王 文,吝伶艷,喬記平,宋建成

(太原理工大學(xué)礦用智能電器技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

基于Simulink的零磁通微電流傳感器的仿真與實(shí)驗(yàn)*

王 文,吝伶艷*,喬記平,宋建成

(太原理工大學(xué)礦用智能電器技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

根據(jù)零磁通補(bǔ)償原理,基于Simulink平臺建立了帶有零磁通補(bǔ)償?shù)奈㈦娏鱾鞲衅髂Ｐ?。為了快速?zhǔn)確地補(bǔ)償微電流傳感器的誤差,提高微電流傳感器的測量精度。該模型中的補(bǔ)償單元采用有源與無源相結(jié)合的方法對對輸出電流進(jìn)行相位和幅值補(bǔ)償。通過對仿真結(jié)果的分析,證明了該模型的正確性和有效性。并根據(jù)模型研制出了一種零磁通微電流傳感器,對其誤差進(jìn)行測量。結(jié)果表明利用該補(bǔ)償方法時電流傳感器在測量微安級到毫安級的工頻電流時準(zhǔn)確度可達(dá)到0.2級,且補(bǔ)償方式方便快捷。

微電流傳感器;零磁通;有源補(bǔ)償;無源補(bǔ)償;

高精度微電流傳感器是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)在線監(jiān)測的重要工具,是整個在線監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分,擔(dān)負(fù)著采集信號的任務(wù)。因?yàn)樾枰獪y量的泄漏電流數(shù)量級均在幾微安到幾十微安,普通的小電流傳感器難以滿足需求。所以,研制一種高精度的,靈敏度好的,適用于強(qiáng)電磁場環(huán)境下的微電流傳感器對電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測具有重要意義[1]。

目前已研制出的電流傳感器雖然精度及靈敏度都有了很大的提高,但是仍舊無法準(zhǔn)確測量微安級的泄漏電流。基于零磁通原理的電流傳感器可以通過各種補(bǔ)償手段減小測量誤差,適合用于測量微安級工頻電流。通常帶有零磁通補(bǔ)償?shù)碾娏鱾鞲衅髟诮Y(jié)構(gòu)上分為雙級磁芯結(jié)構(gòu)和單磁芯結(jié)構(gòu)[2],單磁芯結(jié)構(gòu)的零磁通電流傳感器結(jié)構(gòu)簡單,方便實(shí)現(xiàn),但是補(bǔ)償精度低于雙級磁芯結(jié)構(gòu)的電流傳感器。國內(nèi)外學(xué)者主要致力于加入不同的補(bǔ)償方法以提高測量精度。如Slomovitz等人研制的電流傳感器采用單磁芯結(jié)構(gòu),利用電子電路使得補(bǔ)償?shù)碾娏鬟_(dá)到自校準(zhǔn)狀態(tài)以減小誤差[3],該傳感器可以測量10 A到100 mA的低頻電流,準(zhǔn)確度為0.5級。Aleksandrs Dolgicers在雙級磁芯的電流傳感器結(jié)構(gòu)上加入微處理器,通過建立模型對磁芯的動態(tài)磁滯曲線進(jìn)行預(yù)測[4-5],從而提高測量靈敏度。但是由于軟件的參與和A/D轉(zhuǎn)換誤差,實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜,在測量微安級工頻交流時補(bǔ)償精度不高。因此研究基于零磁通原理的補(bǔ)償方法對于提高微電流傳感器的測量精度以及補(bǔ)償速度至關(guān)重要。

本文利用 MATLAB軟件中的動態(tài)仿真工具 Simulink 軟件包建立零磁通電流傳感器模型,對微電流傳感器的補(bǔ)償方法進(jìn)行仿真分析,將電子電路的有源補(bǔ)償方式與補(bǔ)償繞組并聯(lián)電容的無源補(bǔ)償方式結(jié)合以達(dá)到“零磁通”狀態(tài)。并根據(jù)上述模型研制了一種微電流傳感器,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到利用該補(bǔ)償方法提高了微電流傳感器的測量精度,證明了模型的正確性。

