馬 鐵 峰
[二一三電器(上海)有限公司, 上海 201802]
在環(huán)境污染、能源制約等因素的大背景影響下,國家已將發(fā)展新能源作為改善環(huán)境、解決能源短缺的主要措施。根據(jù)國家“十三五”規(guī)劃,到2020年國內(nèi)的分布式充電樁將達(dá)到480萬個,充電站1.2萬座,以滿足新能源汽車快速發(fā)展的需求,推動清潔能源的應(yīng)用,但是作為充電樁的關(guān)鍵性元器件剩余電流保護(hù)器的功能已滿足不了現(xiàn)有充電樁行業(yè)的發(fā)展需求。
電動汽車在充電時要對三相電進(jìn)行整流、逆變、再整流、充電等過程,才能完成對電動汽車電池組的充電。在充電回路中存在整流電路、逆變電路、電池組電路。當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)絕緣損壞、元器件損壞、電池組絕緣性能降低等故障時,充電線路中可能存在交流剩余電流、脈動直流剩余電流、平滑直流剩余電流、復(fù)合剩余電流等故障,因此充電回路中的保護(hù)開關(guān)必須要對交流剩余電流、脈動直流剩余電流、平滑直流剩余電流進(jìn)行全方位的保護(hù),才能確保充電設(shè)備和人身的安全[1-3]。
剩余電流保護(hù)器按保護(hù)類型一般分為AC型(只對交流剩余電流保護(hù))、A型(對交流剩余電流和脈動直流剩余電流保護(hù))、B型(對交流剩余電流、脈動直流剩余電流、平滑直流剩余電流、高頻剩余電流保護(hù))。不同類型的剩余電流保護(hù)器使用的場合環(huán)境有所不同,3種類型中B型產(chǎn)品保護(hù)功能最全[4-6]。
在負(fù)載側(cè)為交直流混合電網(wǎng)系統(tǒng)中,A型剩余電流保護(hù)器顯然已無法完全保護(hù)負(fù)載故障。根據(jù)IEC 60364-7-722:2018《低壓電氣裝置 第7-722部分:特殊裝置或場所的要求 電動車供電》,充電模式2和模式3的合適保護(hù)措施應(yīng)當(dāng)為B型剩余電流保護(hù)器,或A型剩余電流保護(hù)器+DC 6 mA剩余電流保護(hù)器(監(jiān)控器),受B型剩余電流保護(hù)器價格因素的影響,國內(nèi)的充電樁行業(yè)很少用到B型產(chǎn)品,DC 6 mA直流剩余電流保護(hù)器也處于研發(fā)起步階段,也沒有大量推廣和市場化使用,因此目前市場上充電樁設(shè)備的剩余電流保護(hù)器基本以A型剩余電流保護(hù)器為主。但A型剩余電流保護(hù)器存在一定的安全隱患問題,針對A型剩余電流保護(hù)器+DC 6 mA剩余電流保護(hù)器組合功能的需求,本文研究和設(shè)計了一種磁調(diào)制式直流剩余電流保護(hù)器。該保護(hù)器可以實現(xiàn)DC 6 mA剩余電流保護(hù)器的功能,可彌補(bǔ)A型產(chǎn)品的保護(hù)功能欠缺的不足,又可解決B型產(chǎn)品價格偏高的問題,以便滿足充電樁行業(yè)發(fā)展需求[7-10]。
對平滑直流電流的檢測可通過霍爾傳感器技術(shù)、磁光傳感器技術(shù)、巨磁電阻技術(shù)、磁調(diào)制技術(shù)等來實現(xiàn),但每種技術(shù)方案各有其特點和用途,霍爾傳感器由于磁芯中氣隙的存在,極易受到外界磁場的干擾,影響檢測精度。磁調(diào)制式電流互感器磁芯中無氣隙,抗干擾能力強(qiáng);在對稱激勵源作用下,磁芯深度工作在磁飽和狀態(tài),工作特性穩(wěn)定;溫度特性相對較好,不易受溫度變化影響。因此,采用磁調(diào)制技術(shù)對直流電流的檢測是較合適的技術(shù)方案。
