一種具有交叉纏繞激勵繞組的磁通門電流傳感器

楊曉光,金雙雙,高靈虎,徐林亮,高麗敬

(河北工業大學省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室,天津 300130)

隨著電力電子技術的發展,對電流傳感器性能的要求不斷提高,從而使得電流傳感器迅速發展。電力電子裝備中需要測量的電流形式多種多樣,有不同的波形、頻率和測量范圍。針對不同的電流形式,需要不同類型的檢測方法和電流傳感器。目前已經報道了很多新的電流檢測方法和新型結構的電流傳感器[1-2]。電流檢測技術和方法可分為非隔離式與電隔離式兩種。非隔離式主要是指分流電阻;電隔離式主要包括電流互感器、霍爾電流傳感器、羅氏線圈、巨磁阻電流傳感器以及磁通門電流傳感器等[3-7]。其中磁通門技術基于檢測磁路的飽和特性而設計,具有低溫漂、低漂移、高精度及高靈敏度等優勢[8]。

國際上已經公開了磁通門電流傳感器的各種結構和檢測方法:Guillermo Velasco-Quesada等人設計了一種包含3個磁芯的磁通門電流傳感器,設計了功率轉換器以減小功耗。Eyal Weiss等人設計了一種正交磁通門電流傳感器,減小了磁通門的噪聲。Piotr Frydrych等人介紹了一種小型雙軸磁通門電流傳感器,進一步實現了磁通門傳感器的小型化[10]。龐娜等人通過對激勵源幅值位置的時間變化進行測量,提高了測量精度和靈敏度[11]。Wang Nong等人為實現直流大電流測量引入了自激振蕩式半數字化磁通門電流傳感器,這一功能的實現主要依靠磁通門開環原理,應用微控制器對激勵電壓的占空比進行測量[12]。

磁通門電流傳感器容易受到激勵源帶來的外界磁場的干擾。Guillermo Velasco-Quesada等人采用激勵繞組差分的形式,減小激勵源帶來的外界磁場的干擾。由于變壓器效應,高頻激勵源會耦合到反饋繞組和原邊繞組中對磁通門傳感器產生噪聲干擾[1,13-14]。為了降低外部磁場和內部磁場造成的干擾,磁通門電流傳感器可以使用額外的磁芯和額外的線圈[13-14],或者繞組采用正交分布[15]。

前期工作中我們采用聚磁芯或者U型聚磁殼來降低外界磁場干擾[16-18];采用激勵繞組與被測繞組、感應繞組纏繞的方向垂直的方法消除激勵電壓引起的噪音[1]。

本文提出了一種激勵繞組具有交叉纏繞結構的磁通門電流傳感器。該纏繞方式有利于降低激勵源耦合到反饋繞組和原邊繞組的噪聲,提高傳感器的測量精度與靈敏度。

1 電流傳感器的結構與工作原理

新型的電流傳感器探頭結構如圖1所示。該電流傳感器包括兩個完全相同的環形磁芯C1和C2,磁芯的材料選用鐵基納米晶,磁導率高且容易飽和。Wp、Wf和We分別表示原邊繞組、反饋繞組和激勵繞組。原邊繞組WP穿過磁環中心軸;激勵繞組We在C1和C2之間均勻的交叉纏繞;反饋繞組Wf均勻纏繞在兩個環形磁芯C1和C2上。Np(通常為1)、Nf和Ne分別代表它們的匝數。原邊電流Ip在磁芯C1和C2中產生的總磁通為Φp;反饋補償電流If在磁芯C1和C2中產生的總磁通為Φf;激勵電流Ie在磁芯C1和C2中分別產生大小相等方向相反的磁通Φe1和Φe2。

圖1 磁芯和繞組的結構

圖2 電流傳感器的工作原理

新型電流傳感器采用閉環零磁通原理。當該電流傳感器工作時,高導磁率的磁芯C1和C2在交變激勵下往復磁化,呈現周期性飽和與不飽和狀態。傳感器的工作過程如圖2所示。

新型電流傳感器工作過程概括如下:方波發生器產生的方波激勵電壓加載到激勵繞組上,同時激勵繞組和采樣電阻Rs串聯。當不存在外部磁場,即原邊被測電流Ip=0時,采樣電阻Rs上的波形是正負對稱的;當存在外部磁場,即原邊被測電流Ip≠0時,Ip產生的磁場使磁芯在前、后半周期內不同時達到飽和,使得采樣電阻Rs上的波形在整個周期內正負半波不再對稱。該采樣電阻上的電流經過積分器,輸出一個非零的信號,非零信號經過H橋驅動電路,輸出反饋電流If到二次反饋繞組上。反饋電流在磁芯中感應出的磁通和被測電流在磁芯中感應出的磁通方向相反。調整二次反饋電流If,直到If產生的磁通Φf和Ip產生的磁通Φp大小相等,方向相反,二次反饋電流不再增大,整個系統達到零磁通狀態。二次反饋繞組同時和檢測電阻Rm串聯,當達到零磁通的狀態即滿足Φp+Φf=0時,被測電流和反饋電流存在比例關系Ip=-Nf*If/Np。

對于傳統的磁通門電流傳感器,方波電壓加載到激勵繞組上并且使磁芯交替處于飽和與不飽和狀態。但是互感器效應會在傳感器的繞組之間產生,也就是說,激勵繞組產生的磁場能夠耦合到反饋繞組和原邊繞組上。

