零磁通电流传感器的研制_王伟杰 传感器技术

设计与制造

零磁通电流传感器的研制3

王伟杰,卫　军,赵学增,聂　鹏

(哈尔滨工业大学机电学院,黑龙江哈尔滨150001)

摘　要:对电流传感器的误差进行了分析,研制了一种用于高压电容性设备在线监测的穿心式高准确度微电流传感器。通过单片机系统,对激磁电流进行补偿,使传感器近似工作在“零磁通”状态。测试表明,补偿收到了良好的效果。

关键词:电流传感器;零磁通;补偿;单片机

中图分类号:TP212　　　文献标识码:B　　　文章编号:1000-9787(2003)08-0024-03

Developmentonthecurrenttransducerwithzeroflux

WANGWei2jie,WEI　Jun,ZHAOXue2zeng,NIE　Peng

(CollofElecandMechEngin,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Abstract:Theerrorofthecurrenttransducerisanalyzed.Atypeoflowcurrenttransducerwithcoredstructureandhighaccuracyisdescribedwhichisspeciallydesignedforonlinemonitoringofhighvoltageapparatus.Thecircuitinthetransducercantrackthevariationofmagnetizingcurrentandcompensateitbysinglechipprocessorsystemsautomaticallytoassurethemagneticcoreworkingin“zeroflux”condition.Thetestofthecurrenttransducershowsthatthedesigngetssatisfactoryresults.

Keywords:currenttransducer;zeroflux;compensation;singlechipprocessor

0　引　言式中　E1,E2为一次绕组、二次绕组感应电势;

　I1,I2,为一次绕组、二次绕组电流;　N1,N2为一次绕组、二次绕组的匝数。理想电流传感器的电流比为K=

I1N2=.I2N1

测量用的传感器及其测试仪器是经典的电工仪器,发展至今约有一个世纪。随着生产技术的发展,一方面对传感器提出各种新的要求,另一方面新材料新技术提高了传感器的性能。在电力设备状

μA,mA级)传感器应用越来态监测技术中,微电流(

越广泛。单匝穿心式微电流传感器由于其原副边隔离,对设备接线无影响等特点,成为高压电容性设备在线监测用电流传感器的首选。对于此种电流传感器,要求其准确度高,有良好的抗电磁干扰能力和长时间的稳定性,因此,选择正确的误差补偿方法是问题的关键。

1　电流传感器的误差分析及补偿方法

[1]

这就是电流传感器计算的基本公式。可由上式计算电流比和一次绕组、二次绕组匝数。还可得出

I1N1=I2N2.

电流与匝数的积,称安匝数,单位安匝。电流传感器一次绕组安匝数等于二次绕组安匝数。但实际上电流传感器在工作中不可避免有能量的损失。电流传感器误差的主要原因在于激磁电流也即激磁安匝的存在。要使二次绕组产生电流,必须要有激磁电流I0来激磁才产生感应电势,从而产生电流。激磁电流由一次绕组提供。激磁电流I0与一次绕组匝数N1的积I0N1,叫激磁安匝或激磁磁动势。就是一次绕组安匝I1N1要扣除激磁安匝I0N1才传递到二次绕组,这时误差产生

[2]

了。I0N1所引起的误差,通常表示为

对于理想电流传感器,电流传感器的铁心如果不消耗能量,那么一次绕组的能量全部传递到二次绕组。则有

E1I1=E2I2,E1N1=,E2N2

收稿日期:2003-02-24

3基金项目:黑龙江省电力局科技攻关项目(200175)

第8期　　　　　　　　　　　　　　　王伟杰等:零磁通电流传感器的研制　　　　　　　　　　　　　　　　　　25

ε=-　　

I0N1=f+jδ,I1N1

化,为系统提供反馈的电压信号。单片机系统输出的补偿电流I3通过补偿绕组N3产生激磁动势。使I0降至极低,达到近似“零磁通”的效果。

式中　f称为比差,用百分值表示为

f=

I2Kn-I1I2×100%=(Kn-1)×100%,

I1I1

Kn=I1/I2,称为额定变化;