當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載為交直流混合電路時,剩余電流故障既有交流成分,也有直流成分。目前充電樁普遍使用的剩余電流保護(hù)器為A型產(chǎn)品,只對交流和脈動直流剩余電流起到保護(hù)作用,但對平滑直流剩余電流無法檢測保護(hù)。含直流分量的剩余電流的磁化曲線特性如圖1所示。a為剩余電流中不含直流分量的磁場強(qiáng)度;b為剩余電流中不含直流分量的磁場強(qiáng)度產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度;c為剩余電流中含直流分量的磁場強(qiáng)度B0;d為剩余電流中含直流分量的磁場強(qiáng)度產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度H0。由圖1可知,在直流分量下磁通變化情況,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)直流剩余電流時,磁場強(qiáng)度起始點偏置到圖1中B0處,磁感應(yīng)強(qiáng)度初始點偏置到圖1中H0,則疊加的直流剩余電流會導(dǎo)致檢測線圈的磁芯預(yù)先磁化,導(dǎo)致脫扣器值增大,破壞剩余電流原有的保護(hù)功能。為了補(bǔ)償在A型剩余電流保護(hù)器中平滑直流剩余電流帶來的保護(hù)開關(guān)拒動情況,造成一定的安全隱患,因此需要在充電線路中增加直流剩余電流保護(hù)器,彌補(bǔ)A型剩余電流保護(hù)器的不足,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),直流剩余電流保護(hù)器必須對大于DC 6 mA剩余電流有檢測功能。
直流剩余電流保護(hù)器主要由磁調(diào)制傳感器和控制部件組成,關(guān)鍵部件是磁調(diào)制傳感器。要實現(xiàn)交流負(fù)載下對微弱直流剩余電流的檢測,傳統(tǒng)檢測方法無法檢測到直流剩余電流,需采用磁調(diào)制技術(shù)才可實現(xiàn)對直流剩余電流的測量。
為了便于分析說明,對單磁芯磁調(diào)制工作原理進(jìn)行解析說明。磁調(diào)制工作物理模型如圖2所示。
圖2中,一次繞組W1為激勵繞組,匝數(shù)為N1;二次繞組W2為檢測繞組,匝數(shù)為N2;i0(t)為穿過磁芯中心的被測電流。在環(huán)形的坡莫合金磁芯上繞制一次激勵繞組W1和檢測信號繞組W2,被測電流從磁芯中空穿過。在對稱交變繞組W1激勵源的作用下,環(huán)形磁芯中產(chǎn)生了大小相等對稱的磁通量。如果被測電流無直流信號,環(huán)形磁芯總磁通量為0,二次繞組W2產(chǎn)生的電動勢為0;如果被測電流中存在直流剩余電流分量,磁場磁芯中交變磁通的對稱性被破壞,磁通波形的正負(fù)半波相位將發(fā)生變化,在二次繞組W2兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,相應(yīng)的檢測繞組輸出電壓的正負(fù)半波將發(fā)生相對位移,變化量的大小和方向可以反映出直流信號的大小和方向。這是利用磁調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)對直流剩余電流檢測的基本工作原理。
圖3中,如果輸入電流i1(t)=0時,在一次繞組W1中通入幅度為A,角頻率為ω,周期為T的交變方波激勵電流I2(t),磁環(huán)的截面積為S,導(dǎo)磁率為μ(t),內(nèi)外半徑為r1、r2,磁環(huán)的截面邊長為a。方波激勵信號波形如圖3所示。
方波激勵信號I2(t)函數(shù)為
(1)
一個周期性函數(shù)可以用傅里葉級數(shù)展開,因此對式(1)用三角函數(shù)集中各函數(shù)分量的線性組合來表示:
(2)
(3)
(4)
根據(jù)周期信號頻譜分析,對式(3)、式(4)進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開:
(5)
(6)
(7)
由式(2)、式(5)~式(7)得
(8)
由式(8)可見,對方波激勵信號函數(shù)進(jìn)行傅里葉級數(shù)變化后只含有奇次諧波,不含偶次諧波。
在實際應(yīng)用中,環(huán)形磁芯橫截面一般為方形,線圈繞制為方形。單匝線圈示意圖如圖4所示。
