陶 濤，趙治華，李 陽，鄭云波

基于新型PCB羅氏線圈的短時緩變大電流傳感器

陶 濤1,2，趙治華1,2，李 陽1,2，鄭云波1

（1. 海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室，武漢 430033；2. 湖北東湖實(shí)驗室，武漢 420202）

本文設(shè)計了一種基于新型PCB羅氏線圈的電流傳感器，用于復(fù)雜電磁環(huán)境中短時非周期緩變大電流測量。該傳感器由雙面對稱布線且設(shè)置回線的強(qiáng)抗干擾性PCB羅氏線圈、帶調(diào)零單元的無慣性環(huán)節(jié)積分電路構(gòu)成。羅氏線圈感應(yīng)短時持續(xù)電流的上升沿或下降沿來獲取電流變化率信號，經(jīng)積分電路保持信號并實(shí)現(xiàn)短時持續(xù)的直流或低頻緩變電流的測量。實(shí)測結(jié)果證明了本文制作的傳感器的有效性與準(zhǔn)確性。

短時緩變大電流 PCB羅氏線圈 無慣性環(huán)節(jié)積分電路 電流傳感器

0 引言

作為磁懸浮列車、電磁發(fā)射裝置、汽車碰撞試驗平臺等高功率密度系統(tǒng)推進(jìn)機(jī)的多段初級直線感應(yīng)電機(jī)，為了節(jié)電及減小電源容量要求，一般采用分段工作的短時非周期供電方式，其工作電流具有幅值大（可達(dá)數(shù)十kA）、頻率低（DC～100 Hz），持續(xù)時間短（一般為幾秒至十幾秒鐘）且為非周期信號的特點(diǎn)[1～2]。如何可靠、快速、精確地檢測該類直線電機(jī)的工作電流，對于準(zhǔn)確掌握其工作特性、改善推進(jìn)性能特別重要。

從原理上講，分流器、電磁式電流互感器和霍爾電流傳感器均能用于多段初級直線感應(yīng)電機(jī)的工作電流檢測[3～4]。然而分流器必須串聯(lián)在電機(jī)母線回路中，輸入與輸出之間無法電氣隔離，在測量大電流時危險性高、難度大且不能與計算機(jī)處理相結(jié)合，同時分流電阻的雜散參數(shù)對波形精度性影響較大；電磁式互感器由于鐵磁振蕩的影響，一般用于千安級以下電流測量，且當(dāng)較大直流或低頻電流存在時磁芯極易飽和，使得測量精度急劇惡化；霍爾電流傳感器作為現(xiàn)場大電流檢測的首選產(chǎn)品，也存在著動態(tài)范圍有限、體積重量大、造價高的缺陷，特別是其抗干擾性能較差，在強(qiáng)流電纜交錯分布、電磁環(huán)境復(fù)雜的高功率密度系統(tǒng)中，干擾電流影響被測波形準(zhǔn)確性且容易使得鐵心飽和。由此可知，諸多因素限制了上述傳感器在多段初級直線感應(yīng)電機(jī)的工作電流檢測方面的應(yīng)用[3, 5～6]。

羅氏線圈電流傳感器基于法拉第電磁感應(yīng)原理獲取被測電流的變化率，然后經(jīng)積分電路還原被測電流，具有線性度好、測量動態(tài)范圍寬、輸入輸出電氣隔離、無飽和、插入損耗小及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在雷電沖擊、電力系統(tǒng)故障檢測、脈沖功率技術(shù)等大電流測量領(lǐng)域備受關(guān)注[7,8]。采用羅氏線圈電流傳感器用于多段初級直線感應(yīng)電機(jī)的工作電流測量，必須解決三大問題：傳感頭線圈對直流或低頻信號的獲取能力，積分電路對線圈感應(yīng)直流或低頻信號的積分還原能力及傳感頭線圈在高功率密度系統(tǒng)中復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力。

傳統(tǒng)繞線式羅氏線圈無法做到均勻?qū)ΨQ布線，普通直連式PCB型羅氏線圈未能采取雙面對稱布線方式，抗干擾性能差，在復(fù)雜電磁環(huán)境中，線圈耦合的干擾信號嚴(yán)重影響測量準(zhǔn)確度[9]。常用的柔性羅氏線圈電流傳感器后處理電路多采用帶濾波器的慣性積分電路，無法用于直流或低頻緩變電流測量。