δ称为角差,是指次级安匝I2N2逆时针旋转180°,超前I1N1的为正角差,反之为负角差。

降低电流传感器误差的方法,无不基于减小或相当于减小激磁电流而设计。传统的误差补偿方法主要是无源补偿,包括匝数补偿、辅助铁心补偿、电容补偿。这些方法,作为电流传感器的自补偿方法,只有在特定的情况下,才能得到有效的补偿,存在很大的局限性。使用简单的补偿方法只能补偿一部分误差。如匝数补偿只对比差起到补偿作用,补偿量与二次负荷和电流大小无关。补偿匝数一般只有几匝,匝数补偿应计算电流低端二次阻抗最大时,和电流高端二次阻抗最小时的误差。对于高准确度的微型电流传感器匝数补偿即使只补偿1匝,就会补偿过量。这时可以采用半匝或分数匝补偿。但是电流传感器的匝数是以通过铁心窗口的封闭回路计算的,是一匝一匝计算的,不存在半匝的情况。补偿准确度不够高,只适用于0.5级传感器。要想提高准确度必须采用辅助手段如:双绕组、双铁心等,会导致接线及补偿工艺复杂,调整不方便或根本不可能调整。用于大规模提高运行中传感器准确度,不太可行。随着电子技术的发展,对传感器的误差进行有源补偿,可以很大程度上克服无源补偿的缺点。经过有源电子补偿的传感器具有容量大、电流特性和负载特性平坦、准确度高、补偿工艺简单和安装调整方便等优点。2　零磁通电流传感器设计2.1　零磁通电流传感器补偿原理

图1　零磁通电流传感器原理图Fig1　Principlediagramofthezerofluxcurrenttransducer

　　补偿前,由于激磁安匝I0N1的存在,磁动势平衡方程为

I1N1+I2N2=I0N1,

补偿后,磁动势平衡方程为

I1N1+I′2N2+I3N3=I′0N1,

式中　I′2=I2+I″2,其中I″2为I3在二次侧感应电流。调节I3,即调整I″2的大小和相位,使磁动势平衡方程为

I′2N2=-I1N1,I3N3=I′0N1.

此时N1和N2构成一个无激磁误差的零磁通电流传感器,即

I1N1=-I2N2.

补偿后的向量见图2。

电流传感器的误差很大程度上来自激磁电流

I0,在I0=0所谓“零磁通”状态下无角差、比差,然

图2　补偿后磁动势的向量图

Fig2　Vectordiagramofmagnetomotiveforcecompensated

　　图中向量均为磁动势。可见,原角差为δ,补偿后I2N2变为I′2N2,I1N1与I′2N2处于同一直线,角差δ和比差f为0。2.2　电源的解决

而它是理想化的,如无I0,则铁心中无磁通,一、二次能量无法传递,电流传感器不能工作。但正确选择补偿方法可将铁心中磁通降到极低的近似“零磁通”的状态,使电流传感器达到非常高的准确度

基于双级电流传感器原理

[4]

[2,3]

。

由于24h不间断检测,如从高压线路的导线取能,则存在绝缘和电源干扰问题,本系统以太阳能电池对蓄电池浮充的供电。采用各种降功耗措施后,整机平均功耗电流低于3mA,采用6V,4Ah蓄电池供电,加上8.1V,2W太阳能板后,可保证其常年正常运行。

设计了零磁通电

流传感器补偿结构。其原理如图1。

图中T1,T2为工作、辅助磁心,且在普通电流传感器基础上增设了检测绕组N0和补偿绕组N3。检测绕组N0检测T1中磁通密度,动态跟踪I0的变

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　传感器技术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第22卷　26

2.3　铁心材料的选择

表2　比差和角差的实验数据

Tab2　Experimentdataoftheratioerrorsandphasedisplacements

铁基纳米晶合金具有以下特性:饱和磁感应强度介于硅钢片和坡莫合金之间,有利于减少仪表的保安系数;高的磁导率,大大提高传感器准确度,减少比差;质量轻、成本低,价格明显低于坡莫合金,而且可在-55～130℃长时间工作。因此选用铁基纳米晶合金作为传感器的铁心材料。铁基纳米晶合金与坡莫合金及硅钢片磁性能数据对比如表1[5]。

