基于羅氏線圈的大電流測量裝置的研制

基于羅氏線圈的大電流測量裝置的研制

羅氏線圈電流傳感器是電子電流傳感器之一。它具有規(guī)劃寬大、無磁飽和、體積小等優(yōu)點(diǎn)。目前,基于羅氏線圈的電流互感器的研究與應(yīng)用已成為新世紀(jì)互感器發(fā)展的重要方向之一,在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)許多高等院校和生產(chǎn)廠家都對(duì)羅氏線圈進(jìn)行了深入的探索和研究。羅氏線圈在測量大電流方面具有廣闊的前景:測量大電流交流信號(hào)(如短路電流);測量峰值較高的脈沖信號(hào)(如雷擊電流);諧波電流信號(hào)分析;電焊機(jī)的電流測量(如電阻焊);不規(guī)則導(dǎo)體電流的測量(如鐵軌電流測量)等。傳統(tǒng)的電流測量裝置主要采用帶有鐵心的電磁式電流互感器,不僅體積大,而且在大電流下鐵心磁路易飽和,測量結(jié)果易產(chǎn)生較大誤差。由于羅氏線圈(Rogowskicoil)不含鐵心,不存在磁飽和問題,并與試驗(yàn)回路不存在直接的電聯(lián)系,且被測電流的大小幾乎不受限制,因此被廣泛用于實(shí)際電力系統(tǒng)中。目前,羅氏線圈大電流測量技術(shù)已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)上有所應(yīng)用,但還未見將其引進(jìn)到本科教學(xué)課堂。在現(xiàn)有的大部分高校工程電磁場實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,主要開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有:部分電容的測量、模擬電場的測量、螺線管磁場的測量。這些實(shí)驗(yàn)中,只有螺線管磁場的測量實(shí)驗(yàn)是真正的磁場測量,其他兩個(gè)都是模擬測量,不利于將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)際相結(jié)合。根據(jù)這一現(xiàn)狀,針對(duì)華中科技大學(xué)本科教學(xué)中電氣工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求,結(jié)合相關(guān)電磁場理論,提出了一種基于羅氏線圈的利用單片機(jī)測量大電流的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置無論是作為單片機(jī)的電氣類測量對(duì)象,還是作為“工程電磁場”課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,都能反映工程實(shí)際。學(xué)生可以通過比較羅氏線圈和傳統(tǒng)電流互感器的測量原理,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)羅氏線圈在大電流測量方面的優(yōu)勢。將此裝置應(yīng)用到電氣專業(yè)實(shí)驗(yàn)中,具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和研究意義。一、應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的電流和電流之間的關(guān)系羅氏線圈是一個(gè)均勻纏繞在非鐵磁性材料上的空心環(huán)形的線圈,可以直接套在被測量的導(dǎo)體上。導(dǎo)體中流過的交流電流會(huì)在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一個(gè)交替變化的磁場,從而在線圈中感應(yīng)出一個(gè)與電流變化率成比例的信號(hào)。羅氏線圈的骨架材料橫截面的形狀有很多種,但主要分為兩種:矩形和圓形。對(duì)于上述兩種骨架材料的羅氏線圈,由全電流定律和電磁感應(yīng)定律可以得出感應(yīng)電動(dòng)勢和被測電流之間的關(guān)系:其中,M為羅氏線圈的互感系數(shù),為羅氏線圈感應(yīng)出的電動(dòng)勢,為被測導(dǎo)體中通過的電流。由式(1)可知,測量值和被測值之間的關(guān)系是微分關(guān)系,為了得到與被測電流同相位的信號(hào),必須加以積分求得,這樣就要在電路中加一個(gè)積分環(huán)節(jié)。二、大電流的測量在圖1中,裝置主要由大電流發(fā)生器、直流供電模塊、羅氏線圈測量及處理電路和傳統(tǒng)電流互感器測量及處理電路組成。大電流發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)大電流,以供測量。為了增加對(duì)比效果,實(shí)驗(yàn)中使用了兩種測量方法:羅氏線圈測量和傳統(tǒng)的電流互感器測量。測量時(shí),將羅氏線圈和傳統(tǒng)的電流互感器穿過通過大電流的導(dǎo)線,感應(yīng)出的信號(hào)分別經(jīng)過一定的信號(hào)處理電路,最后將處理后的信號(hào)送到示波器觀察,也可以連接到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置上,利用單片機(jī)將電流的大小測量并顯示出來。直流供電系統(tǒng)用于給信號(hào)處理電路中的運(yùn)算放大器提供12V的電源。1.大電流發(fā)生器實(shí)驗(yàn)中需要測量大電流,而學(xué)生一般都在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測量。因此,開發(fā)一個(gè)大電流發(fā)生器用于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)尤為必要?；诖?開發(fā)了一個(gè)大電流發(fā)生器,它可以輸出可調(diào)的大電流,電流范圍為0～200A。大電流發(fā)生器是通過一個(gè)調(diào)壓器和變壓器實(shí)現(xiàn)的。調(diào)壓器的額定容量為3kVA,輸出電壓可調(diào),最大輸出電流為4A,頻率為50～60Hz。