史 輪,孫 沖,石振剛,陶 鵬,張林浩,李 磊,劉佳樂(lè),陳鵬威

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心,河北 石家莊 050000; 2.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210094)

隨著電力工業(yè)設(shè)備的不斷完善和發(fā)展,對(duì)高精度、寬測(cè)量范圍和高頻寬帶的電流傳感器的要求越來(lái)越高[1-3]。磁敏傳感器因其集成度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。作為一種使用較為廣泛的電流傳感器,霍爾電流傳感器存在著靈敏度低、功耗高和線性度差的固有缺點(diǎn),且其受溫度影響較大[4,5]。磁阻材料的出現(xiàn)使得傳感器向更高靈敏度和更優(yōu)異測(cè)量性能的發(fā)展成為可能。隨著磁阻材料的發(fā)展,基于隧道磁電阻(Tunneling magnetoresistance,TMR)的電流傳感器在微型化、低成本、低功耗、高集成度、高響應(yīng)頻率和高靈敏度特性等方面有著巨大優(yōu)勢(shì)[6-9]。

為了提高磁傳感器的測(cè)量效果,改善傳感器的溫度特性,學(xué)者們致力于將零磁通技術(shù)融入電流測(cè)量中[10,11]。Yang等[12]基于零磁通技術(shù)提出了一種閉環(huán)電流傳感器,使用磁芯和反饋繞組形成閉環(huán)結(jié)構(gòu),消除溫度引起的傳感器輸出偏移和漂移,而且在很大程度上降低了磁滯現(xiàn)象引起的誤差,同時(shí)磁芯提高了閉環(huán)傳感器的靈敏度。Cheng等[13]系統(tǒng)地分析了磁芯的各種因素以研究其如何影響閉環(huán)電流傳感器鐵心的磁性能。針對(duì)磁芯可能存在飽和現(xiàn)象的問(wèn)題,Li等[14]提出一種不帶磁芯的閉環(huán)電路,將傳感器放置在閉環(huán)線圈繞制成的螺線管中。隨后Weiss等[15]提出了一種新型的基于圓形磁場(chǎng)傳感器陣列的無(wú)芯電流傳感器,將“閉環(huán)”的原理應(yīng)用到圓形陣列中,但這種無(wú)芯的結(jié)構(gòu)易受外界磁場(chǎng)干擾。王鮮然等[16]將TMR電流傳感器應(yīng)用到該閉環(huán)結(jié)構(gòu)中,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以顯著提高線性度、減小磁滯誤差。但上述研究未對(duì)閉環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,沒(méi)有建立仿真模型來(lái)研究TMR電流傳感器傳變特性。

本文提出了一種基于閉環(huán)TMR電流傳感器的仿真模型并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析,并且將該仿真模型應(yīng)用于直流配電網(wǎng)的測(cè)試模型,研究閉環(huán)TMR電流傳感器在直流配電網(wǎng)中的適用性,最后對(duì)閉環(huán)TMR電流傳感器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,驗(yàn)證了理論分析和仿真結(jié)果的正確性。

1 閉環(huán)TMR電流傳感器原理

1.1 TMR元件基本原理

TMR元件由4個(gè)阻值相同的隧道磁電阻組成,如圖1所示[7],其4個(gè)橋臂上的電阻分別為R1、R2、R3、R4,它們的阻值與所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系。圖1中VCC為提供電能的電源電壓,TMR電阻的磁敏感方向如箭頭所示。V+、V-分別為R1和R2、R3和R4構(gòu)成的半橋的輸出電壓,可作為1個(gè)全橋輸出,隨后經(jīng)差分放大電路產(chǎn)生輸出電壓

圖1 TMR元件推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)圖

vout=k(V+-V-)

(1)

式中:k為差分放大系數(shù)。在電阻橋上施加1個(gè)直流激勵(lì)電壓后,電阻橋的輸出與傳感器實(shí)際測(cè)得的磁場(chǎng)大小線性相關(guān)。

將TMR元件放置在導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)中,使敏感方向和磁場(chǎng)方向平行,則TMR元件的阻值會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,最終阻值的變化轉(zhuǎn)換成差分放大電路產(chǎn)生的輸出電壓信號(hào),該電壓信號(hào)和導(dǎo)線中電流的大小成一定關(guān)系,因此可以通過(guò)檢測(cè)輸出電壓達(dá)到電流測(cè)量的目的。此外,使用4個(gè)溫度特性相同的TMR電阻,可使傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性,自身的結(jié)構(gòu)特性可以很好地抑制溫度漂移,全橋的結(jié)構(gòu)也能抑制一些干擾噪聲[10]。

1.2 閉環(huán)TMR電流傳感器組成結(jié)構(gòu)

