基于Simulink的零磁通微电流传感器的仿真与实验*

王 文,吝伶艳,乔记平,宋建成

(太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室,太原 030024)

基于Simulink的零磁通微电流传感器的仿真与实验*

王 文,吝伶艳*,乔记平,宋建成

(太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室,太原 030024)

根据零磁通补偿原理,基于Simulink平台建立了带有零磁通补偿的微电流传感器模型。为了快速准确地补偿微电流传感器的误差,提高微电流传感器的测量精度。该模型中的补偿单元采用有源与无源相结合的方法对对输出电流进行相位和幅值补偿。通过对仿真结果的分析,证明了该模型的正确性和有效性。并根据模型研制出了一种零磁通微电流传感器,对其误差进行测量。结果表明利用该补偿方法时电流传感器在测量微安级到毫安级的工频电流时准确度可达到0.2级,且补偿方式方便快捷。

微电流传感器;零磁通;有源补偿;无源补偿;

高精度微电流传感器是实现电力系统在线监测的重要工具,是整个在线监测系统中的重要组成部分,担负着采集信号的任务。因为需要测量的泄漏电流数量级均在几微安到几十微安,普通的小电流传感器难以满足需求。所以,研制一种高精度的,灵敏度好的,适用于强电磁场环境下的微电流传感器对电气设备绝缘状态的在线监测具有重要意义[1]。

目前已研制出的电流传感器虽然精度及灵敏度都有了很大的提高,但是仍旧无法准确测量微安级的泄漏电流。基于零磁通原理的电流传感器可以通过各种补偿手段减小测量误差,适合用于测量微安级工频电流。通常带有零磁通补偿的电流传感器在结构上分为双级磁芯结构和单磁芯结构[2],单磁芯结构的零磁通电流传感器结构简单,方便实现,但是补偿精度低于双级磁芯结构的电流传感器。国内外学者主要致力于加入不同的补偿方法以提高测量精度。如Slomovitz等人研制的电流传感器采用单磁芯结构,利用电子电路使得补偿的电流达到自校准状态以减小误差[3],该传感器可以测量10 A到100 mA的低频电流,准确度为0.5级。Aleksandrs Dolgicers在双级磁芯的电流传感器结构上加入微处理器,通过建立模型对磁芯的动态磁滞曲线进行预测[4-5],从而提高测量灵敏度。但是由于软件的参与和A/D转换误差,实现方式复杂,在测量微安级工频交流时补偿精度不高。因此研究基于零磁通原理的补偿方法对于提高微电流传感器的测量精度以及补偿速度至关重要。

本文利用 MATLAB软件中的动态仿真工具 Simulink 软件包建立零磁通电流传感器模型,对微电流传感器的补偿方法进行仿真分析,将电子电路的有源补偿方式与补偿绕组并联电容的无源补偿方式结合以达到“零磁通”状态。并根据上述模型研制了一种微电流传感器,通过实验验证得到利用该补偿方法提高了微电流传感器的测量精度,证明了模型的正确性。

1 零磁通补偿原理

电磁式电流传感器由一次侧电流和二次侧电流根据磁感应耦合原理实现能量传递,输出结果的误差主要由建立磁通所需的激磁电流造成。若使得激磁电流为零,则激磁磁势为0,误差即为零,则电流传感器工作在“零磁通”状态[6],且工作于磁化曲线的线性段。但是实际上,无激磁电流,磁芯中不会存在磁通,一次侧和二次侧的能量无法传递。但是“零磁通”状态可以靠外界条件进行补偿或者调整。

结构上,带有零磁通补偿的电流传感器在主磁芯T1基础上增设了辅助磁芯T2、绕制于辅助磁芯T2的检测绕组N0、以及与二次侧绕组N2共同绕制于主磁芯T1的补偿绕组N3[7]。如图1所示。

图1 零磁通补偿结构

在未补偿前,两个磁芯的磁动势平衡方程分别为:

(1)

(2)

加入补偿后的磁动势平衡方程为:

(3)

(4)

两个磁芯的磁势平衡方程变为:

(5)

(6)

由上式得到此时主磁芯的磁通为0,达到“零磁通”补偿效果。利用绕制在主磁芯上的检测绕组检测出一次侧电流通过主磁芯的磁通密度B[8],根据磁路定理可得:

(7)

B=μH

(8)

Φ=BS

(9)

e=-N0·dΦ/dt

(10)

式中:H为磁场强度,B为磁感应强度,l、μ、S分别为磁芯的平均磁路长度、磁导率、截面积。Φ为磁通。e为绕组上的感应电压。

检测绕组N0两端感应电压为:

(11)

从式(11)中发现检测绕组的感应电压带有激磁电流的信息。通过提取激磁电流的幅值,相位信息对输出电流进行动态补偿[9]。因此,如何快速准确地对电流传感器进行补偿是关键。本文基于零磁通原理采用有源补偿与无源补偿相结合的方式对输出电流进行相位和幅值补偿,使工作磁芯达到“零磁通”工作状态。

2 电流传感器模型的建立

Simulink是一个用来进行系统仿真建模分析的集成软件包,比传统的仿真软件更直观、方便。通过与MATLAB、C语言等其他软硬件之间进行数据传递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双级电流传感器模型,在相同条件下通过与未加任何补偿措施的传统的单磁芯电流传感器进行比较以验证模型的有效性。