假設(shè)磁芯橫截面為正方形,邊長為a,磁芯截面中心點為O,則單邊導(dǎo)線在O點的磁感應(yīng)強(qiáng)度為Br。根據(jù)畢奧-薩伐爾定理,對激勵電流信號在磁芯中產(chǎn)生的感應(yīng)磁場進(jìn)行分析。設(shè)長度為dl,激勵電流I2(t)在其半徑為r內(nèi)的任意空間所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度dBr為
(9)
式中:μ0——真空磁導(dǎo)率。
真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度為
(10)
單邊導(dǎo)線a在O點的磁感應(yīng)強(qiáng)度為
(11)
(12)
(13)
四邊導(dǎo)線產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為4Br,N1匝導(dǎo)線產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為
(14)
由式(8)可得
清洗盤用來對法蘭盤上的攝像窗及光源照射窗進(jìn)行清刷.其結(jié)構(gòu)由清洗盤本體、清洗盤傳動軸、下磁鐵蓋板、橡膠清洗條、下軸承及下磁鐵等組成.清洗盤本體上設(shè)有下軸承安裝孔,其兩端分別設(shè)有下磁鐵安裝孔和橡膠清洗條安裝塊,下軸承固定在下軸承安裝孔內(nèi),清洗盤傳動軸通過螺母及墊圈安裝在下軸承的軸孔內(nèi),兩塊下磁鐵采取擠壓的方式分別嵌入下磁鐵安裝孔內(nèi),通過固定粘貼在兩塊下磁鐵上的下磁鐵蓋板將下磁鐵封閉在下磁鐵安裝孔內(nèi),兩片橡膠清洗條分別固定粘貼在橡膠清洗條安裝塊的端面上.具體結(jié)構(gòu)如圖4所示.
(15)
由式(14)、式(15)可得到方波激勵源在磁芯中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度:
(16)
由圖3方波激勵源信號波形可以推算出方波激勵源產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度。方波激勵源磁場強(qiáng)度波形如圖5所示。
(17)
(18)
由式(16)~式(18)得到激勵方波在磁芯中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為
(19)
(20)
(21)
由式(19)~式(21)得
(22)
式(22)為輸入電流I1=0時,二次繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢U2。
B1=μ(t)μ0H1
(23)
磁芯中總磁感為方波激勵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度和輸入電流I1生產(chǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量總和,總磁感應(yīng)強(qiáng)度為
(24)
式中:B1——輸入直流剩余電流I1產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度;
B——方波激流電流I2產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度;
B2——總磁感應(yīng)強(qiáng)度。
由式(21)和式(24)得,方波激勵源和輸入電流I1的磁場生產(chǎn)的總電動勢為
(25)
