（电气工程专业论文）基于新型电子式电流传感器的多功能电能表的研究.pdf

基于新型电了式电流传感器的多功能电能表的研究 摘要 目前，电子式多功能电能表普遍采用小型的电磁式电流传感器作为电流信 号拾取器，而电磁式电流传感器存在带铁芯，易饱和，测量范围较小且易受外 界电磁干扰等问题。近年来，基于空心线圈的电子式电流传感器成为了电力系 统中的研究热点。因此，为了不断推出电子式电能表新产品，以满足电能表市 场新的应用需求，将基于空心线圈的电子式电流传感器运用于电能计量装置中 具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文提出了一种基于新型印制电路板( p c b ) 电子式电流传感器的多功能电 能表的设计方案，主要论述了新型p c b 型空心线圈结合电能计量芯片a d e 7 7 5 8 在电能计量中的应用，并设计了多功能电能表的硬件电路和软件构架。首先分 析了新型p c b 型空心线圈及其外接积分器组成的电子式电流传感器的结构、原 理，在此基础上提出了由新型p c b 型空心线圈和a d e 7 7 5 8 片内的数字积分器来 构成电子式电流传感器的电流信号拾取方式，该方式可以有效提高电流信号拾 取的准确度和范围，降低成本；提出并分析比较了新型p c b 型空心线圈与 a d e 7 7 5 8 的两种接口电路，接口电路的仪表放大器拟采用双极性电源供电方式， 实现电路较简单，可靠性和稳定性较好；然后按功能需求将电能表硬件系统划 分为电源模块、计量模块和微处理器( m c u ) 及其外围电路模块等三个部分进 行详细的设计，m c u 选用高性能、超低功耗的h 8 3 8 3 2 7 f 系列单片机：最后分 析了多功能电能表的软件设计思路，主程序采用循环查询方式实现对各个功能 模块合理有效的调度。 理论分析及仿真、实验结果表明新型p c b 电子式电流传感器具有良好的性 能，可以弥补电磁式电流传感器的一些不足，适合在小电流( 1 0 0 a 以下) 测量 系统中应用，同时多功能电能表参照d l t 6 1 4 2 0 0 7 标准设计，能够实现分时计 量、最大需量计算、r s 4 8 5 及红外通信等多种功能，具有计量准确度高，功耗 低，抗干扰能力强和实用性强等特点，可以在实际中推广应用。 关键词：多功能电能表；电子式电流传感器；印制电路板型空心线圈：计量芯 片；h 8 单片机 i i a b s t r a c t a tp r e s e n t t h ee i e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tt r a n s d u c e ri s c o m m o n l yu s e da st h e c u r r e n ts l g n a lp l c k e ne l e c t r o n i cm u l t i - f u n c t i o nw a t t - h o u r m e t e r ，b u tt h e r ea r es o m e l s s u e se x l s t e dmt h ee l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tt r a n s d u c e r ，s u c ha s h a v i n gi r o nc o r e e a s y t o s a t u r a t i o n ， s m a l l e rm e a s u r e m e n t r a n g ea n ds u s c e p t i b l et oe x t e m a l e i e c t r o m a g n e t l ci n t e r f e r e n c ea n ds oo n i nr e c e n t y e a r s ， t h ee l e c t r o n i cc u r r e m t r a n s d u c e r b a s e do nt h ea i rc o r ec o i lh a sb e c o m et h eh o tr e s e a r c hs p o t si nt h ep o w e r s y s t e m t h e r e f o r e ，f o rd e v e l o p i n gn e wt y p e so fe l e c t r o n i cw a t t - h o u rm e t e rp r o d u c t s t om e e tt h ea p p l i c a t i o nd e m a n do ft h em e t e r s m a r k e t ，m a k i n gt h ee l e c t r o n i cc u r r e n t t r a n s d u c e rb a s e do nt h ea i rc o r ec o i lu s e di n e n e r g ym e t e r i n gd e v i c e sw i l lh a v e l m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i 6 c a n c e sa n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e s jn l sp a p e rp r o p o s e dan e w d e s i g no fm u l t i f h n c t i o nw a t h c h o u rm e t e rb a s e do n p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) e l e c t r o n i cc u r r e n t t r a n s d u c e r ，m a i n l yd i s c u s s e dt h e a p p l i c a t l o no ft h en e wt y p eo fp c ba i rc o r ec o i lc o m b i n i n gw i t ht h ee n e r g ym e t e r i n g c h i pa d e 7 7 58i ne n e r g ym e a s u r e m e n t ，a 1 1 d ，d e s i g n e dt h eh a r d 、v a r e c i r c u i ta n d s o r w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h em u l t i f u n c t i o nw a t t - h o u r p r i n c i p l e so ft h en e wt y p eo fp c ba i rc o r ec o i la n d m e t e r f i r s tt h es t r u c t u r ea n d e l e c t r o n i