零磁通电流传感器的模型由两部分构成:感应单元以及补偿单元。感应单元通过Simulink中的Transformer实现,感应单元的搭建主要涉及参数的设置。包括一次侧绕组电阻R1、二次侧绕组电阻R2、相应的漏抗L1、L2、励磁电阻Rm以及磁芯线圈的非线性励磁电感Lm。上述参数可以通过实际绕制的线圈参数计算和查表得到。

图2 零磁通补偿模型

模型中电流源的产生通过在正弦电压源上串联电阻实现。利用改变串联电阻变换一次侧电流的大小,将输出的电流与一次侧电流进行比较,加入傅里叶变换模块进行计算得到幅值相位信息。

本课题研究的微电流传感器的工作原理与电流互感器相同,因此参照2010年最新颁布的JJG313—2010《测量用电流互感器规程》对设计的微电流传感器进行测量准确度的判断。该规程适用于额定频率为50 Hz的测量用电流互感器的检定。且该规程对于电流互感器的误差限制有明确规定。判断电流互感器准确度的两个重要指标为比差、角差。其中,比差表示为二次侧电流幅值乘以变比K1n与一次侧电流幅值之差除以一次侧电流幅值,单位是百分比;角差表示为二次侧电流向量反向后与一次侧电流向量的角度差,单位是′。通过测量比差及角差以验证模型的正确性。

当输入电流为1 mA时,通过重复性测量得到,补偿前后的比差与角差的测量结果为-2.4%、-0.47%、2.884°、0.78°。

仿真结果表明带有零磁通补偿的电流传感器较普通电流传感器,在相位及幅值的测量上都更精确,且该补偿方法对比差的补偿效果较明显。证明了该模型的正确性。

3 实验验证

为验证上述模型的有效性,本文根据上述模型研制了零磁通微电流传感器。该传感器包括感应单元、信号处理单元及补偿单元。

首先根据电磁感应原理以及电流传感器的等效电路图推导误差公式,得到误差的影响因素与磁芯的尺寸及材料、绕组匝数及负载阻抗有关。综合各种影响因素,设计了微电流传感器的感应部分。

电流传感器二次侧获得的电流信号流经负载后变为电压信号,仍为微弱信号,往往混有各种噪声,信号处理电路主要用来排除信号中的干扰噪声从而获得有用的信息。电流传感器输出的模拟信号一般要经过放大、滤波和数字化等环节才能供检测系统所用。因此,信号处理单元包括前置放大电路、低通巴特沃兹滤波电路、后级放大电路。

信号补偿单元采用有源补偿与无源补偿结合的方法对输出电流的相位及幅值进行动态补偿。其中,有源补偿电路包括高精度放大电路、低通巴特沃斯滤波电路[12]、移相电路以及Howland电流源型V/I转换电路[13]。高精度放大电路和低通滤波电路用于对检测绕组N0两端的微弱电压信号进行调理,移相电路以及V/I转换电路实现的功能是将感应电压转换为超前90°的电流信号,送入补偿绕组N3进行补偿。基于零磁通原理的有源电子电路补偿方法可以快速,有效并准确的补偿输出的误差。无源补偿是利用固定容抗值的电容器对输出电流的相位误差进一步补偿,改善负载特性。

微电流传感器基于电磁感应原理对微弱电流耦合达到检测目的,因此除了被测电流还会有干扰信号也会被耦合到二次侧。干扰源主要来自于外界噪声,高频电磁干扰,电源噪声等等。需要在微电流传感器外部加入屏蔽措施,保证测量结果的准确性。对于电流传感器一般采用多层屏蔽结构。多层屏蔽结构选择最外层为铜材料,作为电屏蔽层;磁屏蔽分别为坡塻合金以及铁皮。

实验过程中,利用信号发生器发出电压信号加在精密电阻两端用于产生一次侧电流。二次侧输出的信号经过补偿电路后送入信号调理电路进行放大滤波,输出信号经由采集卡送入上位机进行分析计算,得到输入电流不同时的比差及角差。实验图如如3所示,分析计算得到的误差结果如表1、表2所示。

从表1、表2测量结果可知,该微电流传感器的测量范围在200μA到1mA,适用于工频泄漏电流的测量。根据《测量用互感器检定规程》中关于电流传感器误差的规定,电流传感器达到了0.2级的准确度。结果表明:基于零磁通原理的电流传感器较传统的电流传感器,在相角及幅值的测量上都更精确。同时也证明了该补偿模型的有效性。

图3 实验示意图

电流/mA补偿前的角差/(')补偿后的角差/(')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 比差测量结果

4 结论

为了提高微电流传感器的测量精度,本文首先通过对零磁通原理的分析与研究,基于MATLAB的Simulink环境下建立了零磁通电流传感器模型,提出了将有源补偿与无源补偿相结合对输出电流进行快速准确补偿的方法。研究成果如下:①建立了双级零磁通电流传感器模型,利用S函数等模块实现了补偿功能,并对补偿方法进行仿真分析,与普通电流传感器进行了对比性仿真实验,通过仿真结果证明了该模型的正确性;②基于模型通过搭建实验平台进行实验验证,实验结果得出带有零磁通补偿的微电流传感器在测量200 μA～1 mA的工频电流时准确度可达到0.2级,证明了零磁通补偿原理的正确性以及该补偿模型的有效性。

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王文(1990-),女,硕士研究生,研究方向为电力系统监测及传感器研究,wangyiwangwen@126.com;

吝伶艳(1969-),女,副教授,研究方向为智能电器技术,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

项目来源:国家自然科学基金面上项目(51377113);山西省研究生联合培养基地人才培养项目(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