為了提高對微弱信號的測量能力和采樣精度,設(shè)計的磁調(diào)制器采用雙磁芯線圈的磁調(diào)制技術(shù),要求兩個環(huán)形線圈結(jié)構(gòu)尺寸相同,磁芯材質(zhì)性能高度接近、激勵繞組匝數(shù)相同,同時磁芯磁化曲線具有高矩形比特性。接線時將兩個線圈的同名端反向聯(lián)接,使調(diào)制電路輸出的激勵源產(chǎn)生的兩磁芯磁場大小相等方向相反,并使這個磁芯迅速進(jìn)入磁飽和狀態(tài),這樣使得兩個激勵繞組中產(chǎn)生的磁場方向相反,就會相互抵消,從而延遲磁芯進(jìn)入飽和狀態(tài)。兩個感應(yīng)繞組中感應(yīng)的電壓的偶次諧波相同,相加后會得到加強(qiáng),從而這兩個感應(yīng)繞組中感應(yīng)的電壓奇次諧波有抑制作用,達(dá)到選頻效果,感應(yīng)線圈中偶次諧波的大小與被測電流的大小成正比,把偶次諧波信號進(jìn)行調(diào)理和功率放大后,就可以得到所需的電流檢測信號。
單磁芯和雙磁芯相比較,雙磁芯二次繞組感應(yīng)電動勢是單磁芯的2倍,測量靈敏度更高,雙磁芯結(jié)構(gòu)更適合于小信號剩余電流的檢測。因此,設(shè)計采用雙磁芯結(jié)構(gòu),對小信號采樣能力的提高,可使磁調(diào)制器具有較好的分辨率和較高的靈敏度,以及較低的噪聲。雙磁芯磁調(diào)制原理如圖7所示。
雙磁芯磁調(diào)制器由兩組大小完全相同的磁環(huán)組成,磁環(huán)的磁芯材質(zhì)相同,兩個磁環(huán)上分別繞有一次繞組和二次繞組,其中一次繞組W1為激勵繞組,繞線匝數(shù)為N,兩個磁芯的一次繞組反相串在一起,則激勵源輸入電流在兩個磁環(huán)上產(chǎn)生的磁場方向相反,二次感應(yīng)繞組W2的繞線方向相同,兩個繞組正串接在一起,i1(t)為穿過磁環(huán)的被測電流。式(25)中可知,雙磁芯結(jié)構(gòu)的輸出信號只含偶次諧波,因此提取偶次諧波的二次諧波作為檢測信號,對一次、二次諧波整形放大后的直流輸出信號與一次側(cè)電流成線性關(guān)系。
(1) 第一個磁環(huán)產(chǎn)生的感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)電動勢:I1=0時,由于雙磁芯結(jié)構(gòu)兩磁環(huán)的一次繞組反串連接,兩磁環(huán)中由激勵源產(chǎn)生的磁場在磁芯中的方向相反,大小相等,所以在輸出繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小相等,方向相反,這時輸出端的電壓為0,及互感器的輸出信號端為0。I1≠0時,第一個磁環(huán)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)電動勢為
(26)
(27)
(2) 第二個磁環(huán)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)電動勢:
(28)
(29)
由式(28)和式(29)可得,輸出繞組上2個線圈電動勢疊加后為
(30)
由式(30)可見,雙磁芯結(jié)構(gòu)輸出繞組的感應(yīng)電動勢是單磁芯結(jié)構(gòu)的2倍,測量靈敏度更高,更適合微弱直流信號的檢測。
要實現(xiàn)磁調(diào)制的功能,方波激勵源起到關(guān)鍵性作用,也是其核心部件。方波激勵源電路如圖8所示。
運(yùn)放器U1為雙電源供電,電源為+UCC和-UCC,U0為輸出口,輸出口為兩種狀態(tài),+UCC和-UCC。初始上電時,運(yùn)放器U1的“+”端電壓為+UCC的50%,運(yùn)放器U1的“-”端電壓為0,只要運(yùn)放器U1的輸入端電壓差稍微大于0,就會迅速的輸出飽和正向電壓+UCC,不存在中間穩(wěn)態(tài),因此U0端為高電平輸出。U0端電壓經(jīng)過電阻R1,二極管VD1放電,對電容C1進(jìn)行充電。當(dāng)充電電壓值大于-UCC的50%時,運(yùn)放器U1輸入端電壓差稍小于0,運(yùn)放器U1會迅速輸出負(fù)向電壓-UCC,電容C1的電壓通過電阻R2進(jìn)行放電,C1的電壓值低于運(yùn)放器的“+”值時,運(yùn)放器U1的U0端迅速輸出高電平,這樣通過電容C1和電阻R2反復(fù)的充電放電,運(yùn)放器U1的U0端輸出連續(xù)的方波脈沖信號電壓。
