面向配用電的集成化自激磁通門直流電流傳感器設(shè)計(jì)*

袁堯鑫, 陳 威,2

(1.溫州大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 浙江 溫州 325027;2.溫州大學(xué) 樂清工業(yè)研究院, 浙江 溫州 325699)

0 引 言

電力行業(yè)作為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰,碳中和”的主力軍,要求構(gòu)建碳排放的精準(zhǔn)感知與能效管理。能效管理系統(tǒng)是電力需求側(cè)管理工作的有效技術(shù)工具,能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)到的電參數(shù)引導(dǎo)用戶合理安排用電,高效用電[1]。同時(shí),為減少系統(tǒng)損耗,更好對(duì)接光伏,風(fēng)力等新能源發(fā)電,直流輸配電受到廣泛關(guān)注,智能直流配電系統(tǒng)成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)[2-3]。直流電流傳感器作為直流智能配電系統(tǒng)電能感知與系統(tǒng)保護(hù)的重要二次設(shè)備,其性能的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

1 常見配用電直流傳感器

市面常見配用電直流傳感器主要包括霍爾式[4]、磁光式[5-6]和磁調(diào)制式[7]。捷克理工大學(xué)的Ripka Pavel團(tuán)隊(duì)和中國(guó)電科院周峰等人分別就各類電流測(cè)量方法展開研究,分析其優(yōu)缺點(diǎn)[8-9],其中包含上述3類工業(yè)常見直流傳感器。直流測(cè)量方法性能比較如表1所示。

表1 直流測(cè)量方法性能比較

磁光式傳感器量程可達(dá)mA級(jí),多用于中高壓電網(wǎng)、冶金等場(chǎng)合,然而此類產(chǎn)品體積較大且價(jià)格昂貴,并不能廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng)?；魻柺皆O(shè)備成本最低,在工業(yè)中應(yīng)用也最為廣泛,但其精度受限于霍爾芯片線性度,且溫漂較大,可靠性較差。磁調(diào)制式傳感設(shè)備相較于其他方式具備較高的穩(wěn)定性和精度, 能提高系統(tǒng)量測(cè)和保護(hù)的可靠性,近年得到大力的發(fā)展,但其體積和成本是制約其在工業(yè)環(huán)境中廣泛應(yīng)用的主要因素。

2 磁調(diào)制檢測(cè)技術(shù)

直流磁調(diào)制技術(shù)源于交流比較儀,本質(zhì)仍是利用磁芯探頭耦合調(diào)制信號(hào)與待測(cè)信號(hào),后利用解調(diào)電路解耦,測(cè)得待測(cè)直流電流大小。傳統(tǒng)磁調(diào)制技術(shù)建立于諧波檢測(cè)法,其主體電路包括調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路和信號(hào)解調(diào)電路[10],電路相對(duì)復(fù)雜龐大,且成本較高。磁調(diào)制器基本原理如圖1所示。

圖1 磁調(diào)制器基本原理

為克服直流磁調(diào)制設(shè)備調(diào)制、解調(diào)電路的復(fù)雜性,近些年有學(xué)者提出了自激式磁通門測(cè)量方法[11]。該方法不需要單獨(dú)的信號(hào)發(fā)生裝置,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低,但其線性度較低,測(cè)量范圍為750 A時(shí),線性度僅能達(dá)到1.7%[12]。為進(jìn)一步降低誤差,提出了閉環(huán)模型下的自激磁通門傳感器,精度最大可達(dá)ppm級(jí)[13]?，F(xiàn)有的自激式磁調(diào)制傳感設(shè)備多用做標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)和精密測(cè)量,完全滿足配用電儀器儀表所要求的千分級(jí)準(zhǔn)確級(jí)。但當(dāng)應(yīng)用于集測(cè)量保護(hù)一體化的智能斷路器[14]等小型設(shè)備中時(shí),其體積過(guò)大的缺陷十分凸顯,貿(mào)然地減小體積又會(huì)因磁芯飽和加速而降低量程與精度。

