電磁攪拌漏電流檢測系統設計與應用

汪 亮，任 馳，余燕燕，鄒志強，袁 鵬

（湖南中科電氣股份有限公司，岳陽414000）

電磁攪拌（electromagnetic stirring，EMS）實質是借助在鑄坯液相穴中感生的電磁力，強化鋼水的運動。具體地說，攪拌器激發的交變磁場滲透到鑄坯的鋼水內，就在其中感應起電流，該感應電流與當地磁場相互作用產生電磁力，電磁力是體積力，作用在鋼水體積元上，從而能推動鋼水運動[1]。根據電磁攪拌器在鑄機冶金長度上的不同安裝位置大致有以下幾種模式：結晶器電磁攪拌、二冷區電磁攪拌和凝固末端電磁攪拌[2]。電磁攪拌裝置主要由給電磁感應器提供低頻電源的專用變頻電源，產生電磁場的電磁感應器， 冷卻電磁感應器的冷卻水路3部分組成[3]。為了滿足電磁攪拌裝置用電安全的要求，保證電磁攪拌裝置運行穩定以及延長電磁攪拌裝置的使用壽命，電磁攪拌裝置設計有漏電流檢測系統。電磁攪拌變頻電源和電磁攪拌器因出現絕緣損壞時而發生漏電現象不僅極易導致技術人員觸電危險或電源系統短路故障發生[4-5]，而且漏電現象還會影響電源攪拌變頻電源系統中控制系統等弱電系統的穩定性和可靠性，因此準確的漏電流大小在線測量和監控對電磁攪拌裝置系統安全、可靠以及穩定地運行具有重大的意義[6]。

目前漏電流大小測量比較常用的方法具有以下幾種：①在電磁攪拌電源系統的供電進線處安裝漏電斷路器，當瞬時漏電流達到一定的閾值，斷開電源系統的供電斷路器。電磁攪拌專用變頻電源盡管輸出1～16 Hz 的低頻電源， 但為了控制電磁攪拌電源輸出電源的質量， 仍然采用高頻SPWM 或SVPWM 載波來調制，如專利CN 102368606A 中所述高頻電源和電源所帶負載都對大地之間存在著寄生電容，高頻SPWM 或SVPWM 載波經寄生電容會產生高頻成分的漏電流流向大地，從而引起漏電斷路器誤動作[7]。②中國專利CN 204167875 U 提出了一種采用電壓傳感器測量直流母線電壓紋波電壓成分大小來判斷漏電流的大小，因為直流母線電壓紋波有效值成分只占直流母線電壓平均值很小一部分，所以該專利中提出的方法很難保證漏電流測量精度[8]。③中國專利CN 102368606 U 中提出采用附加直流電源檢測的方法，采用模擬電路設計，并且經過電阻分壓和低通濾波器濾波等處理后再采樣，該方法盡管具有保護全面即對地電容電流補償、動作值整定簡單的特點，但該方法采樣電路需要與強電直接接觸，具有容易對檢測回路造成電磁干擾的缺陷，從而引起漏電檢測誤動作，同時因為電磁攪拌變頻電源輸出的為低頻電源，低頻信號和漏電流檢測直流信號非常接近，往往采用截止頻率很低的低通濾波器進行濾波，該濾波器對漏電流的有效信號也會進行衰減， 造成漏電流檢測誤差，而且截止頻率很低的低通濾波器會降低漏電流的檢測響應速度[9]。同時上述幾種方法都存在一個缺陷，即未能分別對電磁攪拌電源系統和電磁攪拌器分別在線進行漏電流絕緣狀況監測，只能監測整個系統裝置的絕緣狀況，一旦出現絕緣損壞，很難定位到底是電磁攪拌電源絕緣損壞還是電磁攪拌器絕緣損壞。

本文在前人研究設計應用的基礎上，利用寧波浩恒機電科技有限公司的型號為CHH10-501 額定測量電流為10 A 的基于磁通門原理的漏電流傳感器為核心，利用該傳感器檢測精度高、響應速度快、能源消耗低以及測量弱磁場范圍寬的特點，設計了一種適合電磁攪拌系統裝置的漏電流大小在線測量系統。