閉環(huán)TMR電流傳感器通過(guò)加入磁芯和反饋線圈使TMR元件工作在零磁通狀態(tài),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[14]。其工作原理為:導(dǎo)線穿過(guò)設(shè)計(jì)好的開(kāi)口磁芯,將TMR元件設(shè)置在氣隙中心。TMR元件的輸出信號(hào)經(jīng)差分運(yùn)算放大器進(jìn)行放大,放大之后的信號(hào)驅(qū)動(dòng)三極管產(chǎn)生反饋電流。反饋線圈繞制在磁芯上,且反饋線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和被測(cè)導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反,這樣使得氣隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度減小,最終氣隙中央磁場(chǎng)強(qiáng)度為0,此時(shí)反饋線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和被測(cè)導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小相等方向相反,測(cè)得反饋線圈上的電流即可計(jì)算出被測(cè)電流。

圖2 閉環(huán)TMR電流傳感器示意圖

與閉環(huán)霍爾傳感器類似,可以得到閉環(huán)鐵芯TMR傳感器的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。其中,Iin為一次輸入電流,Vm為測(cè)量電阻上的電壓,Kin是磁場(chǎng)傳遞系數(shù),ΔB是一次磁場(chǎng)與補(bǔ)償磁場(chǎng)合并后的總磁場(chǎng),KTMR是TMR元件的傳遞系數(shù),Ga是運(yùn)算放大器的傳遞系數(shù),Kc是補(bǔ)償磁場(chǎng)的傳遞系數(shù),Ic和Bc分別為反饋電流和補(bǔ)償磁場(chǎng)。磁通限幅和電壓限幅模塊的作用分別是防止磁芯飽和和防止運(yùn)放工作在非線性區(qū)域。

圖3 閉環(huán)TMR電流傳感器數(shù)學(xué)模型框圖

反饋通道的傳遞函數(shù)可表示為

H(s)=Kc

(2)

被測(cè)電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)為

(3)

式中:RL和Lc分別為補(bǔ)償線圈的等效電阻和等效電感。

2 閉環(huán)TMR電流傳感器仿真模型及分析

2.1 閉環(huán)TMR電流傳感器仿真模型

根據(jù)數(shù)學(xué)模型,利用PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design/Electromagnetic Transients Including DC)數(shù)值仿真平臺(tái),搭建了閉環(huán)TMR直流電流傳感器模型,如圖4所示。I1為電流傳感器輸入電流,Im為電流傳感器的輸出電流。輸入電流I1乘以計(jì)算出的系數(shù)0.000 84,得到磁芯開(kāi)口處的磁感應(yīng)強(qiáng)度,與反饋線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bc做差,進(jìn)入反饋環(huán)節(jié)。為方便觀察,將通過(guò)傳感器變比得到的電流測(cè)量結(jié)果直接作為輸出。對(duì)搭建的傳感器模型先后進(jìn)行2次仿真測(cè)試,分別是50 A的直流階躍響應(yīng)和50 Hz的交流頻率響應(yīng)。直流階躍響應(yīng)仿真中,輸入波形與傳感器測(cè)量輸出波形如圖5所示,其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖4 閉環(huán)TMR電流傳感器仿真模型圖

圖5 閉環(huán)TMR電流傳感器直流階躍響應(yīng)仿真波形圖

表1 閉環(huán)TMR電流傳感器直流階躍響應(yīng)仿真準(zhǔn)確度測(cè)試結(jié)果表

表1中上升時(shí)間為由0第1次上升至穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間,趨穩(wěn)時(shí)間為到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的±3%的時(shí)間,超調(diào)量為到達(dá)的峰值與穩(wěn)態(tài)值之比,它們是描述暫態(tài)響應(yīng)的指標(biāo)。閉環(huán)TMR電流傳感器的上升時(shí)間為0.6 ms,被測(cè)電流的趨穩(wěn)時(shí)間為3.1 ms,穩(wěn)定后的比值誤差為0.1813%,具有較好的暫態(tài)響應(yīng)特性。50 Hz的交流頻率響應(yīng)測(cè)試中,輸入波形與閉環(huán)TMR傳感器的測(cè)量波形在峰值附近的放大圖如圖6所示。

圖6 閉環(huán)TMR電流傳感器交流響應(yīng)仿真波形圖

輸入實(shí)測(cè)有效值為49.999 8 A,峰值為70.710 7 A的50 Hz交流電流信號(hào),得到閉環(huán)TMR傳感器的交流測(cè)試的準(zhǔn)確度和響應(yīng)指標(biāo)結(jié)果:輸出電流峰值為71.259 4 A,有效值為50.365 9 A,比值誤差為0.731 9%,相位誤差為2.879 6°?？梢钥闯?相比于測(cè)量直流的結(jié)果,TMR傳感器的準(zhǔn)確度有所下降。2次仿真測(cè)試驗(yàn)證了所采用TMR傳感器模型的有效性,結(jié)果顯示其對(duì)直流信號(hào)的測(cè)量效果更佳。