1 零磁通補(bǔ)償原理

電磁式電流傳感器由一次側(cè)電流和二次側(cè)電流根據(jù)磁感應(yīng)耦合原理實(shí)現(xiàn)能量傳遞,輸出結(jié)果的誤差主要由建立磁通所需的激磁電流造成。若使得激磁電流為零,則激磁磁勢為0,誤差即為零,則電流傳感器工作在“零磁通”狀態(tài)[6],且工作于磁化曲線的線性段。但是實(shí)際上,無激磁電流,磁芯中不會存在磁通,一次側(cè)和二次側(cè)的能量無法傳遞。但是“零磁通”狀態(tài)可以靠外界條件進(jìn)行補(bǔ)償或者調(diào)整。

結(jié)構(gòu)上,帶有零磁通補(bǔ)償?shù)碾娏鱾鞲衅髟谥鞔判綯1基礎(chǔ)上增設(shè)了輔助磁芯T2、繞制于輔助磁芯T2的檢測繞組N0、以及與二次側(cè)繞組N2共同繞制于主磁芯T1的補(bǔ)償繞組N3[7]。如圖1所示。

圖1 零磁通補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

在未補(bǔ)償前,兩個磁芯的磁動勢平衡方程分別為:

(1)

(2)

加入補(bǔ)償后的磁動勢平衡方程為:

(3)

(4)

兩個磁芯的磁勢平衡方程變?yōu)?

(5)

(6)

由上式得到此時主磁芯的磁通為0,達(dá)到“零磁通”補(bǔ)償效果。利用繞制在主磁芯上的檢測繞組檢測出一次側(cè)電流通過主磁芯的磁通密度B[8],根據(jù)磁路定理可得:

(7)

B=μH

(8)

Φ=BS

(9)

e=-N0·dΦ/dt

(10)

式中:H為磁場強(qiáng)度,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,l、μ、S分別為磁芯的平均磁路長度、磁導(dǎo)率、截面積。Φ為磁通。e為繞組上的感應(yīng)電壓。

檢測繞組N0兩端感應(yīng)電壓為:

(11)

從式(11)中發(fā)現(xiàn)檢測繞組的感應(yīng)電壓帶有激磁電流的信息。通過提取激磁電流的幅值,相位信息對輸出電流進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償[9]。因此,如何快速準(zhǔn)確地對電流傳感器進(jìn)行補(bǔ)償是關(guān)鍵。本文基于零磁通原理采用有源補(bǔ)償與無源補(bǔ)償相結(jié)合的方式對輸出電流進(jìn)行相位和幅值補(bǔ)償,使工作磁芯達(dá)到“零磁通”工作狀態(tài)。

2 電流傳感器模型的建立

Simulink是一個用來進(jìn)行系統(tǒng)仿真建模分析的集成軟件包,比傳統(tǒng)的仿真軟件更直觀、方便。通過與MATLAB、C語言等其他軟硬件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞可以很方便的完成仿真工作[10]。在Simulink建立基于零磁通原理的雙級電流傳感器模型,在相同條件下通過與未加任何補(bǔ)償措施的傳統(tǒng)的單磁芯電流傳感器進(jìn)行比較以驗(yàn)證模型的有效性。

零磁通電流傳感器的模型由兩部分構(gòu)成:感應(yīng)單元以及補(bǔ)償單元。感應(yīng)單元通過Simulink中的Transformer實(shí)現(xiàn),感應(yīng)單元的搭建主要涉及參數(shù)的設(shè)置。包括一次側(cè)繞組電阻R1、二次側(cè)繞組電阻R2、相應(yīng)的漏抗L1、L2、勵磁電阻Rm以及磁芯線圈的非線性勵磁電感Lm。上述參數(shù)可以通過實(shí)際繞制的線圈參數(shù)計(jì)算和查表得到。