本文設(shè)計了基于PCB型羅氏線圈電流傳感器，傳感頭為雙面對稱布線且設(shè)置回線的PCB型羅氏線圈，具有一致性好，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，后處理電路為帶有調(diào)零環(huán)節(jié)無慣性積分電路。傳感頭通過檢測其上升或下降沿來檢測信號變化率進(jìn)而獲取電流信號，并通過長時間常數(shù)的無慣性環(huán)節(jié)積分電路來保持信號，實(shí)現(xiàn)高功率密度系統(tǒng)中復(fù)雜電磁環(huán)境下直流或低頻緩變電流測量[10]。

1 PCB型羅氏線圈結(jié)構(gòu)及參數(shù)

雙面對稱布線且設(shè)置回線的PCB型羅氏線圈布線結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中粗實(shí)線表示正面的銅箔布線，虛線表示背面銅箔布線（長直部分背面布線與正面布線重疊），小黑點(diǎn)表示通孔。該P(yáng)CB型羅氏線圈參數(shù)一致性好，抗干擾性能強(qiáng)，互感系數(shù)精確穩(wěn)定，適用于高功率密度系統(tǒng)中復(fù)雜電磁環(huán)境下的待測電流信號獲取。線圈布線設(shè)計及抗干擾性能分析可參考文獻(xiàn)[10]。本文設(shè)計的傳感器中PCB型羅氏線圈的幾何參數(shù)及主要電磁參數(shù)分別如表1、表2所示。由表2可知，線圈電磁參數(shù)計算值與實(shí)測值較吻合，互感誤差在8%以內(nèi)，對測量結(jié)果影響較小，內(nèi)阻誤差較大主要是由制板工藝的沉銅不均勻造成。

圖1 雙面對稱布線且設(shè)置回線的PCB型羅氏線圈

表1 PCB型羅氏線圈幾何參數(shù)

表2 PCB型羅氏線圈主要電磁參數(shù)

2 短時緩變電流測量原理

根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，羅氏線圈無法感應(yīng)穩(wěn)恒直流信號；但是對于持續(xù)時間較短的準(zhǔn)直流或緩變低頻電流，如圖2所示的突變短時持續(xù)電流（一般為數(shù)秒或數(shù)十秒），在其上升沿和下降沿時相當(dāng)于脈沖信號，羅氏線圈仍可檢測并通過積分電路實(shí)現(xiàn)該類信號的測量>[11～12]。

圖2 短時低頻持續(xù)電流示例

欲還原如圖2所示的短時準(zhǔn)直流或低頻電流信號，若采取圖3所示無慣性環(huán)節(jié)積分電路，其增益可表示為：

圖3 無慣性環(huán)節(jié)積分電路

式中，v—積分電路的輸入電壓；

v—運(yùn)放漂移電壓；

外接調(diào)零電路的調(diào)節(jié)電壓

由圖3并結(jié)合式（2）可知：當(dāng)無輸入電壓且無調(diào)零電路時，由于積分電容直接作為運(yùn)放的反饋增益回路，運(yùn)放漂移電壓v經(jīng)長時間積分在電容兩端產(chǎn)生直流偏壓，影響測量精度甚至使得運(yùn)放直接飽和；采取外接調(diào)零電路后，可用來抑制運(yùn)放的零漂積分，從而保證運(yùn)放漂移輸出在測量精度滿足范圍內(nèi)[13～14]。

3 傳感器制作與試驗測量

一例用于多段分級直線電機(jī)母線電流測量的PCB型羅氏線圈電流傳感器電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖4所示。傳感器主要由運(yùn)放外接調(diào)零電路、低通濾波電路、無慣性環(huán)節(jié)積分電路及VI轉(zhuǎn)換電路組成，上述電路與傳感頭PCB型羅氏線圈集成于一塊PCB板上，穿過被測載流母線置于系統(tǒng)內(nèi)部。AD8639為美國Analog公司生產(chǎn)的自穩(wěn)零集成雙運(yùn)放，放電開關(guān)K采用omron公司的G5V-1小型繼電器開關(guān)，其它元器件均為工業(yè)通用元件。