以某630 A直流塑殼斷路器為例,其內(nèi)部空間所能容許的最大磁芯探頭外徑為58 mm,比較部分電流額定值相近的磁調(diào)制傳感器的探頭外徑、精度和量程。磁調(diào)制直流電流傳感器參數(shù)比較如表2所示。由表2可知,面對(duì)狹窄的傳感器裝配空間,現(xiàn)有產(chǎn)品和研究成果的體積在量程尚且不足過(guò)載20%的前提下超出了安裝空間的限制,并不適用于智能配電用塑殼斷路器。如何在保證精度和量程滿足配用電測(cè)量要求的前提下,做到體積的減小,成為亟待解決的問題。

表2 磁調(diào)制直流電流傳感器參數(shù)比較

采用自激式磁通門原理作為測(cè)量手段,同傳統(tǒng)磁調(diào)制電路相比降低了電路復(fù)雜性,減少了電源與信號(hào)調(diào)理電路所需的制板空間。同時(shí)利用非線性的反正切模型推導(dǎo)出傳感器的開環(huán)系統(tǒng)模型,同傳統(tǒng)三段式模型相比更貼合實(shí)際系統(tǒng),為之后的多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化提供更加精準(zhǔn)的目標(biāo)函數(shù)。隨后利用多目標(biāo)遺傳算法(Multi-Objective Genetic Algorithm,MOGA)進(jìn)行體積和精度的聯(lián)合優(yōu)化[15],力求在量程足夠,精度可達(dá)0.2級(jí)的前提下進(jìn)一步縮減體積,使其可以應(yīng)用于智能塑殼斷路器內(nèi)部等狹小的測(cè)量場(chǎng)所。最后通過(guò)仿真和實(shí)物驗(yàn)證方案的可行性,補(bǔ)全了現(xiàn)有方案中無(wú)針對(duì)狹窄配用電空間用直流電流傳感器設(shè)計(jì)的空缺。

3 開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 開環(huán)自激振蕩原理

開環(huán)系統(tǒng)基本電路如圖2所示。

圖2 開環(huán)系統(tǒng)基本電路

圖2中磁芯C和繞組W共同構(gòu)成傳感器探頭,Id為待測(cè)電流,iex為激磁電流,Rs為激磁電流采樣電阻,Rc為傳感器探頭繞組,R1和R2用以設(shè)定比較器同向輸入端電壓。上述電器元件和磁性元件共同構(gòu)成RL多諧振蕩器,即開環(huán)樣機(jī)的基本拓?fù)洹?/p>

上電瞬間,假定比較器A輸出高電平,電阻R1上建立同向輸入電壓,同時(shí)使激磁電流從零開始升高,由于激磁繞組的存在,故電流不能突變。磁芯飽和前,電流緩慢上升,磁芯飽和后,電流迅速上升。隨著電流增大,RS上電壓升高,超過(guò)比較器同相輸入電壓時(shí),激磁電壓發(fā)生翻轉(zhuǎn),輸出低電平,激磁電流開始下降,下降過(guò)程同上升過(guò)程相同,起振完成。電路穩(wěn)定后,激磁電壓uex呈方波,激磁電流交替上升下降。C的磁化曲線、激磁電壓uex與激磁電流iex波形如圖3所示。同常見電磁元件不同的是,傳統(tǒng)傳感器磁芯多要求磁芯工作于線性區(qū),即非飽和區(qū),而自激式磁通門傳感器磁芯要求其交替工作于飽和區(qū)和非飽和區(qū)。如此才可在待測(cè)直流偏磁信號(hào)不為零時(shí),使磁芯正、負(fù)飽和點(diǎn)激磁電流絕對(duì)值不同,激磁電流發(fā)生畸變,不再對(duì)稱,從而進(jìn)一步分辨待測(cè)電流幅值。因此,雙向飽和特性是自激式磁通門傳感器維持其正常工作的一重要特性。