如圖1所示,在本文提出的新型的繞組結構中,激勵電流Ie在磁芯C1和C2中分別產生大小相等方向相反的磁通Φe1和Φe2,激勵電流耦合到反饋繞組和原邊繞組上的磁通為零;在激勵繞組和反饋繞組之間、激勵繞組和原邊繞組之間的互感器效應降低。此外,磁芯C2對外界磁場干擾起到屏蔽的效果。

圖3 激勵繞組的兩種結構

2 交叉繞組結構的分析

為了分析激勵繞組不同纏繞結構的影響,采用有限元法對兩種不同的纏繞方式進行仿真,對于復雜的傳感器來再說,定量的分析激勵源耦合到反饋繞組和原邊繞組的噪聲比較困難。為了驗證本文提出的纏繞結構的效果,一個簡化的三維模型是被建立的,模型如圖3所示。

激勵繞組和反饋繞組各為2匝和1匝。仿真分析中,激勵電流幅值為1.5 A,頻率為1 kHz。

以反饋繞組的橫截面為觀察面,橫截面上感應出的電流密度分布如圖4所示,經過計算,具有傳統纏繞結構的傳感器的反饋繞組感應出的電流大約為5.63 mA;具有交叉纏繞結構的傳感器的反饋繞組感應出的電流大約為0.78 mA。仿真結果表明,激勵繞組采用本文提出的交叉纏繞方式,可以極大減少激勵繞組對反饋繞組的耦合影響;同理也能減小激勵繞組對原邊繞組的耦合影響,降低傳感器的噪聲,有利于提高傳感器的分辨率和測量精度。

圖4 反饋繞組電流密度分布

3 仿真與實驗

基于理論和仿真的分析,設計制作了實驗樣機。工作在磁通門原理下的磁芯要求磁導率高,通過理論分析和仿真實驗,磁通門檢測原理的磁芯選用德國VAC公司的納米晶磁芯“T60006-L2045-V102”。磁滯損耗小,飽和磁感應強度為1.2 T,磁芯的平均磁路長度和磁芯的橫截面積分別為11.8 cm和0.855 cm2,內徑為30 mm、外徑為45 mm和高為15 mm。所用環形磁芯的B-H曲線如圖5所示。

圖5 磁芯的B-H曲線

采用的方波激勵電壓幅值為12 V,頻率為1 kHz,通過仿真分析不同被測電流情況下的激勵電流波形。當被測電流Ip=0 A時,采樣電阻Rs上的電壓波形如圖6(a)所示;當被測電流Ip非零的時候,仿真結果顯示采樣電阻上的電壓波形在一個周期是不對稱的。作為一個例子,當Ip=5 A時,采樣電阻上的電壓波形如圖6(b)所示。對比圖6(a)和圖6(b),可以看出,被測電流對激勵電壓有影響:①當被測電流為零的時候電阻Rs上的電壓的波形是對稱的,也就是說激勵繞組上的電流經過積分后為零。②當被測電流非零的時候,電阻Rs上的電壓的波形是不對稱的,也就是說激勵繞組上的電流積分后不是零,激勵繞組電壓波形取決于被測電流的數值和方向。

圖6 采樣電阻電壓波形

實驗設備包含功率分析儀PA3000、電流探頭CT-200-5和電壓探頭P6139B與本文所設計的傳感器樣機。①當原邊被測電流Ip=0 A時,采樣電阻上的電壓波形如圖7(a)所示;②當原邊被測電流Ip=5 A時,采樣電阻上的電壓波形如圖7(b)所示。將實驗結果圖7(a)、圖7(b)和仿真結果圖6(a)、圖6(b)進行對比,可以看出實驗結果和仿真結果具有很好的一致性。

圖7 采樣電阻電壓波形

將具有傳統纏繞結構激勵繞組的電流傳感器與具有交叉纏繞結構激勵繞組的電流傳感器進行對比實驗,被測直流變化范圍0～30 A。實驗結果如圖8所示,測試結果表明:交叉結構能夠提高傳感器輸出的靈敏度。

圖8 傳感器輸入輸出特性曲線

磁滯效應會影響電流傳感器的測量精度,為了分析磁滯現象對電流傳感器的影響,本文進行了4組實驗:

實驗1:激勵繞組為交叉纏繞結構,測試電流從0到30 A變化。

實驗2:激勵繞組為交叉纏繞結構,測試電流從30 A到0變化。

實驗3:激勵繞組為傳統纏繞結構,測試電流從0到30 A變化。

實驗4:激勵繞組為傳統纏繞結構,測試電流從30 A 到0變化。測試結果如圖9所示,測試結果表明,采用交叉纏繞結構也能減少磁滯效應帶來的誤差。

圖9 磁滯現象對傳感器影響

對本文設計的交叉結構激勵繞組的電流傳感器在0～30 A進行測試,可以得到測量結果的相對誤差曲線,如圖10所示。可以看出,電流測量的相對誤差在0.4%以下。

圖10 新型電流傳感器的相對誤差

4 結論

激勵繞組采用交叉纏繞結構可以極大減少激勵繞組對反饋繞組與原邊繞組的耦合影響,該結構也能降低磁滯效應帶來的誤差,有利于降低傳感器的噪聲和提高傳感器的分辨率和測量精度。

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