磁通門(mén)傳感器測(cè)大電流

1、磁通門(mén)傳感器測(cè)大電流第一頁(yè)，課件共20頁(yè)1 1）電阻歐姆定律）電阻歐姆定律(Ohms law of resistance)(Ohms law of resistance)2 2）法拉第電磁感應(yīng)）法拉第電磁感應(yīng)(Faeadays law of (Faeadays law of induction) induction)3 3）磁場(chǎng)傳感器）磁場(chǎng)傳感器(Magnetic field sensors)(Magnetic field sensors) 4 4）法拉第效應(yīng)）法拉第效應(yīng)(Faraday effect)(Faraday effect)電流傳感技術(shù)的基本原理第二頁(yè)，課件共20頁(yè)接觸式電流測(cè)量接觸

2、式電流測(cè)量A.A.分流電阻傳感分流電阻傳感(Shunt resistor):(Shunt resistor):基于測(cè)量電流在分流電阻上產(chǎn)生的電壓。該方法基于測(cè)量電流在分流電阻上產(chǎn)生的電壓。該方法簡(jiǎn)單，適合精確測(cè)量直流和交流。缺陷是：功率和測(cè)量電路的隔離，以及在測(cè)大簡(jiǎn)單，適合精確測(cè)量直流和交流。缺陷是：功率和測(cè)量電路的隔離，以及在測(cè)大電流時(shí)功耗較大。電流時(shí)功耗較大。 1 1）高性能同軸分流）高性能同軸分流( (High-performance coaxial shunt);); 2 2）低耗表面粘著元件）低耗表面粘著元件( (Low-cost surface-mounted-device) )B

3、.B.追蹤電阻傳感追蹤電阻傳感(Trace resistance sensing):PCB copper shunt resistor(Trace resistance sensing):PCB copper shunt resistor基于電阻歐姆定律的電流傳感技術(shù)基于電阻歐姆定律的電流傳感技術(shù)第三頁(yè)，課件共20頁(yè)A.A.羅氏線(xiàn)圈羅氏線(xiàn)圈(Rogowski coil):(Rogowski coil):線(xiàn)圈纏繞在非磁磁芯上線(xiàn)圈纏繞在非磁磁芯上, ,通過(guò)羅氏線(xiàn)圈的電流產(chǎn)生通過(guò)羅氏線(xiàn)圈的電流產(chǎn)生了一個(gè)電壓了一個(gè)電壓, ,該電壓與電流變化率以及線(xiàn)圈與導(dǎo)體之間的互感系數(shù)成正比。該電壓與電流變化率以及線(xiàn)

4、圈與導(dǎo)體之間的互感系數(shù)成正比。所測(cè)電流正比于該電壓的一個(gè)積分值。所測(cè)電流正比于該電壓的一個(gè)積分值。B.B.電流轉(zhuǎn)換感電流轉(zhuǎn)換感(Current transformer):(Current transformer):僅僅使用于交流電的測(cè)量，該方法簡(jiǎn)單，穩(wěn)僅僅使用于交流電的測(cè)量，該方法簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。它含有一個(gè)環(huán)狀鐵心，次級(jí)線(xiàn)圈纏繞在鐵心上，流經(jīng)導(dǎo)體的電流的測(cè)量定性好。它含有一個(gè)環(huán)狀鐵心，次級(jí)線(xiàn)圈纏繞在鐵心上，流經(jīng)導(dǎo)體的電流的測(cè)量實(shí)際上就變成了測(cè)量初級(jí)線(xiàn)圈上電流。實(shí)際上就變成了測(cè)量初級(jí)線(xiàn)圈上電流。基于法拉第電磁感應(yīng)定律的電流傳感技術(shù)基于法拉第電磁感應(yīng)定律的電流傳感技術(shù)第四頁(yè)，課件共20頁(yè)A.A.霍

