基于羅氏線圈的室內(nèi)電源負(fù)載電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

王鵬宇，王 勤

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210016)

羅氏線圈（Rogwsiki Coil）作為一種新型電子式電流互感器測(cè)量傳感頭，主要特點(diǎn)是被測(cè)電流與線圈無(wú)直接接觸，具有測(cè)量范圍寬、無(wú)磁飽和、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，已成為新世紀(jì)互感器發(fā)展的重要方向之一[1-2]。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一款測(cè)量精度達(dá)到0.2級(jí)的羅氏線圈，具有線性度好、無(wú)磁飽和、測(cè)量頻率范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等性能特點(diǎn)，適應(yīng)于電力系統(tǒng)在線測(cè)量、數(shù)字化繼保、控制、故障診斷及電力系統(tǒng)光纖網(wǎng)的應(yīng)用需求；文獻(xiàn)[4]選用自積分式羅氏線圈測(cè)量系統(tǒng)，構(gòu)建了反映RSD開(kāi)關(guān)的放電電流試驗(yàn)平臺(tái)，能有效提高測(cè)量高速大功率RSD開(kāi)關(guān)狀態(tài)電流的快速性、準(zhǔn)確性和可靠性；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一款既能準(zhǔn)確測(cè)量穩(wěn)態(tài)電流，又能很好反映故障電流暫態(tài)性能的羅氏線圈傳感頭；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種基于羅氏線圈的電子式電流互感器，能有效減小羅氏線圈的測(cè)量誤差，并基于該線圈設(shè)計(jì)出由模擬積分器構(gòu)成的電流互感器和采用DSP芯片的數(shù)字輸出電子式電流互感器，測(cè)量精度達(dá)到0.5級(jí)。文中針對(duì)高校學(xué)生宿舍和實(shí)驗(yàn)室電器火災(zāi)隱患源安全用電監(jiān)控裝置的研發(fā)要求，設(shè)計(jì)了一款基于羅氏線圈的室內(nèi)電源負(fù)載電流檢測(cè)電路[7]。羅氏線圈的設(shè)計(jì)采用塑料圓環(huán)作骨架和漆包銅線為繞線，信號(hào)調(diào)理電路采用由新型低噪聲的OPA 211構(gòu)成的二級(jí)精密運(yùn)算放大電路，不僅可以將羅氏線圈感應(yīng)出的毫伏級(jí)電壓信號(hào)加以放大，而且還可以對(duì)羅氏線圈產(chǎn)生的干擾噪聲信號(hào)進(jìn)行濾波，能快速準(zhǔn)確地在線檢測(cè)室內(nèi)電器設(shè)備的用電狀態(tài)，測(cè)量電流范圍為0～20 A。

1 室內(nèi)電源負(fù)載電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的室內(nèi)電源負(fù)載電流檢測(cè)電路如圖1所示，由羅氏線圈及其調(diào)理電路兩部分組成，線圈套在被測(cè)線路上 （無(wú)電氣接觸），線圈兩端連接至調(diào)理電路，調(diào)理電路用于將羅氏線圈感應(yīng)出的被測(cè)電源負(fù)載電流Ix轉(zhuǎn)換成便于采集的輸出電壓信號(hào)Vo。

圖1 室內(nèi)電源負(fù)載電流檢測(cè)電路

1.1 羅氏線圈測(cè)量原理

羅氏線圈的工作原理是將導(dǎo)線繞制在非磁性環(huán)形骨架上，測(cè)量時(shí)將載流導(dǎo)線從線圈中心穿過(guò)，被測(cè)電流與線圈不直接接觸。根據(jù)安培環(huán)路定律和電磁感應(yīng)定律，磁場(chǎng)將在線圈兩端產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小正比于被測(cè)電流Ix對(duì)時(shí)間的微分，測(cè)量精度可設(shè)計(jì)到高于0.1%，一般為1%～3%[1，2]。由于羅氏線圈是一種特殊結(jié)構(gòu)的空心線圈，不含鐵心，不存在磁飽和問(wèn)題，也不存在動(dòng)力和熱力的穩(wěn)定問(wèn)題，因此，幾乎不受被測(cè)電流大小的限制，且因被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化而感應(yīng)出相應(yīng)電勢(shì)，本身并不與被測(cè)電流回路存在直接聯(lián)系，其測(cè)量電流的范圍可以由幾安培到幾千安培，頻率范圍可設(shè)計(jì)到0.1 Hz至1 MHz，特殊的可設(shè)計(jì)到200 MHz，并且可以測(cè)量其他技術(shù)受限制領(lǐng)域的小電流[3]。

文中設(shè)計(jì)的羅氏線圈采用塑料圓環(huán)作骨架、漆包銅線為繞線，在一根截面細(xì)且均勻的絕緣管上，均勻密繞線圈，并將此線圈的兩頭緊密相吻合而成為螺線管線圈。在測(cè)量電流時(shí)，將此線圈圍繞載有被測(cè)電流Ix的導(dǎo)體，運(yùn)用電磁場(chǎng)分析方法和全電流定律，磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任意封閉輪廓的線積分等于穿過(guò)該封閉輪廓所限定面的電流可得螺線管所交鏈的磁鏈ψ為：

式中：n0為螺線管單位長(zhǎng)度上的線圈匝數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率；s為管內(nèi)均勻磁場(chǎng)中一平面的面積；l→為線圈圓管上任一線元。由式（1）可見(jiàn)，當(dāng)螺旋管線圈中心線直徑比線圈直徑大得多時(shí)，線圈所交鏈的磁鏈ψ與被測(cè)電流Ix存在線性關(guān)系。