圖3 C的磁化曲線、激磁電壓uex與激磁電流iex波形

3.2 基于反正切曲線的平均激磁電流模型

平均電流法是求解激磁平均電流同待測(cè)電流間的數(shù)學(xué)關(guān)系,即傳感器傳變特性。傳統(tǒng)磁通門磁調(diào)制傳感器的建模和理論分析均基于三段式折線磁化模型,該模型假定磁芯磁化過(guò)程在飽和區(qū)和非飽和區(qū)均呈線性,以此將振蕩周期進(jìn)行分段分析。該模型簡(jiǎn)單,適用于原理驗(yàn)證與初步設(shè)計(jì),但該模型無(wú)法提現(xiàn)飽和拐點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)過(guò)程,會(huì)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果造成一定的影響,不適宜為優(yōu)化算法提供數(shù)學(xué)模型。本文以磁芯的反正切磁化曲線模型為基礎(chǔ)進(jìn)行開環(huán)測(cè)量方案的驗(yàn)證,以及電磁參數(shù)同非線性度關(guān)系的求解。

反正切磁化曲線模型為

B=atan-1(bH)

(1)

其中,a=2Bs/π,b=πμ0μm/2Bs,μ0=4π×10-7。

式中:Bs——飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度;

μ0——真空磁導(dǎo)率;

μm——相對(duì)磁導(dǎo)率。

當(dāng)待測(cè)電流為負(fù)時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度H(t)為

H(t)=N[iex(t)+Id1]/lm

(2)

其中,Id1=Id/N。

式中:N——繞組匝數(shù);

lm——磁芯有效磁路長(zhǎng)度;

Id1——?dú)w算后待測(cè)電流;

Id——待測(cè)直流電流。

根據(jù)B-H反正切擬合曲線可以求得電感L隨激磁電流的變化情況。

(3)

式中:Ψ——電感磁鏈;

S——磁芯截面積;

dB/diex——磁感應(yīng)強(qiáng)度隨激磁電流變化率。

(4)

結(jié)合KVL定律以及元件的VCR,則

(5)

式中:UH——方波激磁電壓uex的幅值。

針對(duì)正、負(fù)半周進(jìn)行分段簡(jiǎn)化計(jì)算為

(6)

其中,IH=UH/(Rs+Rc)為穩(wěn)態(tài)電流。

帶入電路初始條件為

iex(0)=-Im,iex(Tp)=Im

(7)

兩端積分求解Tp和TN為

(8)

其中,C=N2Sab/lm, D=bN/lm。

E=tan-1[D(Id1+Im)]-tan-1[D(Id1-Im)]

G=2[D(IH+Id1)]2+1

H=2[D(IH-Id1)]2+1

可進(jìn)一步求得平均激磁電流Iex為

(9)

式(9)為反正切函擬合函數(shù)模型下開環(huán)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)傳變模型,但該模型仍無(wú)法準(zhǔn)確看出待測(cè)電流同激磁電流平均值之間的線性關(guān)系。為驗(yàn)證該模型,做進(jìn)一步簡(jiǎn)化。實(shí)際電路中通常存在IH?Im?Id1,忽略對(duì)數(shù)項(xiàng),則

(10)

存在IH?Id1,式(11)可化簡(jiǎn)近似為

Iex≈-Id1=-Id/N

(11)

上述推導(dǎo)證明本方案下,待測(cè)電流同激磁電流平均值之間存在近似線性關(guān)系。

4 開環(huán)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

4.1 基于MOGA的開環(huán)參數(shù)優(yōu)化

開環(huán)樣機(jī)是直流磁通檢測(cè)的主要組件,其性能直接影響閉環(huán)樣機(jī)的性能。同時(shí)閉環(huán)樣機(jī)探頭尺寸極大程度上取決于開環(huán)樣機(jī)探頭尺寸。為實(shí)現(xiàn)精度達(dá)到0.5級(jí)且探頭尺寸足以集成于斷路器內(nèi)部,采用MOGA對(duì)系統(tǒng)電磁參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化。

精度σ以標(biāo)準(zhǔn)傳感器線性度函數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)為

(12)

式中: ΔYmax——實(shí)際輸出同理想直線之間的最大誤差,理想直線利用最小二乘法求得;

Y——最大測(cè)量范圍。

尺寸則以繞線之后的探頭外徑Dex為評(píng)價(jià)指標(biāo),為

Dex=Dexc+i·Dexl

(13)