5、爾效應(yīng)傳感器霍爾效應(yīng)傳感器(Hall-effect sensors):(Hall-effect sensors):電流電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象便是電勢(shì)差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。該方法可以測(cè)量直流和交流，頻率高達(dá)霍爾效應(yīng)。該方法可以測(cè)量直流和交流，頻率高達(dá)100kHz100kHz，較高的精度和很好的，較高的精度和很好的隔離。隔離。B.B.磁通門(mén)傳感器磁通門(mén)傳感器(Fluxgate sensors)(Fluxgate sensors)(后面詳述后面詳述) )C

6、.C.磁阻效應(yīng)傳感磁阻效應(yīng)傳感(MR)(MR) 1).Anisotropic magneto resistance(AMR) 1).Anisotropic magneto resistance(AMR) 2).Giant magneto resisitance(GMR) 2).Giant magneto resisitance(GMR) 基于磁場(chǎng)傳感器的電流傳感技術(shù)基于磁場(chǎng)傳感器的電流傳感技術(shù)第五頁(yè)，課件共20頁(yè)以上部分常見(jiàn)電流傳感檢測(cè)方法的比較以上部分常見(jiàn)電流傳感檢測(cè)方法的比較第六頁(yè)，課件共20頁(yè)光纖技術(shù)光纖技術(shù)(fiber-optical techniques):(fiber-optica

7、l techniques):新興的技術(shù)，較傳統(tǒng)技術(shù)價(jià)格新興的技術(shù)，較傳統(tǒng)技術(shù)價(jià)格 較高較高A.A.偏光檢測(cè)方法偏光檢測(cè)方法(Polarmeter detection method):(Polarmeter detection method):直接利用法拉第效應(yīng)檢測(cè)電直接利用法拉第效應(yīng)檢測(cè)電流。流。B.B.干涉儀檢測(cè)方法干涉儀檢測(cè)方法(Interferometer detection method)(Interferometer detection method)基于法拉第效應(yīng)的電流傳感技術(shù)基于法拉第效應(yīng)的電流傳感技術(shù)第七頁(yè)，課件共20頁(yè)不同電流傳感技術(shù)檢測(cè)電流的性能比較不同電流傳感技術(shù)檢測(cè)電流

8、的性能比較第八頁(yè)，課件共20頁(yè)磁通門(mén)傳感器測(cè)電流的原理磁通門(mén)傳感器測(cè)電流的原理最基本磁通門(mén)原理：采用磁場(chǎng)強(qiáng)度最基本磁通門(mén)原理：采用磁場(chǎng)強(qiáng)度H H與磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度B B之間的非線(xiàn)之間的非線(xiàn) 性關(guān)系性關(guān)系磁通門(mén)傳感器測(cè)電流的常見(jiàn)設(shè)計(jì)方法第九頁(yè)，課件共20頁(yè)常見(jiàn)設(shè)計(jì)方法的比較常見(jiàn)設(shè)計(jì)方法的比較a)a)標(biāo)準(zhǔn)磁通門(mén)：初始電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)磁芯得到集中，在標(biāo)準(zhǔn)磁通門(mén)：初始電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)磁芯得到集中，在閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，次級(jí)線(xiàn)圈是用來(lái)補(bǔ)償集中的磁場(chǎng)。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，次級(jí)線(xiàn)圈是用來(lái)補(bǔ)償集中的磁場(chǎng)。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)越的靈敏度，溫度穩(wěn)定性，高精度。越的靈敏度，溫度穩(wěn)定性，高精度。b)b)單一閉合環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)：沒(méi)

