陳夏南 林栩

摘 要：本文基于Biot Savart定律設(shè)計(jì)了一種0.2S級(jí)的無磁芯低功耗電流互感器，在設(shè)計(jì)中通過利用4個(gè)高靈敏度線性磁阻傳感器組成圓形陣列的方式來獲取電流產(chǎn)生的磁場信號(hào)，在電路中通過加法器將磁場信號(hào)進(jìn)行疊加，并通過一種組合通信的方式在高電位實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，通過光纖將標(biāo)準(zhǔn)格式的信號(hào)傳輸至低壓側(cè)，本樣機(jī)功耗僅為20mW。

關(guān)鍵詞：無磁芯；低功耗；線性磁傳感器

中圖分類號(hào)：TM452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）14-0100-02

在工業(yè)應(yīng)用中，非接觸電流測量是一種全新的解決方案被大家所關(guān)注，這是由于操作簡單和系統(tǒng)的集成化[1]。這些方案主要依賴于不同的磁場傳感技術(shù)，比如霍爾效應(yīng)，磁阻效應(yīng)，法拉第效應(yīng)等。然而，在幾乎所有種類電流傳感器為了增加磁通密度，都使用大型磁芯，磁芯的使用限制了測量頻帶[2]。

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，傳統(tǒng)的電流互感器的缺點(diǎn)逐漸被暴露出來，急需開發(fā)一種新型的電流測量方法。電子式電流互感器被認(rèn)為是傳統(tǒng)電磁式互感器的替代品。然而，這些傳感器仍然含有鐵芯，與傳統(tǒng)的電壓互感器相似，也存在相同的鐵芯飽和問題。近年來，具有高靈敏度，線性，低功耗的磁阻傳感器和磁通門傳感器被開發(fā)出來，為電流測量方法提出了新思路[3-4]。

本文基于線性磁阻傳感器開發(fā)了一種0.2S級(jí)的低功耗電流互感器，其技術(shù)路線是將4個(gè)傳感器均勻分布在圓形印刷電路板上，并將感測到的磁場值利用加法電路進(jìn)行疊加后在微功耗ADC中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用單片機(jī)和可編程邏輯器件進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)低功耗的數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過優(yōu)化后，功耗僅為20mW左右。

1 基于組合通信的無磁芯電流互感器設(shè)計(jì)

本章首先分析磁場空間分布的原理，之后針對(duì)無磁芯的磁傳感器提出了一種利用多個(gè)傳感器求取平均值進(jìn)行的測量的思路，并描述了硬件設(shè)計(jì)的思路。此外，本文使用了一種組合通信的方式，在滿足電網(wǎng)要求的協(xié)議下，電流互感器功耗被大大降低。

1.1 均值法

磁性電阻傳感器是近年以來的研究重點(diǎn)。在學(xué)者設(shè)計(jì)中將單個(gè)TMR磁傳感器放置在圓形印刷電路上用于測量導(dǎo)體上流過的電流值。由于其結(jié)構(gòu)上沒有磁芯，磁傳感器的體積很小，并可用于測量高頻帶，這拓展了電流互感器的測量范圍。當(dāng)待測電流流過的導(dǎo)體被認(rèn)為是長直導(dǎo)線時(shí)，根據(jù)Biot-Savart定律可得，空間上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度能夠被表示為： （1）

其中，μ0為真空磁導(dǎo)率（4π×10-7A/m），r為傳感器與載流導(dǎo)體的最短距離（m），I為載流導(dǎo)體上流過的電流值（A）。

雖然，有文獻(xiàn)證實(shí)單個(gè)TMR磁傳感器在對(duì)電流進(jìn)行測量時(shí)具有良好表現(xiàn)。但在某些特殊情況下是有限制的。特別是在被用于三相電流測量時(shí)，每個(gè)磁傳感器都不可避免地受到由其他兩相產(chǎn)生的磁場的干擾。因此，本文提出了一種使用TMR的新的電流測量方法。在該方法中，使用四個(gè)無磁芯TMR磁傳感器。

圖1描述了4個(gè)無磁芯電流互感器被均勻安裝于圓形印刷電路板上（傳感器之間的夾角為90°）。因此，本文的傳感器感測的磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值能夠被表示為：