表1　电流传感器铁心常用软磁材料典型参数比较

Tab1　Comparisonofthesoftmagnetismmaterial’stypical

parametersofthecurrenttransducer

基本参数额定电流IN(%)比差f(%)角差δ(’)

10-0.1511.2

20

数　　　　据

50-0.018.0

1000.016.8

1200.027.1

-0.099.5

　　从表2可以看出,传感器的准确度达到了国家

标准(GB1208-1997)0.2级电流传感器的准确度,完全符合工程对电流传感器的设计要求。4　结　论

运用单片机系统动态跟踪补偿激磁电流,使传感器近似工作在“零磁通”状态,可大幅度提高传感器的准确度和检测范围,具有广阔的应用前景。参考文献:

[1]　赵英俊,杨克冲,杨叔子.非晶态合金传感器技术与应用[M].

基本参数饱和磁感应强度(T)初始磁导率

(μH・m

-1

铁基纳米晶合金

1.25

坡莫合金(IJ85)

0.75硅钢片

2.0)

(4～8)×104(5～8)×104～103

武汉:华中理工大学出版社,1998,(3):1-13.

[2]　宋婀娜,程彦华,张海宁.电流互感器的误差分析及其应用技术

>4×107407.650.90.3

4

最大磁导率

(μH・m-1))居里温度(℃

>20×105707.25>0.7

4

>20×104008.750.90.15

4

[J].煤炭技术,1999,(8):14-16.

[3]　单平,罗勇芬,李彦明,等.高精度微电流传感器[J].高电压技

术,2002,(5):28-29.

[4]　鲍海,艾欣,杨以涵.双级零磁通电流互感器状态反馈控制研究

[J].电工技术学报,2000,(4):12-15.

[5]　李静,沙玉洲,张有和.测量用电流互感器仪表保安系数的计算

密度(g/cm3)叠片系数厚度(mm)

0.025～0.035

3　电流传感器实验数据分析

和控制[J].变压器,2002,(10):7-9.

利用本文所述的方法制成的传感器,经过实验

测得的数据见表2。(上接第23页)

作者简介:

王伟杰(1963-),男,黑龙江省哈尔滨人,副教授,硕士生导师,多年来一直从事测控与传感技术方向的研究。

5　结束语

酒样本将得到一个‘3×50’的数据矩阵,其中‘3’表示

3个传感器‘,50’表示该传感器采集的数据点数。

为了提高系统的分类辨识效果,采用自组织特征映射神经网络(self2organizationfeaturemappingnetwork,也称Kohonen算法[3])对样本数据分析,同时为了消除或降低各种干扰对传感器输出的影响,采用下式所示归一化方法对原始数据进行阵列归一化处理,把经过下式处理过的阵列响应作为神经网络模式识别系统的实际输入,即

ΣGi,j

χij=

(j=1,2,…,n)(i=1,2,3).・

max|Gi,j|

从350℃开始,每间隔5℃取1个数据点,共Gi,j-j=1n

硬件系统的高度自动化设计将简化系统软件设计,增加应用的便捷性。同时,高性能集成气体传感器阵列及有效信号提取设计电路,提高了测量的准确性、减少干扰,有效提高后续气体及其气味的定量定性识别准确度。文中介绍的气体监测系统结合相应的应用软件可广泛用于气体泄漏检测、环境气体监测及食品监测等场合。

致谢:作者衷心感谢德国JenasensoricE.V对本文工作给予的帮助。参考文献:

[1]　王　磊,曲建岭,杨建华.发展中的电子鼻技术[J].测控技术,

1999,18:8-10.

[2]　王　祁,聂　伟,谢声斌.基于信息融合技术的气体识别方法的

n10个数据点一组作为训练样本,对网络进行训练,

研究[J].机器人,1999,21:288-293.

[3]　袁曾任.人工神经网络及其应用[M].北京:清华大学出版社,

1999.39-41.

然后分别从351,352,353,354℃开始,每间隔5℃取

1个数据点形成的4组数据组作为验证分析样本,对系统的分类辨识效果验证。结果表明,该系统可有效的识别5种葡萄酒样本,且识别率达100%。

作者简介:

杨建华(1967-),女,山西长治人,副教授,博士。主要从事计算机测量与控制、气体与光学传感器等方面的研究工作。