9、有激勵(lì)線(xiàn)圈，激磁線(xiàn)圈單一閉合環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)：沒(méi)有激勵(lì)線(xiàn)圈，激磁線(xiàn)圈所產(chǎn)生的電流取決于初始電流的大小。特點(diǎn)：低消所產(chǎn)生的電流取決于初始電流的大小。特點(diǎn)：低消耗，熱轉(zhuǎn)換低，檢測(cè)頻率帶寬有限耗，熱轉(zhuǎn)換低，檢測(cè)頻率帶寬有限第十頁(yè)，課件共20頁(yè)c)c)磁通門(mén)磁通門(mén)+ +電流轉(zhuǎn)換器：提高了檢測(cè)頻率的帶寬。磁通門(mén)電流轉(zhuǎn)換器：提高了檢測(cè)頻率的帶寬。磁通門(mén)負(fù)責(zé)提供低頻信號(hào)，電流轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)高頻信號(hào)。負(fù)責(zé)提供低頻信號(hào)，電流轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)高頻信號(hào)。d)d)采用第三個(gè)磁芯：抵消第一個(gè)磁通門(mén)在初級(jí)導(dǎo)體感應(yīng)產(chǎn)生采用第三個(gè)磁芯：抵消第一個(gè)磁通門(mén)在初級(jí)導(dǎo)體感應(yīng)產(chǎn)生的電壓噪音，激勵(lì)線(xiàn)圈的電壓隨匝比倍增，當(dāng)磁芯材料沒(méi)的電壓噪音，激勵(lì)線(xiàn)圈

10、的電壓隨匝比倍增，當(dāng)磁芯材料沒(méi)有飽和時(shí)，僅僅只作為轉(zhuǎn)換器。有飽和時(shí)，僅僅只作為轉(zhuǎn)換器。第十一頁(yè)，課件共20頁(yè) 磁通門(mén)傳感器測(cè)電流磁通門(mén)傳感器測(cè)電流：基于檢測(cè)磁電路的飽和狀態(tài)。：基于檢測(cè)磁電路的飽和狀態(tài)。 磁芯用高磁導(dǎo)率材料制成，專(zhuān)注于被測(cè)的磁場(chǎng)。磁芯用高磁導(dǎo)率材料制成，專(zhuān)注于被測(cè)的磁場(chǎng)。 用一個(gè)信號(hào)激發(fā)磁性材料，外部磁場(chǎng)引起磁性材料對(duì)稱(chēng)飽和。這種對(duì)稱(chēng)隨外用一個(gè)信號(hào)激發(fā)磁性材料，外部磁場(chǎng)引起磁性材料對(duì)稱(chēng)飽和。這種對(duì)稱(chēng)隨外磁場(chǎng)的消失而消失。附加線(xiàn)圈的電流引起了一個(gè)補(bǔ)償磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)恢復(fù)了磁磁場(chǎng)的消失而消失。附加線(xiàn)圈的電流引起了一個(gè)補(bǔ)償磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)恢復(fù)了磁滯循環(huán)的對(duì)稱(chēng)。所加電流補(bǔ)償了被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁

11、場(chǎng)，它的電壓值與這個(gè)滯循環(huán)的對(duì)稱(chēng)。所加電流補(bǔ)償了被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，它的電壓值與這個(gè)電流成正比。電流成正比。第十二頁(yè)，課件共20頁(yè)在磁電路中，為了檢測(cè)一個(gè)等于零磁通的磁場(chǎng)，必須通過(guò)必要的電流激勵(lì)在磁電路中，為了檢測(cè)一個(gè)等于零磁通的磁場(chǎng)，必須通過(guò)必要的電流激勵(lì)次級(jí)線(xiàn)圈，傳感器在零磁通的環(huán)境下，電流通過(guò)次級(jí)線(xiàn)圈得到加強(qiáng)，證實(shí)次級(jí)線(xiàn)圈，傳感器在零磁通的環(huán)境下，電流通過(guò)次級(jí)線(xiàn)圈得到加強(qiáng)，證實(shí)與被測(cè)的初級(jí)電流成正比。與被測(cè)的初級(jí)電流成正比。Ip=NsIp=NsIsIs鐵磁磁芯和輔助線(xiàn)圈形成了一個(gè)飽和感應(yīng)器，在零磁通的情況下，對(duì)于傳鐵磁磁芯和輔助線(xiàn)圈形成了一個(gè)飽和感應(yīng)器，在零磁通的情況下，對(duì)于傳感器磁路