式中:Dexc——磁芯外徑;

i——繞組層數(shù);

Dexl——漆包線直徑。

對(duì)應(yīng)上述目標(biāo)函數(shù),傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)其影響較大的參數(shù)包括最大磁導(dǎo)率μm,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs,激磁繞組匝數(shù)N,有效磁路長(zhǎng)度lm,采樣電阻Rs,翻轉(zhuǎn)電壓比R2/R1和激磁電壓幅值UH等7個(gè)的特征參數(shù)。其中最大磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度由鐵芯材料所直接確定,不易更改,故僅選取N、lm、Rs、R2/R1和UH等5個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目標(biāo)函數(shù)確定后,進(jìn)行優(yōu)化特征參數(shù)的選取,3.2中開環(huán)模型的特征參數(shù)共有7個(gè),考慮到實(shí)驗(yàn)并不具備磁芯材料生產(chǎn)能力,最大磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度參數(shù)按1K107鐵基納米晶材料參數(shù)選取,故可優(yōu)化的系統(tǒng)特征參數(shù)僅有激磁繞組匝數(shù)N,有效磁路長(zhǎng)度lm,采樣電阻Rs,翻轉(zhuǎn)電壓比R2/R1和激磁電壓幅值UH。

根據(jù)開環(huán)系統(tǒng)工作原理設(shè)定約束為

(14)

優(yōu)化算法選擇MOGA多目標(biāo)遺傳算法,MOGA原理如圖4所示。

圖4 MOGA原理

代入式(8)、式(9)的開環(huán)數(shù)學(xué)模型和式(12)～式(14)的目標(biāo)函數(shù)與約束條件,末代種群的pareto解集如圖5所示。

圖5 末代種群的pareto解集

圖5中為MOGA算法迭代結(jié)束后,末代種群個(gè)體與pareto最優(yōu)解集個(gè)體在目標(biāo)函數(shù)平面上的位置。其中pareto最優(yōu)解個(gè)體在整種群中位于左下部,處在整個(gè)末代種群的邊界上,更趨向于平面原點(diǎn)(0,0),即形成末代種群的pareto邊界,不被種群中其他個(gè)體所支配,為優(yōu)解。其余個(gè)體則落于邊界右上方,被邊界上的個(gè)體所支配,為劣解。迭代結(jié)束時(shí),種群個(gè)體大多已進(jìn)化至邊界附近,體現(xiàn)了其收斂性,實(shí)現(xiàn)了MOGA在開環(huán)系統(tǒng)體積與精度聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

4.2 優(yōu)化仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化方案與優(yōu)化結(jié)果的可行性和先進(jìn)性,利用電路設(shè)計(jì)軟件Multisim進(jìn)行仿真對(duì)比。仿真中磁芯參數(shù)采用廠家提供的B-H磁化曲線表數(shù)據(jù),利用Space語(yǔ)言中的Table函數(shù)導(dǎo)入非線性鐵芯繞組模型中,盡可能貼合實(shí)際結(jié)果。仿真測(cè)量時(shí)因開環(huán)電路量程較小,故僅測(cè)量對(duì)比10～200 A。

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性,選擇pareto解集中的某一解,將其參數(shù)帶入仿真電路中,統(tǒng)計(jì)其優(yōu)化限定量程內(nèi)誤差變化。隨后改變五個(gè)特征參數(shù),保證其外徑相近,分別記作優(yōu)化方案與方案1、方案2。再次仿真后計(jì)算其誤差變化?；诜凑心Ｐ偷膬?yōu)化方案同其他方案對(duì)比如表3所示;優(yōu)化前后誤差對(duì)比如圖6所示。