圖2 零磁通補(bǔ)償模型

模型中電流源的產(chǎn)生通過在正弦電壓源上串聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)。利用改變串聯(lián)電阻變換一次側(cè)電流的大小,將輸出的電流與一次側(cè)電流進(jìn)行比較,加入傅里葉變換模塊進(jìn)行計(jì)算得到幅值相位信息。

本課題研究的微電流傳感器的工作原理與電流互感器相同,因此參照2010年最新頒布的JJG313—2010《測量用電流互感器規(guī)程》對設(shè)計(jì)的微電流傳感器進(jìn)行測量準(zhǔn)確度的判斷。該規(guī)程適用于額定頻率為50 Hz的測量用電流互感器的檢定。且該規(guī)程對于電流互感器的誤差限制有明確規(guī)定。判斷電流互感器準(zhǔn)確度的兩個重要指標(biāo)為比差、角差。其中,比差表示為二次側(cè)電流幅值乘以變比K1n與一次側(cè)電流幅值之差除以一次側(cè)電流幅值,單位是百分比;角差表示為二次側(cè)電流向量反向后與一次側(cè)電流向量的角度差,單位是′。通過測量比差及角差以驗(yàn)證模型的正確性。

當(dāng)輸入電流為1 mA時,通過重復(fù)性測量得到,補(bǔ)償前后的比差與角差的測量結(jié)果為-2.4%、-0.47%、2.884°、0.78°。

仿真結(jié)果表明帶有零磁通補(bǔ)償?shù)碾娏鱾鞲衅鬏^普通電流傳感器,在相位及幅值的測量上都更精確,且該補(bǔ)償方法對比差的補(bǔ)償效果較明顯。證明了該模型的正確性。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述模型的有效性,本文根據(jù)上述模型研制了零磁通微電流傳感器。該傳感器包括感應(yīng)單元、信號處理單元及補(bǔ)償單元。

首先根據(jù)電磁感應(yīng)原理以及電流傳感器的等效電路圖推導(dǎo)誤差公式,得到誤差的影響因素與磁芯的尺寸及材料、繞組匝數(shù)及負(fù)載阻抗有關(guān)。綜合各種影響因素,設(shè)計(jì)了微電流傳感器的感應(yīng)部分。

電流傳感器二次側(cè)獲得的電流信號流經(jīng)負(fù)載后變?yōu)殡妷盒盘?仍為微弱信號,往往混有各種噪聲,信號處理電路主要用來排除信號中的干擾噪聲從而獲得有用的信息。電流傳感器輸出的模擬信號一般要經(jīng)過放大、濾波和數(shù)字化等環(huán)節(jié)才能供檢測系統(tǒng)所用。因此,信號處理單元包括前置放大電路、低通巴特沃茲濾波電路、后級放大電路。

信號補(bǔ)償單元采用有源補(bǔ)償與無源補(bǔ)償結(jié)合的方法對輸出電流的相位及幅值進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。其中,有源補(bǔ)償電路包括高精度放大電路、低通巴特沃斯濾波電路[12]、移相電路以及Howland電流源型V/I轉(zhuǎn)換電路[13]。高精度放大電路和低通濾波電路用于對檢測繞組N0兩端的微弱電壓信號進(jìn)行調(diào)理,移相電路以及V/I轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)的功能是將感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換為超前90°的電流信號,送入補(bǔ)償繞組N3進(jìn)行補(bǔ)償?；诹愦磐ㄔ淼挠性措娮与娐费a(bǔ)償方法可以快速,有效并準(zhǔn)確的補(bǔ)償輸出的誤差。無源補(bǔ)償是利用固定容抗值的電容器對輸出電流的相位誤差進(jìn)一步補(bǔ)償,改善負(fù)載特性。