12、的檢測(cè)就是基于該感應(yīng)器電感值的變化。感器磁路的檢測(cè)就是基于該感應(yīng)器電感值的變化。第十三頁(yè)，課件共20頁(yè)磁通門(mén)傳感器設(shè)計(jì)框圖磁通門(mén)傳感器設(shè)計(jì)框圖第十四頁(yè)，課件共20頁(yè)1.1.信號(hào)發(fā)生器是為了激勵(lì)輔助線(xiàn)圈：基于有磁滯現(xiàn)象的比較電路。信號(hào)發(fā)生器是為了激勵(lì)輔助線(xiàn)圈：基于有磁滯現(xiàn)象的比較電路。 當(dāng)循環(huán)電流在主要的線(xiàn)圈激勵(lì)超過(guò)峰值時(shí)當(dāng)循環(huán)電流在主要的線(xiàn)圈激勵(lì)超過(guò)峰值時(shí), ,電路將改變它的輸出的電壓值。在振蕩電路檢電路將改變它的輸出的電壓值。在振蕩電路檢測(cè)這些磁性元件測(cè)這些磁性元件, ,并且這些元件的電特性將影響方波信號(hào)電路的振蕩頻率。對(duì)于傳感器的設(shè)計(jì)并且這些元件的電特性將影響方波信號(hào)電路的振蕩頻率。對(duì)于傳

13、感器的設(shè)計(jì)，這些頻率的范圍在，這些頻率的范圍在300300赫茲左右。赫茲左右。2.2.輔助電流的對(duì)稱(chēng)檢測(cè)輔助電流的對(duì)稱(chēng)檢測(cè) 沒(méi)有初級(jí)電流沒(méi)有初級(jí)電流, ,激勵(lì)電流的平均值為零激勵(lì)電流的平均值為零. .初級(jí)電流存在影響不為零的平均值的輸出，并且初級(jí)電流存在影響不為零的平均值的輸出，并且信號(hào)依賴(lài)于這個(gè)電流的敏感性。對(duì)于次級(jí)電流值得自動(dòng)調(diào)節(jié)，采用了信號(hào)依賴(lài)于這個(gè)電流的敏感性。對(duì)于次級(jí)電流值得自動(dòng)調(diào)節(jié)，采用了PIPI控制器，目的是為了控制器，目的是為了確保初級(jí)電流激勵(lì)線(xiàn)圈有零平均值?？刂破靼ㄒ粋€(gè)三角的低頻振蕩器，一個(gè)頻率檢測(cè)器和確保初級(jí)電流激勵(lì)線(xiàn)圈有零平均值?？刂破靼ㄒ粋€(gè)三角的低頻振蕩器，一個(gè)頻率

14、檢測(cè)器和一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)。頻率檢測(cè)器是為了檢測(cè)激勵(lì)電流，模擬開(kāi)關(guān)受頻率檢測(cè)器的控制。一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)。頻率檢測(cè)器是為了檢測(cè)激勵(lì)電流，模擬開(kāi)關(guān)受頻率檢測(cè)器的控制。 對(duì)上設(shè)計(jì)圖詳細(xì)分析對(duì)上設(shè)計(jì)圖詳細(xì)分析第十五頁(yè)，課件共20頁(yè)3.3.指示器的有效檢測(cè)指示器的有效檢測(cè) 低頻檢測(cè)電流的輸出與有效檢測(cè)的指示器相連。在它檢測(cè)的初級(jí)激勵(lì)線(xiàn)圈是低低頻檢測(cè)電流的輸出與有效檢測(cè)的指示器相連。在它檢測(cè)的初級(jí)激勵(lì)線(xiàn)圈是低頻的時(shí)候，指示器才被激活。并且當(dāng)系統(tǒng)在零磁通環(huán)境下工作時(shí)，影響將產(chǎn)生。頻的時(shí)候，指示器才被激活。并且當(dāng)系統(tǒng)在零磁通環(huán)境下工作時(shí)，影響將產(chǎn)生。 一個(gè)一個(gè)LEDLED和一個(gè)開(kāi)關(guān)是輸出元件，用來(lái)指示零磁通有效測(cè)量的環(huán)