1 磁通門技術漏電流傳感器原理

磁通門電流傳感器工作原理是基于鐵芯材料的非線性磁化特性，其敏感元件為高磁導率、容易飽和材料制成的鐵芯， 有兩個繞組圍繞該鐵芯：一個是激勵線圈，另一個為信號線圈。在交變磁場激勵信號的磁化作用下，鐵芯的導磁率特性發生周期性飽和與非飽和的變化，從而使圍繞在鐵芯上的感應線圈感應出反應外界磁場的信號。如圖1所示，對激勵線圈加以角頻率為ω 的正弦激勵電流，產生激勵磁場He=Hm·sin ωt（Hm為激勵磁場強度幅值），所測環境磁場強度為H0，則可以推導出磁芯內部磁感應強度B，以及信號線圈中產生的感應電動勢U0，公式為

圖1 磁通門漏電流傳感器工作原理Fig.1 Principle of fluxgate leakage current sensor

因為磁通門傳感器是利用被測磁場中高導磁率磁芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應強度與磁場強度的非線性關系來測量弱磁場的。這種物理現象對被測環境磁場來說好像是一道門，通過這道門，相應的磁通量即被調制，并產生感應電動勢。利用這種現象來測量電流所產生的磁場，從而間接的達到測量電流的目的。如圖2所示，磁通門輸出有效信號中只含有激勵信號的偶次諧波，并且其中二次諧波分量幅值最大；磁通門輸出噪聲信號中只含有其奇次諧波， 而且幅值最大的是基波和三次諧波。噪聲信號中幅值最大的兩種諧波分量分布在磁通門有效輸出信號幅度最大的二次諧波的兩側。因此，磁通門漏電流往往采用二次諧波法能夠有效消除磁通門輸出的噪聲信號，二次諧波檢測法原理如圖3所示。

圖2 磁芯磁感應強度隨磁場強度變化曲線Fig.2 Magnetic induction intensity of magnetic core varies with magnetic field intensity

圖3 二次諧波檢測法原理圖Fig.3 Second harmonic detection method schematic diagram

2 漏電流檢測系統設計

2.1 方案設計

基于磁通門技術電磁攪拌漏電流檢測系統如圖4所示，在電磁攪拌專用變頻電源的主電源進線處安裝1 個1# 基于磁通門技術型號為CHH10-501漏電流傳感器，用于檢測電磁攪拌專用變頻電源和電磁攪拌器兩者總漏電流大小；在電磁攪拌專用變頻電源的出線處安裝1 個2# 基于磁通門技術型號為CHH10-501 漏電流傳感器，用于檢測電磁攪拌器線圈的漏電流大小；2# 漏電流傳感器輸出的漏電流模擬信號經信號處理單元后送入微處理器的2#ADC 模擬采樣通道，用于微處理器實時判斷電磁攪拌器線圈的絕緣狀況； 將1# 漏電流傳感器輸出的信號經1# 數據信號處理單元后的模擬值減去2#漏電流傳感器輸出的信號經2# 數據信號處理單元后的模擬值再送入微處理器1#ADC 模擬采樣通道，用于微處理器實時判斷電磁攪拌專用變頻電源漏電流的大小。

圖4 電磁攪拌漏電流檢測方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of electromagnetic stirring leakage current detection scheme

2.2 電磁攪拌漏電流檢測系統組成

電磁攪拌漏電流檢測系統如圖5所示。1# 型號為CHH10-501 的漏電流傳感器和2# 型號為CHH10-501 的漏電流傳感器分別檢測電磁攪拌變頻電源的進線處電流的矢量和以及電磁攪拌變頻電源的出線處矢量和。漏電流傳感器原邊矢量額定測量電流為10 A， 原副邊匝比為1∶1000；1# 采集單元、1# 數據信號處理單元和2# 采集單元、2# 數據信號處理單元以及微處理器全部集成在電磁攪拌變頻電源的核心控制板。

圖5 電磁攪拌漏電流檢測系統框圖Fig.5 Block diagram of electromagnetic stirring leakage current detection system