表3 基于反正切模型的優(yōu)化方案同其他方案對(duì)比

圖6 優(yōu)化前后誤差對(duì)比

由圖6可見,3個(gè)方案最大誤差都在待測(cè)電流10 A處,其中優(yōu)化方案的最大誤差僅為1.02%,遠(yuǎn)小于方案1和方案2的2.46%和2.14%。10～200 A測(cè)量范圍內(nèi),反正切優(yōu)化方案下的平均誤差僅為0.45%,方案1和方案2的平均誤差分別為1.10%和1.02%。對(duì)比分析可知,優(yōu)化方案在體積一定的前提下,其誤差最小,驗(yàn)證了該優(yōu)化方案為pareto最優(yōu)解。

為驗(yàn)證反正切模型下MOGA算法的先進(jìn)性,將傳統(tǒng)的三段式模型帶入優(yōu)化算法中,求取該模型下的最優(yōu)解集?？紤]到體積模型簡(jiǎn)易且精準(zhǔn),兩種優(yōu)化算法僅會(huì)在誤差上存在差異,故二者的pareto最優(yōu)解集中找到體積相近但線性度不同的優(yōu)化方案,將反正切優(yōu)化方案記為X1,三段式優(yōu)化方案記為X2,帶入仿真電路中?；谌问侥Ｐ秃头凑心Ｐ偷膬?yōu)化方案對(duì)比如表4所示。

表4 基于三段式模型和反正切模型的優(yōu)化方案對(duì)比

分別將二者特征參數(shù)帶入仿真電路中,統(tǒng)計(jì)其誤差,基于三段式模型與反正切模型的優(yōu)化結(jié)果誤差對(duì)比如圖7所示。

圖7 基于三段式模型與反正切模型的優(yōu)化結(jié)果誤差對(duì)比

分析表4與圖7可知,反正切優(yōu)化方案在體積略小于三段式優(yōu)化方案的同時(shí),最大誤差為1.02%,降低33%,整體平均誤差為0.45%,降低25%。即完全pareto支配,反正切模型下的pareto解更優(yōu)。驗(yàn)證了更貼合實(shí)際的反正切模型在優(yōu)化過(guò)程中可以迭代至更優(yōu)的種群,獲取更優(yōu)的pareto邊界。更高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)了MOGA算法在該領(lǐng)域的應(yīng)用,體現(xiàn)了非線性反正切磁化模型下MOGA算法的先進(jìn)性。

5 閉環(huán)電路設(shè)計(jì)

5.1 閉環(huán)電路拓?fù)?/h3>

開環(huán)系統(tǒng)要求磁芯必須在一個(gè)周期內(nèi)具備雙向飽和特性,但隨著待測(cè)電流的增加,激磁電流波形將逐漸喪失某一飽和區(qū)域,鐵芯僅工作于非飽和區(qū)正或負(fù)向飽和區(qū),此時(shí)定義為特性喪失點(diǎn)。該點(diǎn)測(cè)量誤差最大,系統(tǒng)瀕臨崩潰,也是開環(huán)系統(tǒng)的最大測(cè)量點(diǎn),約束了測(cè)量量程。隨著磁芯體積的縮小,有效磁路長(zhǎng)度迅速減小,達(dá)到特性喪失點(diǎn)速度加快,量程也就進(jìn)一步縮小。

為實(shí)現(xiàn)大電流的測(cè)量,在優(yōu)化好開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加磁反饋回路,構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)零磁通測(cè)量。閉環(huán)系統(tǒng)中,激磁磁芯內(nèi)偏磁信號(hào)同反饋信號(hào)相互抵消,近似只存在激磁信號(hào),故閉環(huán)系統(tǒng)中測(cè)量量程僅取決于反饋電路參數(shù),受特性喪失現(xiàn)象的影響較小,可擴(kuò)大量程。電路采用新型的三磁芯四繞組結(jié)構(gòu),閉環(huán)系統(tǒng)基本電路如圖8所示。

圖8 閉環(huán)系統(tǒng)基本電路

該閉環(huán)系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)部分：

(1) 自激振蕩電路。由運(yùn)放,自激振蕩繞組和外圍電阻構(gòu)成,主要用以產(chǎn)生調(diào)制信號(hào),形成雙向飽和電流。

(2) 反向電路。由反向器和反向繞組構(gòu)成,對(duì)前級(jí)RL多諧振蕩器的輸出電壓波形進(jìn)行反向處理,用以進(jìn)行磁鏈抵消,降低傳導(dǎo)和感應(yīng)紋波。根據(jù)其原理可知,反相電路和自激振蕩電路輸出波形的對(duì)稱性是決定閉環(huán)系統(tǒng)精度和可靠性的關(guān)鍵。