微電流傳感器基于電磁感應(yīng)原理對微弱電流耦合達(dá)到檢測目的,因此除了被測電流還會有干擾信號也會被耦合到二次側(cè)。干擾源主要來自于外界噪聲,高頻電磁干擾,電源噪聲等等。需要在微電流傳感器外部加入屏蔽措施,保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于電流傳感器一般采用多層屏蔽結(jié)構(gòu)。多層屏蔽結(jié)構(gòu)選擇最外層為銅材料,作為電屏蔽層;磁屏蔽分別為坡塻合金以及鐵皮。

實(shí)驗(yàn)過程中,利用信號發(fā)生器發(fā)出電壓信號加在精密電阻兩端用于產(chǎn)生一次側(cè)電流。二次側(cè)輸出的信號經(jīng)過補(bǔ)償電路后送入信號調(diào)理電路進(jìn)行放大濾波,輸出信號經(jīng)由采集卡送入上位機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算,得到輸入電流不同時的比差及角差。實(shí)驗(yàn)圖如如3所示,分析計(jì)算得到的誤差結(jié)果如表1、表2所示。

從表1、表2測量結(jié)果可知,該微電流傳感器的測量范圍在200μA到1mA,適用于工頻泄漏電流的測量。根據(jù)《測量用互感器檢定規(guī)程》中關(guān)于電流傳感器誤差的規(guī)定,電流傳感器達(dá)到了0.2級的準(zhǔn)確度。結(jié)果表明:基于零磁通原理的電流傳感器較傳統(tǒng)的電流傳感器,在相角及幅值的測量上都更精確。同時也證明了該補(bǔ)償模型的有效性。

圖3 實(shí)驗(yàn)示意圖

電流/mA補(bǔ)償前的角差/(')補(bǔ)償后的角差/(')0.210.025.500.34.775.200.45.843.870.58.064.720.66.995.140.74.903.430.83.552.390.95.991.981.05.702.01

表2 比差測量結(jié)果

4 結(jié)論

為了提高微電流傳感器的測量精度,本文首先通過對零磁通原理的分析與研究,基于MATLAB的Simulink環(huán)境下建立了零磁通電流傳感器模型,提出了將有源補(bǔ)償與無源補(bǔ)償相結(jié)合對輸出電流進(jìn)行快速準(zhǔn)確補(bǔ)償?shù)姆椒?。研究成果如?①建立了雙級零磁通電流傳感器模型,利用S函數(shù)等模塊實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償功能,并對補(bǔ)償方法進(jìn)行仿真分析,與普通電流傳感器進(jìn)行了對比性仿真實(shí)驗(yàn),通過仿真結(jié)果證明了該模型的正確性;②基于模型通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出帶有零磁通補(bǔ)償?shù)奈㈦娏鱾鞲衅髟跍y量200 μA～1 mA的工頻電流時準(zhǔn)確度可達(dá)到0.2級,證明了零磁通補(bǔ)償原理的正確性以及該補(bǔ)償模型的有效性。

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王文(1990-),女,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)監(jiān)測及傳感器研究,wangyiwangwen@126.com;

吝伶艷(1969-),女,副教授,研究方向?yàn)橹悄茈娖骷夹g(shù),llyhky@163.com。

SimulationandExperimentofZeroFluxCurrentSensorBasedonSimulink*

WANGWen,LINLingyan*,QIAOJiping,SONGJiancheng

(Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

This paper establishes a model of current sensor based on Simulink according to the principle of zero flux. In order to compensate error of micro current sensor accurately,and improve the accuracy measured,active compensation and passive compensation are combined to decrease current sensor measurement error in the area of small current. Simulation results are given to demonstrate the validity and correctness of the model. On the basis of established model,this paper develops a micro current sensor,and its error has been measured. The results show that the accuracy of the current sensor can reach to grade 0.2 by using the above compensating process,when the measuring range is from milliampere to microampere.

micro current sensor;zero flux;active compensation;passive compensation

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51377113);山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)項(xiàng)目(2016JD17)

2017-02-28修改日期:2017-05-31

TM452

:A

:1004-1699(2017)09-1343-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.09.007