變壓器的額定功率為100W,初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的匝數(shù)比為500∶1。變壓器的初級(jí)繞組接在調(diào)壓器的輸出上,次級(jí)繞組用一根很粗的銅芯導(dǎo)線進(jìn)行短接,導(dǎo)線上就會(huì)產(chǎn)生一大的短路電流。調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出電壓,變壓器的初級(jí)電壓發(fā)生變化,進(jìn)而會(huì)引起次級(jí)輸出電壓的變化,則通過次級(jí)繞組導(dǎo)線上的電流也會(huì)變化。當(dāng)然,考慮到次級(jí)繞組上的導(dǎo)線無法承受太大的電流,故為了限制電流大小,可在初級(jí)繞組上串接一個(gè)保險(xiǎn)管,以防止過大的電流燒壞導(dǎo)線或變壓器。2.反相比例放大器根據(jù)羅氏線圈的原理,要真實(shí)地還原被測電流,須在羅氏線圈后面加一個(gè)積分器。為了調(diào)節(jié)輸出電壓的范圍,以適應(yīng)單片機(jī)測量信號(hào)的需要,積分器后還加了一個(gè)反相比例可調(diào)的放大器。原理圖如圖2所示。如圖2所示的電路中,J8為羅氏線圈的輸出端,R1、C7和運(yùn)算放大器HA741構(gòu)成一個(gè)有源積分電路,R3、RW1和運(yùn)算放大器HA741構(gòu)成一個(gè)反相比例放大器,比例系數(shù)可調(diào)。根據(jù)計(jì)算可以得出,羅氏線圈的輸出信號(hào)u(t)與原被測信號(hào)i(t)之間的關(guān)系為:根據(jù)此式,只要測出輸出電壓,就可以知道原被測電流。3..5a的工作原理實(shí)驗(yàn)中使用的電流互感器電流比為50A/62.5mA,通過被測電流后感應(yīng)出的是電流信號(hào),再經(jīng)過一個(gè)小的取樣電阻即可轉(zhuǎn)變成合適的電壓信號(hào)。通過測量電壓信號(hào)就可算出原電流信號(hào)。4.交流信號(hào)采樣當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置作為工程電磁場實(shí)驗(yàn)的演示裝置時(shí),只需用示波器觀察輸出的波形即可。但作為單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的測量對(duì)象時(shí),無論是羅氏線圈的輸出信號(hào),還是互感器采樣后的輸出信號(hào),都是交流信號(hào)。單片機(jī)要對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行采樣,首先要經(jīng)過一定的信號(hào)調(diào)理電路,然后再通過AD進(jìn)行采樣,信號(hào)調(diào)理電路主要對(duì)羅氏線圈和互感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常見的A/D轉(zhuǎn)換器件能夠轉(zhuǎn)換的信號(hào)一般為單極性的電壓信號(hào),必須采用信號(hào)調(diào)理電路才能將被測信號(hào)轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換器件可以處理的信號(hào)。單片機(jī)通過AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣,最后將結(jié)果顯示出來,這樣就可以構(gòu)成一個(gè)完整的大電流測量系統(tǒng)。三、電流整體飽和特性用鉗形電流表來檢測大電流發(fā)生器產(chǎn)生的電流,當(dāng)調(diào)節(jié)電流逐漸增大時(shí),利用示波器進(jìn)行觀察。用示波器觀察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。在圖3所示的波形中,CH1(上面波形)為利用傳統(tǒng)電流互感器測量電流的波形,CH2(下面波形)為利用羅氏線圈測量二次感應(yīng)電流的波形。從圖3可以看出,當(dāng)一次電流為50A時(shí),兩種波形均未見失真;當(dāng)一次電流為100A時(shí),實(shí)驗(yàn)中使用的電流互感器的額定電流為50A,對(duì)于傳統(tǒng)電流互感器來說,電流已經(jīng)超過了互感器的額定電流,測量二次電流輸出波形出現(xiàn)了飽和失真現(xiàn)象,而羅氏線圈測量波形仍然正常。常見的電流互感器飽和主要有兩種:穩(wěn)態(tài)飽和與暫態(tài)飽和。其中,穩(wěn)態(tài)飽和主要是因?yàn)楸粶y電流值太大,進(jìn)入了電流互感器飽和區(qū)域;暫態(tài)飽和則是因?yàn)榇罅糠侵芷诜至康拇嬖诩拌F芯存在剩磁而引起的飽和。電流互感器負(fù)載的不同也會(huì)影響飽和特性。實(shí)驗(yàn)中電流互感器的負(fù)載為10Ω電阻。根據(jù)文獻(xiàn)、可知,電流互感器帶電阻二次負(fù)荷發(fā)生飽和的一般影響是二次電流的每半個(gè)波后沿被砍去一部分。如圖3(b)所示的波形為穩(wěn)態(tài)飽和失真波形。由此可見,傳統(tǒng)的互感器只能測量一定范圍的電流,當(dāng)被測電流超過互感器的額定電流時(shí),會(huì)出現(xiàn)飽和失真現(xiàn)象,造成測量誤差;而用羅氏線圈測量時(shí),輸出線性度比較好,且信號(hào)穩(wěn)定,其測量范圍寬,不會(huì)出現(xiàn)飽和失真現(xiàn)象。學(xué)生可通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析研究失真原因。四、大電流測量系統(tǒng)的應(yīng)用本文提出了一種基于羅氏線圈的測量大電流的實(shí)驗(yàn)裝置,并已經(jīng)應(yīng)用到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。本實(shí)驗(yàn)裝置不僅能使學(xué)生根據(jù)電氣專業(yè)的特點(diǎn)了解、學(xué)習(xí)目前流行的大電流測量