(3) 信號(hào)處理電路。由加法器和濾波電路構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)直流信號(hào)和振蕩信號(hào)的解調(diào),降低傳導(dǎo)紋波,提供直流反饋信號(hào)。

(4) 交流電流。用以降低因自激振蕩電路和反相電路不對(duì)稱所產(chǎn)生的感應(yīng)調(diào)制紋波。

(5) 積分反饋電路。由運(yùn)放,阻容元件和反饋繞組構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)磁通補(bǔ)償。

通過(guò)以上電路結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)在最大輸出功率約束下,反饋信號(hào)同待測(cè)電流呈線性相關(guān),即Id=NfIf,實(shí)現(xiàn)零磁通。

5.2 閉環(huán)方案仿真驗(yàn)證

利用Multisim對(duì)閉環(huán)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證,閉環(huán)系統(tǒng)仿真激磁電流和反饋信號(hào)波形如圖9所示;閉環(huán)系統(tǒng)仿真誤差如圖10所示。

圖9 閉環(huán)系統(tǒng)仿真激磁電流和反饋信號(hào)波形

圖10 閉環(huán)系統(tǒng)仿真誤差

由圖9可見,待測(cè)電流為600 A時(shí),閉環(huán)系統(tǒng)中激磁電流正負(fù)半周仍近似對(duì)稱,探頭近似處于零磁通狀態(tài),反饋信號(hào)近似為一條直線,僅在激磁磁芯飽和處出現(xiàn)短暫的波動(dòng),該波動(dòng)主要由激磁電流同反向電流不能完全對(duì)稱所致?？梢詼y(cè)得30～800 A直流電流,對(duì)比GB/T 20840.8可知,針對(duì)額定值為630 A傳感設(shè)備,測(cè)量誤差優(yōu)于0.1級(jí)。國(guó)標(biāo)中關(guān)于誤差限值的規(guī)定[16]如表5所示。

表5 國(guó)標(biāo)中關(guān)于誤差限值的規(guī)定

由表5可知,仿真系統(tǒng)誤差完全滿足0.1級(jí)電流傳感器需求,相較于開環(huán)系統(tǒng),量程擴(kuò)大,誤差縮小,初步驗(yàn)證了閉環(huán)方案的可行性。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合圖8中的基本電路拓?fù)?選擇合適的精密運(yùn)放與阻容參數(shù)進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)。磁芯選擇新興的1K107鐵基納米晶合金磁性材料,該材料具有較高磁導(dǎo)率,同時(shí)相較于傳統(tǒng)坡莫合金價(jià)格更低,可以在保證性能的同時(shí)有效降低成本。傳感器繞組和探頭參數(shù)如表6所示;基于參數(shù)優(yōu)化的傳感器樣機(jī)如圖11所示。

表6 傳感器繞組和探頭參數(shù)

圖11 基于參數(shù)優(yōu)化的傳感器樣機(jī)

為降低測(cè)試裝置引入的誤差,采用TDK-Lambda GSP10-1000(最大輸出電流1 000 A,最大輸出功率10 kW)直流電源作為待測(cè)電流輸出用功率電源,保證待測(cè)電流幅值滿足需求;以LEM IN1000-S (精度3 ppm)電流傳感器和ZLG PA6000H(精度100 ppm)功率分析儀構(gòu)成的測(cè)量裝置作為對(duì)比用標(biāo)準(zhǔn)源,保證誤差計(jì)算可靠;采用Agilent 34420A(精度30 ppm)七位半高分辨數(shù)字萬(wàn)用表和Fluke 289C(精度250 ppm)數(shù)字萬(wàn)用表作為樣機(jī)參數(shù)測(cè)量?jī)x表,減小因參數(shù)誤差帶來(lái)的計(jì)量誤差。樣機(jī)激磁電流和反饋信號(hào)波形如圖12所示;樣機(jī)誤差如圖13所示。