15、境。和一個(gè)開(kāi)關(guān)是輸出元件，用來(lái)指示零磁通有效測(cè)量的環(huán)境。4.4.驅(qū)動(dòng)形成補(bǔ)償電流驅(qū)動(dòng)形成補(bǔ)償電流 電路是用來(lái)產(chǎn)生流經(jīng)次級(jí)線(xiàn)圈的補(bǔ)償電流。一個(gè)電路是用來(lái)產(chǎn)生流經(jīng)次級(jí)線(xiàn)圈的補(bǔ)償電流。一個(gè)D D級(jí)放大器被用來(lái)執(zhí)行放大，級(jí)放大器被用來(lái)執(zhí)行放大，這個(gè)放大器與線(xiàn)性放大器相比，呈現(xiàn)了高頻的優(yōu)點(diǎn)，但是增加了相同轉(zhuǎn)化頻率的泛這個(gè)放大器與線(xiàn)性放大器相比，呈現(xiàn)了高頻的優(yōu)點(diǎn)，但是增加了相同轉(zhuǎn)化頻率的泛音并放大化了，因此必須基于一個(gè)壓力帶寬調(diào)幅器，該調(diào)幅器產(chǎn)生了一個(gè)方形的電音并放大化了，因此必須基于一個(gè)壓力帶寬調(diào)幅器，該調(diào)幅器產(chǎn)生了一個(gè)方形的電壓，該電壓的循環(huán)與壓，該電壓的循環(huán)與IPIP控制的輸出信號(hào)成比例。調(diào)幅器的方

16、形波輸出應(yīng)用于補(bǔ)償線(xiàn)控制的輸出信號(hào)成比例。調(diào)幅器的方形波輸出應(yīng)用于補(bǔ)償線(xiàn)圈，用一個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電流。圈，用一個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電流。第十六頁(yè)，課件共20頁(yè)5.5.高頻電流的測(cè)量高頻電流的測(cè)量 所測(cè)量的最大交流電的頻率取決于零磁通檢測(cè)系統(tǒng)的工作頻率。對(duì)于高頻交流所測(cè)量的最大交流電的頻率取決于零磁通檢測(cè)系統(tǒng)的工作頻率。對(duì)于高頻交流電來(lái)說(shuō)，為了獲得一個(gè)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)特性，以免電流的快速變化，就必須采用第三個(gè)電來(lái)說(shuō)，為了獲得一個(gè)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)特性，以免電流的快速變化，就必須采用第三個(gè)磁芯，該磁芯被補(bǔ)償線(xiàn)圈繞制，作為一個(gè)電流轉(zhuǎn)換器。磁芯，該磁芯被補(bǔ)償線(xiàn)圈繞制，作為一個(gè)電流轉(zhuǎn)換器。6.6.電源供應(yīng)器電源供應(yīng)器 傳感器的電壓是

17、通過(guò)一個(gè)回饋的直流轉(zhuǎn)化器提供。通過(guò)這種方法，兩個(gè)穩(wěn)定的傳感器的電壓是通過(guò)一個(gè)回饋的直流轉(zhuǎn)化器提供。通過(guò)這種方法，兩個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓來(lái)源于一個(gè)輸出電壓來(lái)源于一個(gè)10V10V到到30V30V的輸入電壓。的輸入電壓。第十七頁(yè)，課件共20頁(yè)1Ziegler, S.; Woodward, R.C.; Iu, H.H.-C.; Borle, L.J.; , Current Sensing Techniques: A Review, Sensors Journal, IEEE , vol.9, no.4, pp.354-376, April 20092Pavel Ripka.Electric current

18、 sensors:a reviewJ. Measurement Science and TechnologyJ. 21(2010) 112001 (23pp)1-23.3M.Roman,G.Velasco,A.Conesa,and F.Jerez,“Low consumption fluxgate transducer for AC and DC high-current measurement, ”in Proc.39th IEEE Power Electron.Specialists Conf.,PESC08, Rhodes,GREECE,2008,PP.535-5604劉詩(shī)斌,段哲民,嚴(yán)

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