1.2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

從圖1中不難看出，當(dāng)穿過(guò)測(cè)量線圈（即螺線管）限定面的電流Ix發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量線圈所交鏈的磁鏈也隨之變化，所產(chǎn)生的感應(yīng)電流iR通過(guò)取樣電阻R0轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓為u=Vi，這部分實(shí)際上為一微分環(huán)節(jié)。因此，要反映實(shí)際被測(cè)電流Ix的大小，就必須加一積分環(huán)節(jié)，首先將感應(yīng)電壓u作為集成運(yùn)放U1的輸入電壓Vi，經(jīng)集成運(yùn)放U1放大為Vo1，再送入由集成運(yùn)放U2組成的積分電路。利用運(yùn)放“虛地”概念，可推導(dǎo)出輸出電壓Vo為：

式中：Av1為第一級(jí)同相運(yùn)算放大器U1的放大倍數(shù)，Av1=1+R3/R2，可以通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻R3來(lái)選取合適的數(shù)值。

U2為反相積分器，通過(guò)對(duì)上述羅氏線圈輸出電壓Vo1積分，可方便地還原出被測(cè)電流Ix。使用電壓表測(cè)量積分器的輸出電壓Vo，可得到被測(cè)電流Ix的大小，以及所設(shè)計(jì)羅氏線圈及其調(diào)理電路在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的誤差。

由于羅氏線圈感應(yīng)出來(lái)的是毫伏級(jí)電壓信號(hào)，在放大微弱信號(hào)的場(chǎng)合，放大器自身的噪聲對(duì)信號(hào)的干擾會(huì)比較嚴(yán)重，為減小這種噪聲，采用了低噪聲運(yùn)放作輸入級(jí)，以提高第一級(jí)放大器的輸出信噪比。文中采用德州儀器（TI）新推的OPA211作輸入級(jí)，它是一款將超低噪聲和更低功耗、更小封裝尺寸和更高帶寬結(jié)合起來(lái)的精密運(yùn)算放大器，噪聲電壓為1.1 nV/Hz（在1 kHz時(shí)），偏移電壓為 100 μV，增益帶寬為 80 MHz。

積分電路是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，文中采用鉭電容作為積分元件，電路的準(zhǔn)確性能保證測(cè)量的精度，并能減少后續(xù)電路的誤差，電容的存在還可以對(duì)產(chǎn)生的干擾噪聲信號(hào)進(jìn)行有效濾波。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證如圖所1示的以塑料圓環(huán)作骨架和漆包銅線為繞線羅氏線圈及其調(diào)理電路的有效性，開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究工作。

圖2示出了該羅氏線圈電流與調(diào)理電路積分輸出電壓間的U-I特性，可調(diào)被測(cè)電流Ix在0～5 A范圍，所測(cè)出的相應(yīng)調(diào)理電路的積分輸出電壓Vo與被測(cè)電流Ix具有理想的線性關(guān)系。從理論上講，設(shè)計(jì)的羅氏線圈及其調(diào)理電路的測(cè)量電流范圍可達(dá)到0～20 A。

圖2 羅氏線圈及其調(diào)理電路U-I特性

圖3示出了該羅氏線圈及其調(diào)理電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，通過(guò)突然施加一工頻被測(cè)交流電流信號(hào)Ix，可以看出調(diào)理電路的積分輸出電壓Vo在很短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到穩(wěn)態(tài)特性。

圖3 羅氏線圈檢測(cè)到的瞬變電流波形

圖4示出了所設(shè)計(jì)羅氏線圈檢測(cè)到的工頻感應(yīng)電流信號(hào)iR經(jīng)取樣電阻輸出的電壓信號(hào)Vi，可以明顯看出輸出信號(hào)中混雜了羅氏線圈產(chǎn)生的干擾噪聲信號(hào)。進(jìn)一步地，圖5和圖6示出了積分電容為C=0.1 μF和C=1 μF的調(diào)理電路對(duì)羅氏線圈檢測(cè)電流信號(hào)iR經(jīng)放大和濾波后產(chǎn)生的積分輸出電壓信號(hào)Vo，可見(jiàn)電容的容量大小對(duì)波形平滑是有一定的影響。選擇圖6所示較大的積分電容，能夠有效地消除輸出信號(hào)中的諧波成分，從而提高調(diào)理電路的輸出電壓信號(hào)品質(zhì)。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

圖4 羅氏線圈產(chǎn)生的干擾噪聲信號(hào)

圖5 積分電容C=0.1 μf的調(diào)理電路輸出電壓波形

圖6 積分電容C=1μf的調(diào)理電路輸出電壓波形

應(yīng)用所研發(fā)的羅氏線圈電流傳感器，對(duì)實(shí)驗(yàn)室電源負(fù)載電流進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究工作，將羅氏線圈直接套在室內(nèi)電源系統(tǒng)的出線上，與被測(cè)電源線路相間隔開(kāi)，不存在直接電的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行的電器設(shè)備是臺(tái)數(shù)不等的計(jì)算機(jī)，積分電路輸出電壓Vo的數(shù)值能準(zhǔn)確反映不同臺(tái)數(shù)運(yùn)行計(jì)算機(jī)的電源負(fù)載電流。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的基于羅氏線圈的室內(nèi)電源負(fù)荷檢測(cè)電路能夠準(zhǔn)確、可靠地完成對(duì)電載荷的測(cè)量，具有線性度好、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，滿足0.5級(jí)電流互感器工頻電流測(cè)量要求，易于模塊化和工業(yè)化生產(chǎn)，還可進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)字化和智能化擴(kuò)展。該羅氏線圈傳感器已成功應(yīng)用于一種室內(nèi)電器安全用電監(jiān)控裝置的研發(fā)，為智能建筑領(lǐng)域的室內(nèi)電器用電安全監(jiān)控提供了新的思路。

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