一種大電流測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張建永，賈云濤，胡耀元，岳偉，張勝強(qiáng)

(北京無線電計(jì)量測試研究所，北京100039)

0 引言

隨著能量消耗的不斷增加和利用效率的提高，大電流技術(shù)成為能量的產(chǎn)生、傳輸、釋放、控制方面的一個新興領(lǐng)域，并被廣泛應(yīng)用在電力、電化學(xué)、核能技術(shù)、強(qiáng)磁場產(chǎn)生技術(shù)、脈沖功率技術(shù)等多個高端技術(shù)領(lǐng)域［1-3］。

大電流測量系統(tǒng)一般從被測電流的回路開始，利用傳感器測得比例的電壓，經(jīng)過高頻傳送回路到測量儀器。傳感器是大電流測量的關(guān)鍵部件，其特性決定了測量的準(zhǔn)確性。大電流測量用傳感器主要有霍爾元件、Rogowski 線圈、分流器等［4-5］。

分流器測量交流、脈沖大電流精度高，階躍響應(yīng)特性好，使用簡便，參數(shù)穩(wěn)定。但大電流中瞬變量的頻率較高時，分流器的趨膚效應(yīng)會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。分流器本質(zhì)是一個穩(wěn)定的電阻，其中的殘余電感會對后端采樣測量電壓有影響。同軸盤式分流器一般都指制成平面型的盤式電阻器。同軸盤式分流器具有很好的低感特性，其階躍響應(yīng)上升時間可以達(dá)到ns 級。電阻材料可采用碳膜或金屬，通常安裝在同軸傳輸線的末端，由盤的中心及邊緣取出電壓信號，然后經(jīng)由高頻同軸電纜把信號傳至測量端［6］。

基于以上現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種盤式分流器，與CS1622 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合組建了大電流測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)中盤式分流器阻值為0.01 Ω，可用于測量50 Hz ～10 kHz，1 ～100 A 交流、脈沖電流。數(shù)據(jù)采集卡可實(shí)時顯示電流波形，測量準(zhǔn)確度達(dá)到0.1%。系統(tǒng)對于大電流精確計(jì)量有重要的意義。

1 盤式分流器的設(shè)計(jì)

1.1 盤式分流器的原理

設(shè)定電阻材料的導(dǎo)磁率為μ，電阻率為ρ。電流從圓盤的中心到達(dá)分流器時開始穿過電阻膜，對稱地由中心向四周流動，電流密度均勻。這一過程與電磁波沿傳輸線傳播類似。電感分析圖見圖1。

圖1 盤式分流器的電感分析圖

電流密度δk在圓盤上均勻分布。設(shè)與電流密度δk相交鏈的磁場密度為Hk，則有

即徑向電流不形成電感。

當(dāng)電流沿厚度方向流動時，根據(jù)安培環(huán)路定律

則

得到

電感量

式中:D 為電阻片的外部直徑;d 為內(nèi)部直徑;L 為電阻片厚度。對于非磁性的金屬電阻膜，μ=μ0=4π×10-7H/m，金屬薄膜的厚度為cm 數(shù)量級時，電感RL的范圍:10-7～10-5H。

可見，盤式分流器只有沿厚度方向有電感，且電感值相對較小［7-9］。

另可計(jì)算得到盤式分流器的方波上升時間公式為［10］

有μ=μ0=4π×10-7H/m，銅的電阻率ρ=1.75×10-8Ωm，當(dāng)L=10 μm，tr=1.7ns?？梢?，有很好的頻率響應(yīng)特性。

1.2 盤式分流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盤式分流器一般為薄膜金屬圓盤(環(huán)狀圓盤)，內(nèi)外邊緣可作為電流的輸入端(例如，內(nèi)外邊緣分別連接同軸電纜末端的內(nèi)外導(dǎo)體)，同時也作為測量端。電流在薄的電阻盤中徑向均勻流動，測量信號受雜散電感影響很小，適用于測量快速變化的電流。盤式分流器也可由大量小阻值電阻并聯(lián)組成，電阻的一端在圓心相連，另一端連接成圓盤的外環(huán)。

本文采用全金屬材料、并聯(lián)寬頻大功率小電阻設(shè)計(jì)了一種盤式分流器。盤式分流器主要包括依次連接的上面板、紫銅圓盤、電阻和下面板。上面板輸入端的丁頭正端與紫銅圓盤中心孔通過電路焊接連接;紫銅圓盤邊緣與12 個電阻電路焊接連接，電阻另一端焊接到下面板邊緣;紫銅圓盤中心孔與下面板的輸出端N 型頭的正端電路焊接連接。盤式分流器結(jié)構(gòu)效果圖如圖2所示。

圖2 盤式分流器結(jié)構(gòu)圖

上面板結(jié)構(gòu)如圖3所示。上面板由兩部分組成，兩部分之間為機(jī)械螺絲連接，方便組裝。上面板整體為長方體，中心凹進(jìn)為圓柱體。上面板正面連接同軸丁頭，丁頭的負(fù)端與上面板整體導(dǎo)通。上面板圓柱體邊緣留有等分的12 個凹進(jìn)去的長方體，為電阻焊接留下足夠的空間。

