給被校傳感器供電，二次端鏈接負(fù)載，用高精度數(shù)字多用表監(jiān)測電流比例標(biāo)準(zhǔn)提供的相應(yīng)電壓值，用另一臺高精度數(shù)表讀取被校電流傳感器，測量電壓值，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)詳見表1、表2、表3。

根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及誤差結(jié)果可得出本文設(shè)計的大電流校準(zhǔn)裝置符合閉環(huán)大電流傳感器校準(zhǔn)要求。

表1 直流電流校準(zhǔn)數(shù)據(jù) (0～1000 A)

表2 交流電流校準(zhǔn)數(shù)據(jù) (0～1000 A，頻率:400 Hz)

表3 交流電流校準(zhǔn)數(shù)據(jù) (0～1000 A，頻率:800 Hz)

7 結(jié)束語

本文介紹了一套閉環(huán)大電流傳感器校準(zhǔn)裝置的研制，通過使用該閉環(huán)大電流傳感器測試裝置對LEM公司閉環(huán)大電流傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，得出試驗校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及誤差結(jié)果符合閉環(huán)大電流傳感器校準(zhǔn)需求。試驗結(jié)果說明該裝置設(shè)計合理，解決了2000 A交、直流電流源的控制技術(shù)問題及電流源和電流比例標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)結(jié)合在一起的技術(shù)問題，滿足閉環(huán)大電流傳感器的校準(zhǔn)需求。

此閉環(huán)大電流傳感器校準(zhǔn)裝置的成功研制，能夠解決研制、試驗、生產(chǎn)過程中使用的2000 A以下交、直流兩用高精度閉環(huán)大電流傳感器的校準(zhǔn)問題。該套裝置在300～800 Hz頻率下，可以直接讀取閉環(huán)大電流傳感器誤差。該套裝置具有精度高、穩(wěn)定性好、頻率高、可靠性強(qiáng)等特點，還可以用來開展交、直流大電流互感器等大電流測量設(shè)備的校準(zhǔn)工作。但目前該裝置還沒有實現(xiàn)程控自動校準(zhǔn)，未來將不斷完善改進(jìn)。

［1］金海彬，王文海.400 Hz電流互感器檢定裝置及量程溯源系統(tǒng) ［J］.航空計測技術(shù)，2001，21(2):17－22.

［2］李靖，黃紹平，張深基.LEM傳感器在電氣參數(shù)測試中的應(yīng)用［J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報，2004，14(2):12－15.

［3］余英娥.霍爾電流傳感器精度測試的不確定度分析［D］.廣州:華南理工大學(xué)理學(xué)院，2011.