2.3 硬件電路設計

漏電流傳感器輸出的電流信號，在核心控制板首先經I/V 轉換電路， 將電流信號經電阻R100 和R200 轉換為電壓信號，再經雙運放全波整流電路將交流信號整成脈沖直流，再經積分濾波電路濾成平滑直流電壓信號，2# 平滑直流信號直接送至微處理器的2#ADC 采樣通道，平滑電壓信號大小代表電磁攪拌器線圈漏電流大小，1# 平滑直流電壓信號和2# 平滑直流電壓信號經硬件電路差分減法電路后送至1#ADC 采樣通道，此平滑電壓信號差值大小代表電磁攪拌專用變頻電源的漏電流大小，采樣電路和信號處理單元電路如圖6所示。

圖6 采樣電路和信號處理單元電路Fig.6 Sampling circuit and signal processing unit circuit

圖中R108，C101 以及R208，C201 組成低通積分濾波器， 取電阻R108，R208 的阻值為10 kΩ，電容C101，C201 的容值為33 μF， 這樣經計算截止頻率為運算放大器U301，U302，U303 和電阻R301，R302，R303，R304 組成差分放大器， 運算放大器U301，U302 為電壓跟隨器，用于增強帶負載能力。運算放大器U102，U103，電阻R101，R102，R103，R104，R105，R106，R107 以及D101為雙運放的全波整流電路，同樣運算放大器U202，U203，電阻R201，R202，R203，R204，R205，R206，R207 以及D201 也為雙運放的全波整流電路，電阻R100 和電阻R200 為電阻阻值為300 Ω 的采樣電阻， 漏電流傳感器CHH10-501 輸出的0～10 mA 的電流信號經電阻R100 和R200 轉換為0～3 V 的電壓信號。

3 試驗驗證

本文采用主電路方案進行漏電流測試驗證試驗，S1 和R3 用于模擬電磁攪拌專用變頻電源的絕緣狀況漏電流大小測量試驗，S2 和R4 用于模擬電磁攪拌器的絕緣狀況漏電流大小測量試驗。試驗中的供電變壓器為三相380VAC， 經整流后濾波成平滑直流為Udc=380 V×1.414≈540 V， 當電磁攪拌系統裝置正常工作時，取電阻R3 和R4 分別為200 Ω和100 Ω 時，以及分別單獨合閘上S1 開關、單獨合閘合上S2 開關和S1，S2 全部都合閘上， 用示波器測量核心控制器上Vout1-Vout2和Vout2上的模擬電壓值大小，示波器測量值如表1所示，漏電流大小測試試驗原理如圖7所示，S1 合閘時流經R3 的電流波形如圖8所示，S2 合閘時流經R4 的電流波形如圖9所示，變頻電源實際運行時合閘S1，S2 觸摸屏上顯示的漏電流大小如圖10所示。

圖7 漏電流大小測試試驗原理圖Fig.7 Leakage current size test schematic diagram

圖8 S1 合閘時流經R3 的電流波形Fig.8 Waveform of current flowing through R3 when S1 is closed

圖9 S2 合閘時流經R4 的電流波形Fig.9 Waveform of current flowing through R4 when S2 is closed

圖10 變頻電源實際運行時合閘S1 和S2 觸摸屏上顯示的漏電流大小Fig.10 Waveform of actual leakage current displayed on the touch screen when S1 and S2 is closed

表1 不同開關狀態時1#ADC 和2#ADC 采集電壓大小Tab.1 Acquisition voltage of 1#ADC and 2#ADC under different switching states

4 結語

本漏電流檢測系統采用基于磁通門技術的漏電流傳感器測量電磁攪拌器系統裝置的漏電流大小，大大提高了漏電流測量系統的精度，并采用硬件減法電路來區分電磁攪拌專用變頻電源和電磁攪拌器各自的漏電流大小，能夠快速準確地判斷整個電磁攪拌系統裝置各個部分的絕緣狀況。通過試驗結果表明， 本電磁攪拌漏電流檢測系統測量精度、穩定性等都達到了預期的設計要求，具有成本低廉、調試方便的優勢，并且成功地應用在湖南中科電氣股份有限公司的第五代電磁攪拌專用變頻電源的核心控制板上，在電磁攪拌領域具有相當大的實際工程應用價值。