運(yùn)放外接調(diào)零電路為外接電源與電位器構(gòu)成的調(diào)壓電路，在測量前對運(yùn)放輸入端進(jìn)行調(diào)零，達(dá)到運(yùn)放零漂積分在100 s內(nèi)不超過±5 mV，從而不影響測量精度。輸入端低通濾波電路可有效抑制待測母線中1 kHz以上高次諧波及高頻噪聲對傳感器性能影響。VI轉(zhuǎn)換電路用來將積分電路還原的電壓信號轉(zhuǎn)為電流信號傳輸至外部安全區(qū)域的采樣電阻兩端，避免傳輸線上耦合干擾電壓影響[15]。

本例電流傳感器測量某型多段分級直線感應(yīng)電機(jī)在準(zhǔn)直流充磁及短時低頻推進(jìn)狀態(tài)下的電流波形，并與LEM公司的LT 10000-S型霍爾電流傳感器測量結(jié)果對比，分別如圖5和圖6所示。其中，將霍爾電流傳感器測量波形視為真實(shí)波形，為便于比較測量結(jié)果，結(jié)合傳感器參數(shù)將霍爾傳感器測得電流按下式：

轉(zhuǎn)換為電壓波形，與試驗樣機(jī)采樣電阻上檢測的電壓波形對比。

圖5和圖6所示對比結(jié)果充分說明了本例傳感器的有效性，電流幅值的換算證明了測量準(zhǔn)確性。需要進(jìn)一步指出的是，在各種大電流電纜交錯布置的復(fù)雜系統(tǒng)下，即便待測電流真實(shí)值在霍爾傳感器量程以下，但是由于多種大電流的相互耦合也會導(dǎo)致霍爾線圈磁芯飽和，使得測量結(jié)果失真。本試驗過程中在相同工況下，出現(xiàn)置于變頻器柜體中霍爾傳感器飽和失真的情況。

本例傳感器采用雙面對稱布線且設(shè)置回線的PCB羅氏線圈，抗干擾能力強(qiáng)，無磁芯飽和現(xiàn)象，在強(qiáng)流電纜交錯的復(fù)雜電磁環(huán)境中，線圈的感應(yīng)輸出不受其它電流影響；且羅氏線圈傳感器具有更寬的動態(tài)測量范圍，同時體積小、成本低，與霍爾電流傳感器相比，在短時非周期緩變（低頻）大電流測量方面更具優(yōu)勢。

4 結(jié)論

針對高功率密度系統(tǒng)中多段分級直線感應(yīng)電機(jī)10 kA級以上工作電流測量難題，本文設(shè)計了基于PCB型羅氏線圈和無慣性環(huán)節(jié)積分電路的電流傳感器，用于短時低頻非周期緩變大電流測量。該傳感器采用雙面對稱布線且設(shè)置回線的新穎PCB型羅氏線圈，感應(yīng)直流或低頻電流的上升沿或下降沿來獲取信號，并通過積分電容的保持作用來還原信號。傳感器實(shí)測結(jié)果說明了該傳感器的有效性與準(zhǔn)確性，且具有體積小、成本低，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，可用于復(fù)雜電磁環(huán)境中短時非周期緩變大電流的精確測量。

圖4 傳感器后處理電路圖

圖5 短時充磁大電流測試對比

圖6 短時低頻大電流測量結(jié)果對比

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Transducer applied to measure heavy and slowly-varying current with short-time based on new PCB Rogowski coil

Tao Tao1,2, Zhao Zhihua1,2, Li Yang1,2, Zheng Yunbo1

(1. National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering（NUE）, Wuhan 430033, China; 2. East Lake Laboratory（ELL）, Wuhan 420202, China)

TM93

A

1003-4862（2022）03-0001-04

2021-07-13

國家自然科學(xué)基金項目（杰出青年基金52025072、青年基金51707200）；海軍工程大學(xué)科研自主立項項目（425319399）

陶濤（1983-），男，博士，副研究員。主要研究方向為EMI/EMC分析與抑制技術(shù)、干擾電流測量等。E-mail: never1983@163.com