圖12 樣機(jī)激磁電流和反饋信號(hào)波形

圖13 樣機(jī)誤差

由圖12可知,樣機(jī)激磁頻率為184.1 Hz,激磁電流峰值約為25 mA,反饋信號(hào)波動(dòng)最大處出現(xiàn)于激磁電流飽和點(diǎn)。而圖13表明,最大測(cè)量電流可達(dá)900 A,誤差全量程不超過(guò)0.2%,平均誤差僅為0.038 5%。相較于仿真結(jié)果,考慮元器件一致性差異以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的環(huán)境干擾,反饋信號(hào)波動(dòng)和誤差有所增大,但可認(rèn)為仿真基本可以反映實(shí)際情況,進(jìn)一步證實(shí)了閉環(huán)系統(tǒng)的可行性。同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算樣機(jī)900 A測(cè)量范圍內(nèi)最大線性度誤差為0.073%,對(duì)比表4國(guó)標(biāo)誤差要求,閉環(huán)實(shí)物樣機(jī)完全滿足0.2級(jí)傳感器要求。

閉環(huán)電路芯片存在上電零點(diǎn)偏移,為驗(yàn)證上電零點(diǎn)穩(wěn)定性,對(duì)傳感器樣機(jī)進(jìn)行重復(fù)上電實(shí)驗(yàn)。切除待測(cè)電流,上電后等待15 min,隨后進(jìn)行3 min測(cè)量,取測(cè)量結(jié)果的最大值與平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),測(cè)量結(jié)束后關(guān)機(jī)等待半小時(shí),重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),共做15組。開機(jī)重復(fù)上電試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 開機(jī)重復(fù)上電試驗(yàn)結(jié)果

由圖14可知,15次的重復(fù)上電試驗(yàn)并未出現(xiàn)零點(diǎn)電流明顯波動(dòng),樣機(jī)零漂平均值的標(biāo)準(zhǔn)差為3.93 μV,零漂重復(fù)性誤差約為1.95 ppm,其上電重復(fù)性表現(xiàn)良好,驗(yàn)證了測(cè)量結(jié)果的可靠性。

7 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)市面現(xiàn)有商用直流磁通門電流傳感設(shè)備無(wú)法滿足目前高精度集成化測(cè)量需求的現(xiàn)狀,研究了自激式磁通門傳感器的基本原理,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并開展了仿真與樣機(jī)試驗(yàn),結(jié)論如下：

(1) 非線性反正切磁化曲線模型相較于傳統(tǒng)的三段式擬合模型更加貼合實(shí)際磁化曲線,更真實(shí)地反映激磁周期內(nèi)磁芯磁導(dǎo)率變化過(guò)程。所得到的自激式磁通門傳感系統(tǒng)模型更準(zhǔn)確,更好地服務(wù)于MOGA算法對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合仿真。

(2) 閉環(huán)系統(tǒng)可以在不增加探頭外徑的前提下,有效地避免出現(xiàn)雙向飽和特性喪失現(xiàn)象,從而大大提升傳感器測(cè)量量程與精度。

(3) 根據(jù)優(yōu)化結(jié)果所設(shè)計(jì)的傳感設(shè)備具備寬量程、高精度與小體積特征,相較于磁通門傳感器龍頭企業(yè)LEM公司cab產(chǎn)品,在保證線性度的前提下,外徑縮減25%,精度優(yōu)于國(guó)標(biāo)0.2級(jí)要求,量程拓寬后可滿足630 A智能塑殼斷路器電流量測(cè)需求。

(4) 當(dāng)前設(shè)計(jì)缺乏對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的準(zhǔn)確建模與優(yōu)化,下一步將圍繞閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行模型建立,對(duì)其厚度、誤差以及功耗進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化;同時(shí)本設(shè)計(jì)僅實(shí)現(xiàn)量測(cè)需求,后續(xù)將進(jìn)一步擴(kuò)大量程以滿足保護(hù)需求,形成智能配電用塑殼斷路器的全新方案。