智能脫扣器高精度電流測量的設(shè)計(jì)

1、16電工電氣 (2009 no.4)電流測量的精度是智能脫扣器的最重要指標(biāo)，其高低直接體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的好壞，決定了保護(hù)動(dòng)作控制功能的準(zhǔn)確性。智能脫扣器的電流測量采用的是基于茹可夫斯基(rogowski)線圈的電流互感器，它具有一定范圍內(nèi)線性度好、無磁飽和、測量頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。 智能脫扣器測量電流范圍從幾十安到幾萬安1，電流互感器感應(yīng)輸出的電壓信號(hào)在這一范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)線性失真，致使測量精度降低，無法達(dá)到理論設(shè)計(jì)精度，因此在后級(jí)的信號(hào)變換電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換軟件處理時(shí)應(yīng)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，以減少線性失真。1 rogowski線圈的工作原理rogowski 線圈是在1912年由俄國

2、科學(xué)家首先提出，其工作原理是根據(jù)安培環(huán)路定律和法拉第電磁感應(yīng)定律得出，它實(shí)際上是均勻密繞在一環(huán)形非磁性骨架上的空心螺線管，由于骨架為非鐵磁材料，因而在理論上不存在磁滯、飽和或非線性問題，傳智能脫扣器高精度電流測量的設(shè)計(jì)程秀光(中國江南航天集團(tuán)公司 技術(shù)中心，貴州 貴陽 550006)abstract: intelligent releases current measurement adopted current transformer based on rogowski coils. working principle and design of signal changing circui

3、t was introduced, interrupting ? ow chart and modi ? ed method for sampling given and releases current measurement accuracy and cor-rectness of protection action control function raised. the design meets users requirements of high performance intelligent release .key words: rogowski coil; intelligen

4、t release; high accuracy current measurement; signal changingcheng xiu-guang（technical center of china jiangnan aerospace group co., ltd, guiyang 550006, china）design of intelligent releases high accuracy current measurement摘 要 ： 智能脫扣器的電流測量采用的是基于茹可夫斯基(rogowski) 線圈的電流互感器。介紹了rogowski線圈的工作原理和信號(hào)變換電路的設(shè)計(jì)，

5、給出了 adc 采樣的中斷流程圖和采樣數(shù)據(jù)的修正方法，提高了脫扣器的電流測量精度和保護(hù)動(dòng)作控制功能的準(zhǔn)確性，滿足了用戶對(duì)高性能智能脫扣器的要求。關(guān)鍵詞 ： 茹可夫斯基線圈； 智能脫扣器 ； 高精度電流測量 ；信號(hào)變換中圖分類號(hào) ：tm930.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ： b 文章編號(hào) ：1007-3175(2009)04-0016-03作者簡介： 程秀光(1975- ) ，男，工程師，工程碩士，主要從事智能機(jī)電產(chǎn)品軟硬件設(shè)計(jì)。感器在幾安到幾百千安的范圍內(nèi)仍然具有優(yōu)良的線性2。它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。輸出電壓正比于被測電流的變化率，rogowski線圈的截面采用矩形，其輸出電壓為：式中 ：i為被測電流

6、；h為骨架高度；n為線圈匝數(shù) ；b為骨架的外徑；a為骨架的內(nèi)徑；0為真空磁導(dǎo)率。當(dāng)線圈均勻密繞，骨架的內(nèi)徑盡可能小，而且線圈內(nèi)不存在磁場梯度方向的分量時(shí)，公e(t) mdidt(1)智能脫扣器高精度電流測量的設(shè)計(jì)i(t)e(t)圖1 rogowski線圈結(jié)構(gòu)示意圖(2)m=- ln0nh2 ba互感系數(shù)為：17電工電氣 (2009 no.4)式 (1) 近似成立。因此，對(duì)rogowski線圈的輸出電壓積分即可還原出被測電流3。rogowski線圈的測量準(zhǔn)確度取決于穩(wěn)定的互感系數(shù)m。為了獲得理想狀態(tài)下的空芯線圈，制作時(shí)盡可能滿足以下條件： (1) 單位骨架長度上的線圈密度恒定 ； (2) 每一匝