磁調(diào)制互感器要檢測的直流剩余電流信號很小,需檢測幾mA的剩余電流值,因此其輸出信號很微弱,而噪聲比較大,必須對其進(jìn)行運(yùn)放處理。運(yùn)放電路圖如圖9所示。系統(tǒng)采用儀用放大器AD620,其放大倍數(shù)為1~1 000,適當(dāng)調(diào)節(jié)R3阻值,可以調(diào)節(jié)放大系數(shù),放大倍數(shù)的函數(shù)關(guān)系為:G=49.49/R3+1。電容C2和C3主要起到去耦作用。R1、R2、C1組成低通濾波電路,對信號進(jìn)行初級濾波。
為了判別剩余電流的流向,設(shè)計了相敏檢測電路,對電流的相位進(jìn)行檢測。相敏檢測電路如圖10所示。
圖10中有3個端口:信號輸入端、輸出端、參考電壓輸入端。參考電壓采用同激勵源相同的方波信號源,輸入信號經(jīng)過移相器處理后和參考電壓同頻率和同相。
當(dāng)參考電壓輸入端為高電平時,場效應(yīng)管VT1導(dǎo)通,運(yùn)放器U4正向輸入端通過場效應(yīng)管VT1接地,因此運(yùn)放器U4為反向比例運(yùn)放器。當(dāng)參考電壓輸入端電壓為低電平時,場效應(yīng)管VT1處于關(guān)閉狀態(tài),運(yùn)放器U4構(gòu)成同相比例放大器。
坡莫合金常指鐵鎳系合金(鎳含量在30%~90%內(nèi)),是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過適當(dāng)工藝,可以有效地控制磁性能,提高初始磁導(dǎo)率、降低矯頑力。坡莫合金主要適合于作弱信號的低頻或高頻信號的檢測。
磁調(diào)制的工作原理是利用軟磁材料的高初始導(dǎo)磁率、低飽和的特性,根據(jù)本文中磁調(diào)制技術(shù)要求,以及參數(shù)性能對比,磁芯材質(zhì)選用牌號1J85的坡莫合金。該磁芯具有較高的起始磁導(dǎo)率,對于弱磁場也有較高的導(dǎo)磁率。導(dǎo)磁率是其在磁場中導(dǎo)通磁力線的能力,起始磁導(dǎo)率直接影響測量的靈敏度和準(zhǔn)確性。常用的幾種坡莫合金磁特性參數(shù)如表1所示。坡莫合金磁滯回線如圖11所示。由圖11可知,磁芯工作在線性段時相對導(dǎo)磁率很高,而在飽和區(qū)時導(dǎo)磁率下降很多,磁芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bs,開始飽和時磁場強(qiáng)度Hs。Hc為磁芯的矯頑力,通過圖11可知,坡莫合金磁材質(zhì)的矯頑力非常小,Hc靠近零點。矯頑力也稱保磁力,是指在磁性材料已經(jīng)磁化到磁飽和后要使其磁化強(qiáng)度減到零所需要的磁場強(qiáng)度。Br為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度,Hs為磁感應(yīng)強(qiáng)度。
表1 常用的幾種坡莫合金磁特性參數(shù)
通過磁調(diào)制互感器在完成微弱直流剩余電流檢測后,需要對檢測信號進(jìn)行AD采樣處理、邏輯運(yùn)算處理、算法處理,輸出控制功能,這些都需要靠軟件進(jìn)行運(yùn)算處理,CPU采用STM32F103C8芯片。該芯片為32位單片機(jī),12位的采樣精度。本程序的軟件包括系統(tǒng)主程序、AD采樣、數(shù)據(jù)分析比較等模塊。系統(tǒng)主程序流程如圖12所示。
利用磁調(diào)制器實現(xiàn)對直流剩余電流的檢測。采用雙磁環(huán)磁調(diào)制技術(shù)改進(jìn)方案,進(jìn)一步提高對微弱剩余電流的檢測能力,提高采樣精度和高穩(wěn)定性。通過文中對磁調(diào)制的工作原理數(shù)學(xué)建模,分析了被測電流、激勵源繞組和檢測繞組的函數(shù)關(guān)系。直流剩余電流保護(hù)器可以滿足充電樁中充電模式2和模式3的合適保護(hù)措施,實現(xiàn)A型剩余電流保護(hù)器+DC 6 mA的剩余電流保護(hù)器組合保護(hù)功能,也可作為設(shè)計直流剩余電流保護(hù)器的理論參考依據(jù)。