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零磁通检测技术在100A直流电流源中的应用(一)

 1  零磁通电流检测原理
  当电流流过一根导线时,将在导线周围产生磁场,磁场的大小与流过导线的电流大小有一定的比例关系,这一磁场可以通过软磁材料来聚集,然后进行检测,如果磁场的变化与检测电路输出有良好的线性关系,便可依据检测电路的输出信号来反映导线中的电流大小,理想电流传感器的电流比为:

  式中:l为电流互感器一次侧电流,I2为二次侧电流。

1.1  单一线圈零磁通检测技术

  图1为单检测线圈接线图。图中u= Um cosot为激励信号,1为被测直流电流,N; =1相当于初级匝数,N2为激励绕组的匝数,T为高导磁率磁环。假设T在u激励下,产生的磁通密度为B2 =Bsinwt,直流电流流过产生的磁通密度为B。当B>0时,磁化电流前半周期的幅度要比后半周期的嗝度大;当B, <0时,磁化电流前半周期的幅度要比后半周期的幅度小,即不管其是否饱和,磁化电流的波形幅度都随B,变化(即I的变化)而单调变化。


  如图2所示,把激励绕组N2改为检测绕组N。和补偿绕组N3。检测与补偿控制电路产生补偿电流I3通过补偿绕组N3产生激磁动势,使1。降至极低,达到近似“零磁通”的效果。实际使用中,调制波激励线圈N;在磁环T上产生感应磁场,并会对直流磁场产生一定的影响,因此很难实现电流的精密测试,从而影响被测电流精度。

 


 1.2  双探测线圈零磁通检测技术

  为了提高电流测试精度,本文设计了双探测线圈零磁通电流互感器,该电流互感器检测原理如图3所示。 

图中T.、T2为截面积和磁路长度相等的同一种磁芯材料,N、N2分别是T、T2上的绕组,Ns为补偿线圈,le为补偿电流,V..为经过检波处理后的误差电压信号。
  在理想情况下,T、T2对称,N, =N2,Nq、N2的绕向相反,这样使得激励源u= U。cosot在两线圈上产生的感应磁场大小相等、方向相反,若无外来磁场干扰,磁环T、T2间的等效磁通为零,且两磁环所围空间内的磁场也相应为零。
  由上面分析可知道,当被测直流电流1,=0时,磁环T、T2间的等效磁通仍为零。此时,磁环T、T2的磁化曲线对称于坐标点,中(t)、(t)对称于坐标横轴,见图4,N; =N2的磁化电流的波形见图5。

T、T2磁通间保持下列关系:中(t) +$(t) =0,补偿电流:IcNs-I。=0。因为此时I,=0,所以Ic =0。
  当被测电流I。不为零时,存在两种情况,其一是l,>0,其二是l。<0。假设I。为正,则使T的磁通量增加,T2的磁通量减少;lo为负时,使T2的磁通量增加,T的磁通量减少。如果通过检波来检出直流电流引起的误差信号变化,并将该信号由补偿电路处理,从而产生-补偿电流Ic,此电流提供给补偿绕组Ns。此时,补偿绕组Ns通过的电流Ic与穿过磁环的输出电流I。将不满足关系式:IcN, -I。=0,而有:IcNs -I≠0。这说明补偿绕组和负载电流产生的磁通必然要对两磁环中的磁通产生影响,造成两磁环间的等效磁通不为零。通过相应检波处理,误差信号V.送到补偿电流调节器进行电流闭环控制,重新使Ic!Ns -Io=0,使T、T2间的磁通维持为零。此时的补偿电流Ic可以通过采样获得,并且有lcNs =Io,由于Ns的匝数是固定的,所以补偿电流可以采用精密高稳定的小电流信号,并且电流稳定性与准确性可以做到很高,通过采样该小电流信号,便可以实现被测直流大电流的精密测量。