7、線圈的橫截面與中心線垂直； (3)骨架截面積恒定。上述條件對(duì)繞制工藝提出了極高的要求，為了保證精度，采用自動(dòng)化程度很高的繞線機(jī)進(jìn)行加工。對(duì)繞制好的線圈進(jìn)行嚴(yán)格檢測和篩選，保證線圈整個(gè)測量范圍的線性度和精度。2 信號(hào)變換電路的設(shè)計(jì)信號(hào)變換電路的主要功能是將電流互感器的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換，使信號(hào)能滿足測量要求。設(shè)計(jì)采用的 adc范圍為 0 5 v，因此，電流互感器感應(yīng)的電壓信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后送到adc端口的 50hz交流信號(hào)的峰峰值不能超過5v4。為了滿足斷路器測量范圍的不同和 2%的理論設(shè)計(jì)精度，電流互感器設(shè)計(jì)成不同的規(guī)格，其輸出電壓在0 12v( 有效值 ) 之間，由于電壓輸出范圍較大，為了提高小信號(hào)

8、的信噪比，降低大信號(hào)的幅度，設(shè)計(jì)采用雙通道兩段放大系數(shù)的方法，當(dāng)信號(hào)小時(shí)用信號(hào)變換電路進(jìn)行放大，信號(hào)大時(shí)進(jìn)行衰減。在設(shè)計(jì)中，小量程的測量范圍選擇為(0 2.5)in，大量程的測量范圍選擇為(1.5 25)in，大小通道的增益比為10，通道量程倍數(shù)交替，可以很好地克服瞬時(shí)跳變問題， 使采樣處理平滑， 減少誤差，提高精度，電路的原理圖如圖2 所示。器輸出轉(zhuǎn)換電壓峰值小信號(hào)通道大于2.2v時(shí)，軟件處理的采樣數(shù)據(jù)應(yīng)切換到大信號(hào)通道采樣數(shù)據(jù)。表1給出了脫扣器兩種電流互感器對(duì)應(yīng)的大小信號(hào)通道切換和最大可測量信號(hào)值。在信號(hào)變換電路部分還有一個(gè)重要的電路，就是 adc采樣參考穩(wěn)壓電路，用于分割互感器正弦信號(hào)的

9、正負(fù)半周。由于adc 通道的采樣范圍是0 5 v，因此，參考電壓設(shè)為2.5 v。這樣就可以采集信號(hào)的負(fù)半周信號(hào)，原理圖如圖3 所示。該參考穩(wěn)壓電路要求非常高，必須選擇參數(shù)穩(wěn)定性好、溫度漂移系數(shù)較小的器件，否則，將會(huì)在電路上產(chǎn)生直流偏置信號(hào)，降低采樣的精度。該信號(hào)變換電路雖然很好地考慮整個(gè)量程的線性度要求， 但是，由于運(yùn)算放大器存在著失調(diào)電流、溫度漂移、偏置電流大等問題，經(jīng)運(yùn)放積分電容的不斷積累，會(huì)出現(xiàn)所謂的“積分漂移”問題，給測量帶來更大的誤差。因此，要求合理設(shè)計(jì)電路參數(shù)，選用溫漂小的積分電容，軟件處理數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行修正等措施，可以將硬件運(yùn)放信號(hào)轉(zhuǎn)換誤差控制在理論設(shè)計(jì)所允許的涉及范圍內(nèi)。