2.2 仿真實(shí)例分析

利用1個(gè)直流電網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)這種傳感器模型在直流配電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真案例研究。該系統(tǒng)是1個(gè)具有對(duì)稱端的單極中壓直流(Medium voltage direct current,MVDC)系統(tǒng),其電路拓?fù)浜碗娏鱾鞲衅鳒y(cè)量點(diǎn)設(shè)置如圖7所示。電流傳感器的測(cè)量點(diǎn)設(shè)置在換流站C1的出口處。該系統(tǒng)交流側(cè)的電壓等級(jí)為35 kV,直流側(cè)的電壓等級(jí)為±10 kV。仿真測(cè)試中,換流站在0.6 s時(shí)解除閉鎖,之后開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)行,在1.5 s時(shí)C1換流站發(fā)生三相接地故障并在0.5 s內(nèi)恢復(fù)正常,隨后繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,仿真時(shí)間共2 s。由于電流由C2流向C1,故C1換流站流出的電流為負(fù)。完整的運(yùn)行電流及傳感器測(cè)量波形如圖8所示。穩(wěn)定運(yùn)行階段的電流波形如圖9所示?？梢远ㄐ缘乜闯鰝鞲衅鲗?duì)震蕩的被測(cè)電流的測(cè)量效果。經(jīng)計(jì)算,穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),待測(cè)電流的有效值為0.968 3 kA,而TMR電流傳感器測(cè)出的有效值為0.967 7 kA,比值誤差為0.061 9%。1.5 s之后,系統(tǒng)切換至三相接地故障狀態(tài)時(shí),電流急速變化至0附近,這一階段的仿真波形如圖10所示。TMR傳感器故障部分的階躍響應(yīng)仿真結(jié)果如表2所示。

圖7 直流測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖8 直流配電網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)0～2 s仿真波形圖

圖9 直流配電網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行部分仿真波形圖

圖10 三相接地故障部分仿真波形圖

表2 三相接地故障仿真測(cè)試結(jié)果表

三相接地故障仿真過(guò)程中,上升時(shí)間為0.024 1 s,電流趨穩(wěn)時(shí)間為0.099 s,比值誤差為0.082 4%。觀察直流配電網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)仿真,閉環(huán)TMR電流傳感器穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能較好,能夠適用于MVDC配電網(wǎng)的電流測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)變比為50 A/4 V的閉環(huán)鐵芯式TMR傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),所選TMR電流傳感芯片為江蘇多維科技公司TMR2505芯片,為獲得更好的聚磁效果以及更低的磁滯損耗,磁環(huán)材料確定為鐵基納米晶。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括直流準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)和交流頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)實(shí)物如圖11所示。

圖11 閉環(huán)TMR電流傳感器實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

直流準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度為25 ℃,濕度為60% RH,標(biāo)準(zhǔn)器為額定電流5 A、額定電壓1 V的0.2 Ω CS-5標(biāo)準(zhǔn)電阻,通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器上的電壓可以得到實(shí)際的一次回路電流。實(shí)驗(yàn)中,等安匝穿心10匝,實(shí)際通過(guò)傳感器的電流為一次電流的10倍。隨著一次回路電流的提高,直流準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 閉環(huán)TMR傳感器直流準(zhǔn)確度測(cè)試結(jié)果表

由測(cè)量結(jié)果可知,隨著被測(cè)電流的增大,測(cè)量誤差越來(lái)越小,這是由于當(dāng)被測(cè)電流較小時(shí),TMR電流傳感器芯片受外界磁場(chǎng)干擾影響的程度更大。當(dāng)一次回路等效電流為0時(shí),由于TMR元件零點(diǎn)漂移的存在,因此電路輸出不為0,可以看出TMR芯片的零點(diǎn)漂移為21.94 mV;當(dāng)被測(cè)電流為50 A時(shí),測(cè)量誤差為0.19%,這和仿真測(cè)試的結(jié)果相一致。

在交流準(zhǔn)確度測(cè)試中,測(cè)試電流頻率為50 Hz,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比值誤差為1.01%,相位誤差為2.98%,忽略實(shí)驗(yàn)中存在的誤差,和仿真結(jié)果相一致。直流準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)和交流頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提數(shù)值模型的正確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上搭建了一種閉環(huán)TMR電流傳感器的數(shù)值仿真模型,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其正確性。將這種仿真模型應(yīng)用到MVDC配電網(wǎng)測(cè)試模型中,仿真結(jié)構(gòu)顯示閉環(huán)TMR電流傳感器可適用于MVDC配電網(wǎng)的電流測(cè)量。