（2）

通過仿真和測量結(jié)果表明，在利用4個(gè)TMR組成的圓形陣列的均值法可以消除三相電力系統(tǒng)中其他兩相產(chǎn)生的磁場的環(huán)境干擾，從而實(shí)現(xiàn)精確的測量，并可以在一定程度上補(bǔ)償因位置信息變化導(dǎo)致的測量誤差。

1.2 采集電路硬件設(shè)計(jì)

由于TMR磁傳感器采用惠斯通電橋設(shè)計(jì)，因此，本文設(shè)計(jì)了一種差分加法輸入采集電路，如圖2所示，電路模型的等效公式能被描述為：

（3）

此電路的主要目的是將圓形陣列上4個(gè)TMR的輸出電壓之和相加并去除高頻率的噪聲信號(hào)。電路主要包括4個(gè)TMR傳感器，1個(gè)加法器，和1個(gè)濾波器。利用加法器將TMR的輸出電壓進(jìn)行相加求和，從而得到電壓總和。此外，在后端電路中增加了一個(gè)RC濾波器，以降低噪聲的干擾，從而提高TMR的精度等級(jí)。

為了避免因采集電路硬件導(dǎo)致的測量誤差，本文對(duì)每一通道都進(jìn)行了校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用過程中，與電網(wǎng)的接口中應(yīng)采用曼特斯特編碼，該編碼中自帶時(shí)鐘，因此需要電光轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)接口具有穩(wěn)定的頻率，因此，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中可編程邏輯器件成為主要的選擇。然而，可編程邏輯器件無法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和降噪，這限制了它的應(yīng)用。

在本設(shè)計(jì)中通過單片機(jī)和可編程邏輯器件合成數(shù)據(jù)處理單元，來實(shí)現(xiàn)降低整體系統(tǒng)功耗的目標(biāo)，通過選擇微功耗單片機(jī)將其作為信號(hào)采集處理單元，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并將可編程邏輯器件與電網(wǎng)的通信驅(qū)動(dòng)接口，與低壓側(cè)進(jìn)行通信，如圖3所示。

在設(shè)計(jì)中利用了單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力和程序移植上的優(yōu)點(diǎn)來代替一些設(shè)計(jì)中的采用可編程邏輯器件進(jìn)行計(jì)算，相比其數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作下能夠減少30%的功耗。同時(shí)，將可編程邏輯器件作為喚醒控制器，以固定頻率喚醒單片機(jī)，單片機(jī)完成電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換后又進(jìn)入休眠狀態(tài)，理論上，本文設(shè)計(jì)工作模式的功耗僅為長時(shí)間工作模式的功耗的23%。

2 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)測試如圖4所示，TMR傳感器陣列，信號(hào)處理單元置于設(shè)備絕緣子頂部，導(dǎo)電桿穿過線圈。大電流發(fā)生器提供的電流通過電纜接入導(dǎo)電桿。將原理樣機(jī)（額定電流300A）輸出的標(biāo)準(zhǔn)FT3信號(hào)和一次側(cè)電流信號(hào)接入電子式互感器校驗(yàn)儀進(jìn)行校驗(yàn)，分析其比差和角差。

2.1 準(zhǔn)確度測試

為了驗(yàn)證無磁芯電流互感器用于計(jì)量和保護(hù)的穩(wěn)定性，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行線性度測試。將一次側(cè)電流設(shè)定為5-120%額定電流內(nèi)循環(huán)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)時(shí)間為24小時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

2.2 功耗測試

將系統(tǒng)樣機(jī)的供電改為可調(diào)恒壓源接入，利用功率分析儀對(duì)樣機(jī)的功耗進(jìn)行測試，并將一次側(cè)電流設(shè)定為額定電流300A，功耗結(jié)果如圖5所示，僅為20mW。

3 結(jié)語

本文提出了一種無磁芯的電流互感器設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可被用于測量直流和交流。在設(shè)計(jì)中，該傳感單元由4個(gè)TMR磁傳感器和一個(gè)集成電路組成。通過磁傳感器的圓環(huán)設(shè)計(jì)可以有效的減少來自外界干擾源的影響。通過基于組合通信的集成電路設(shè)計(jì)可以使得MCU間歇性休眠從而降低整體的系統(tǒng)功耗，從而更好的滿足于電力應(yīng)用中。此外，該設(shè)計(jì)的測量精度為0.2S級(jí)，能夠滿足一般電力測量的需求。

參考文獻(xiàn)

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