10、3 adc 采樣的中斷處理adc采樣設(shè)計(jì)為1個(gè)電流周期20ms內(nèi)采樣 64點(diǎn)，即每隔0.312 5 ms采樣一次數(shù)據(jù)。為了保證采樣間隔的均勻，運(yùn)用mcu的定時(shí)器t0實(shí)現(xiàn)中斷，在 t0 中斷時(shí)啟動(dòng)adc轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換完成時(shí)進(jìn)入adc中斷讀取數(shù)據(jù)，如圖4 所示。 t0 中斷內(nèi)涉及到信號(hào)大小通道的切換問題，當(dāng)信號(hào)數(shù)據(jù)大于設(shè)定的智能脫扣器高精度電流測量的設(shè)計(jì)圖3 穩(wěn)壓電路c18an4r33r32tlc2274+-r31r30r29an5+-c14c15r282.5vr27c16r25r23r26r24c13tlc22745vc17圖2 信號(hào)變換電路r5r45v5vr3rp12.5vtl061+-信號(hào)電路

11、設(shè)計(jì)成雙通道，均是中心頻率為50hz的濾波器，這樣可以提高信號(hào)通道的抗干擾能力，采用這種濾波器的特點(diǎn)是，電路的暫態(tài)過程不會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)過沖現(xiàn)象，克服了瞬時(shí)測量的誤差，保證了瞬時(shí)保護(hù)的可靠性，因而提高了系統(tǒng)的性能。根據(jù)adc 通道轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的范圍，電流互感互感器規(guī)格小信號(hào)通道最大值大信號(hào)通道最大值額定電壓/mv額定電流/a信號(hào)峰值/v信號(hào)有效值/v測量電流有效值/a信號(hào)峰值/v信號(hào)有效值/v測量電流有效值/a125 1 0000.8000.56756708.0005.6705670070 1 0001.4321.0121012014.321 10.124101240表1 信號(hào)通道測量值18電工電氣

12、 (2009 no.4)通道切換值時(shí)進(jìn)行通道切換，但是這樣會(huì)造成數(shù)據(jù)的瞬變效應(yīng)，影響采樣數(shù)據(jù)的精度，為了解決這個(gè)問題，利用磁阻特性曲線的原理，讓大小通道的切換有一個(gè)數(shù)據(jù)疊加區(qū)域，這樣數(shù)據(jù)過渡就比較平滑，避免數(shù)據(jù)的瞬變效應(yīng)。4 采樣數(shù)據(jù)的軟件處理采樣到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過軟件處理，乘以設(shè)計(jì)的理論系數(shù)才能得到需要的測試電流。根據(jù)adc 模塊的轉(zhuǎn)換特性和設(shè)計(jì)的要求精度，adc 轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)計(jì)為：1個(gè)信號(hào)周期 20 ms 內(nèi)采樣 64個(gè)點(diǎn)，一次采樣全部通道，采用真有效值算法，這樣可以保證采樣數(shù)據(jù)的同步性，更利于諧波抗干擾的處理判斷。根據(jù)周期性連續(xù)函數(shù)有效值的定義，電流的有效值表達(dá)式為：上式中，t為電流的周期。

13、將這個(gè)函數(shù)離散化，可以得到電流有效值的離散表達(dá)式： 其中n=64為每周波采樣點(diǎn)數(shù)，i(k) 為電流的離散采樣值。這樣采到的電流能真實(shí)地反映電網(wǎng)電流參數(shù)的變化，具有很高的精度。為了得到理想的設(shè)計(jì)精度，需要采用如下的方法進(jìn)行處理5：(1) 限幅濾波法。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值，每次檢測到新值時(shí)作判斷，如果本次值與上次值之差小于設(shè)計(jì)的最大偏差值，則本次采樣值有效；如果本次值與上次值之差大于設(shè)計(jì)的最大偏差值，則本次采樣值無效，放棄本次值，用上次值代替本次值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，特別適用于脫扣器瞬時(shí)保護(hù)特性的判斷，提高瞬時(shí)動(dòng)作的可靠性。