圖3 上面板結(jié)構(gòu)圖

紫銅圓盤結(jié)構(gòu)如圖4所示。紫銅圓盤的中心孔與上面板丁頭的正端、下面板N 型頭的正端通過銅線電路焊接在一起。紫銅圓盤的邊緣有等分的12 個圓孔用來固定和電路焊接的12 個電阻。紫銅圓盤上還有2 個固定通孔，用絕緣螺絲固定在下面板上。

圖4 紫銅圓盤、電阻結(jié)構(gòu)圖

電阻的組裝方式如圖4所示。先在紫銅圓盤和下面板的12 個圓孔上螺絲固定紫銅片，再將電阻一邊焊接在紫銅圓盤的固定紫銅片上，另一邊焊接在下面板的固定紫銅片上。

下面板結(jié)構(gòu)如圖5所示。下面板正面連接同軸N型頭，N 型頭的負(fù)端與下面板整體導(dǎo)通，N 型頭正端與紫銅圓盤中心孔相連。

圖5 下面板結(jié)構(gòu)圖

盤式分流器實(shí)物圖見圖6。其中大電流由前面板的丁頭輸入，經(jīng)過丁頭正端流到紫銅圓盤，經(jīng)過12 路電阻到下面板，下面板與上面板是相通的，電流回到上面板，即丁頭負(fù)端，形成回路。下面板的N 型頭正端從紫銅圓盤電阻端、負(fù)端從下面板采取電壓信號。此盤式分流器即可實(shí)現(xiàn)將大電流轉(zhuǎn)化為電壓進(jìn)行測量。

圖6 盤式分流器實(shí)物圖

1.3 盤式分流器特點(diǎn)

電阻為VISHAY 公司的CSM 系列電阻，阻值為0.12 Ω，可通過最大電流為10 A 或者功率為20 W。此盤式分流器具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)電阻排列及接口設(shè)計(jì)均用同軸結(jié)構(gòu)，對稱性好，外部采用金屬圓桶，能減少分布參數(shù)影響，屏蔽雜散磁場，趨膚效應(yīng)好。信號經(jīng)同軸接口輸出，失真度小;

2)各部件由紫銅制成，表面鍍銀，導(dǎo)電性好，整體結(jié)構(gòu)都為金屬材料，散熱性好，能長時間測量而不影響測量精度;

3)采用大功率、頻帶寬的穩(wěn)定電阻，長時間通過電流不會因過度發(fā)熱而導(dǎo)致電阻值發(fā)生改變并影響測量數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)采集卡

測試系統(tǒng)中的電壓頻率最高達(dá)到10 kHz，其波形持續(xù)時間短，很難精確測量。為此我們選定美國Dynamic System 公司型號為CS1622 的高速數(shù)據(jù)采集卡，其采樣速率達(dá)到200 MS/s，帶寬125 MHz，分辨力為16 位。高速數(shù)據(jù)采集卡采用SMA 接口，由同軸屏蔽線接到阻抗匹配連接器電壓端N 型接口，減小了高頻信號傳輸?shù)膿p耗和電磁干擾。測量程序采用多次測量取平均值，同時清除噪聲干擾，保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2 系統(tǒng)組建和測量結(jié)果分析

盤式分流器的直流阻值按照直流標(biāo)準(zhǔn)電阻采用直流電流比較儀式電橋校準(zhǔn)。其交流電阻采用比較法測量，即標(biāo)準(zhǔn)交流電流源輸出穩(wěn)定電流依次通過盤式分流器和標(biāo)準(zhǔn)分流器A40B，測量兩個分流器上電壓，因相同電流可由分流器A40B 阻值計(jì)算得到盤式分流器交流阻值。

盤式分流器經(jīng)計(jì)量校準(zhǔn)不同頻率點(diǎn)阻值如表1所示。其中不同頻率下盤式分流器的阻值相對變化最大為1.5×10-4，可以看出盤式分流器頻帶很寬，符合大電流的校準(zhǔn)要求。

表1 盤式分流器100 A 時頻率阻值

測試系統(tǒng)由超級大電流源52120A/脈沖電流源LDI-928-25 輸出大電流，經(jīng)過盤式分流器由數(shù)據(jù)采集卡測得電壓，計(jì)算得到電流值。系統(tǒng)連接圖見圖7。

圖7 系統(tǒng)連接圖

數(shù)據(jù)采集卡CS1622 有軟件GagaScope，可以設(shè)置采樣速率、耦合方式等，直接測量有效值、幅值、上升時間、周期等量值，見圖8。

圖8 測量量值顯示

實(shí)驗(yàn)中超級大電流源52120A 輸出100 A，10 kHz電流，經(jīng)過分流器轉(zhuǎn)化為電壓，在數(shù)據(jù)采集卡軟件中顯示的波形如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種寬頻大電流盤式分流器，建立了大電流測試系統(tǒng)，可對100 A，10 kHz 電流的有效值、幅值、周期、上升時間等參數(shù)進(jìn)行精確測量。盤式分流器采用同軸結(jié)構(gòu)，屏蔽了外部干擾，趨膚效應(yīng)小;紫銅金屬材料散熱性能好，適合大電流測量;選用寬頻大功率電阻溫度漂移小，穩(wěn)定性好。系統(tǒng)采用高速數(shù)據(jù)采集卡測量各種參數(shù)，測量準(zhǔn)確度高，便于大電流測試。

表2 100 A，10 kHz 交流電流測量結(jié)果

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