14、(2) 遞推平均濾波法。將采樣到的連續(xù)數(shù)據(jù)取n個(gè)排成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長度固定為n，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù) ( 先進(jìn)先出原則) 。把隊(duì)列中的n個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，能解決信號(hào)通道紋波干擾大的問題。(3) 非線性修正。運(yùn)用以上方法雖然可以克服單點(diǎn)間的干擾誤差，但卻無法克服由于rogowski線圈加工生產(chǎn)工藝達(dá)不到理想條件和信號(hào)變換電路自身參數(shù)變化引起的線性度差的問題。按照理論設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)，測量通道信號(hào)在整個(gè)測量范圍內(nèi)，應(yīng)該是一條理想的直線，實(shí)際卻無法做到，會(huì)出現(xiàn)下端小信號(hào)時(shí)數(shù)據(jù)上揚(yáng)偏大，而在上端

15、大信號(hào)時(shí)數(shù)據(jù)下垂，偏離理論的設(shè)計(jì)曲線，如圖5所示。非線性誤差修正方法主要有線性插值法，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際曲線與理論曲線的擬合。線性插值的方法如下，對(duì)于值介于兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)之間時(shí)，可以按最鄰近的一個(gè)值或去查找對(duì)應(yīng)的值，作為最后的結(jié)果。利用分段直線擬合來提高準(zhǔn)確度，最簡單的是線性內(nèi)插。(3)i=i2(t)dt1tt0智能脫扣器高精度電流測量的設(shè)計(jì)a)定時(shí)器t0中斷流程圖b)模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣中斷流程圖圖4 中斷流程圖(4)n-11nk=0i= i2(k)理論曲線實(shí)際曲線ti0圖5 測量線性圖t0 中斷進(jìn)入采樣電流周期20ms到？n啟動(dòng)a/ d采樣中斷退出計(jì)算采樣數(shù)據(jù)y64點(diǎn)采樣周期 完成？n閉a/ d采樣中斷退出

16、讀取采樣數(shù)據(jù)y保存單點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)采樣數(shù)據(jù) 有效？重新啟動(dòng)采樣保存采樣數(shù)據(jù)yna/ d采樣中斷進(jìn)入(下轉(zhuǎn)第33頁)33電工電氣 (2009 no.4)高頻開關(guān)電源有源 emi濾波器應(yīng)用研究從圖4可以看出，在電路加上 acef 后，a、b兩點(diǎn)之間的電壓uab有大幅度的衰減，表明 acef 對(duì)共模干擾有比較明顯的抑制作用，也證明了本文研究的acef 思想是可行和有效的。4 結(jié)語針對(duì)傳統(tǒng)無源emi濾波器存在的不足和問題，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，研究了開關(guān)電源acef 有源濾波新技術(shù)，并具體設(shè)計(jì)、制作和實(shí)現(xiàn)了有源濾波器，通過電路仿真和理論分析，證明了所研究的acef 電路的有效性。本文研究的有源共模 emi濾波器技

17、術(shù)不僅能有效地抑制共模干擾，還滿足了開關(guān)電源物理特性的要求。實(shí)驗(yàn)證明有源 emi濾波器工作穩(wěn)定，濾波效果良好。而且由于所用的元器件比較少，并沒有占據(jù)非常大的空間，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊，濾波器的體積有了明顯的減小，符合開關(guān)電源進(jìn)一步發(fā)展的要求。在開關(guān)電源體積越來越小，功率密度越來越大的趨勢下， emi/emc問題成為了開關(guān)電源穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素。 emi 有源濾波技術(shù)從電磁干擾的傳播途徑出發(fā)來抑制干擾，可濾除多種原因產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾，消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑，是一種抑制尖脈沖干擾的有效措施，同時(shí) emi有源濾波器也是電子設(shè)備設(shè)計(jì)工程師控制傳導(dǎo)電磁干擾和輻射電磁干擾的首選工具。參考文獻(xiàn)1 路宏敏 . 工程電磁兼容 m. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2003.2 楊克俊 . 電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù) m. 北京：人民郵電出版社， 2004.3 錢照明，程肇基. 電力電子系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及干擾抑制技術(shù) m. 杭州 ： 浙江大學(xué)出版社， 2000.4 吳昕，龐敏熙，李俊明，等.基于反相技術(shù)的開關(guān)電源共模干擾的抑制j.電力電子技術(shù)， 2000(2).5 陳文潔，楊旭，