cc u r r e mt f a n s d u c e r c o n l p o s e do ft h ep c ba i rc o r ec o i la n de x t e m a li n t e g r a t o rw e r ea n a l y z e d b a s e do n t h l s ，am e t h o df o rp i c k i n gu pc u r r e n ts i g n a lw i t he l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s d u c e rw h i c h 1 sc o m p o s e do ft h ep c ba i rc o r ec o i la n da d e 7 7 5 8 i n t e m a ld i g i t a li n t e g r a t o rw a s p r o p o s e d ，t h l sa p p r o a c hc a ne f i f e c t i v e l yi n c r e a s et h ea c c u r a c ya n dr a n g eo ft h e c u h e n tc o n v e r s l o n ，r e d u c ec o s t s t w ok i n d so fi n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nt h ep c b a i r c o r ec o i la n da d e 7 7 5 8w e r ea n a l y z e d ，t h ei n s t r u m e n ta m p l i f i e ri ni n t e r f a c ec i r c u i t a d o p t e db l p o l a rp o w e rs u p p l ym o d e ，w h i c hh a ss i m p l e rc i r c u i t ，b e t t e rr e l i a b i l i t va n d s t a b l l l t y 。i 。h e n ，a c c o r d i n gt oi t sf u n c t i o nd e m a n d s ，t h ew a t t - h o u rm e t e r ，sh a r d w a r e s y s t e mw a sd i v i d e di n t ot h ep o w e rm o d u l e ，t h em e a s u r e m e n tm o d u l e ，a n dt h em c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) a n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i tm o d u l e ，f o rd e s i g n i n gi ti nd e t a i l m c uc h o s eh 8 38 32 7 f p r o d u c t sh a v i n gh i 曲p e r f o m a n c e ，u l t r a 1 0 w p o w e r c o n s u m p t l o n f i n a lt h em u l t i f u n c t i o nw a t t - h o u rm e t e r s s o f t w a r ed e s i g nw a s a n a l y z e d ，t h em a i np r o g r a mm a n a g e di t s e f i f e c t i v e l yi nc i r c u l a rq u e r ) ，w a y v a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e sr e a s o n a b l ya n d i l l 基于新型电子式电流传感器的多功能电能表的研究 t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h en e w t y p eo fp c be l e c t r o n i cc u 盯e n tt r a n s d u c e rh a sag o o dp e r f o r m a n c e ，c a nm a k eu p s o m ed e f i c i e n c i e so ft h ee l e c t l 7 0 m a g n e t i cc u r r e n tt r a n s d u c e r ，a n ds u i t 2 l b l ya p p l yt o t h el o wc u r r e n t ( b e l o wl0 0 a ) m e a s u r e m e n ts y s t e m s w h i l e ，t h em u l t i f u n c t i o n w a t t - h o u rm e t e r ，w h i c hw a sd e s i g n e db yr e f e r r i n gt ot h ed l t 614 - 2 0 0 7s t a n d a r d ， c a nr e a l i z ev a r i o u sf u n c t i o n s ，s u c ha st i m e - s h a r i n gm e a s u r e m e n t ，m a x i m u md e m a n d m e a s u r e m e n t ，r s 4 8 5a n di n f r a r e dc o m m u n i c a t i o ne t c ，w i t hh i g hm e a s u r e m e n t a c c u r a c y ， l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n ds t r o n g a b i l i t yo fa n t i - ja m m i n g s ot h e m u l t i - f u n c t i o nw a t t - h o u rm e t e rc a i lb ea p p l i e di np r a c t i c e k e yw o r d s ：m u l t i f u n c t i o nw a t t - h o u rm e t e r ；e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s d u c e r ；p c b a i r c o r ec o i ls e n s i n gu n i t ；e n e r g ym e t e r i n gi c ；h 8m i c r o c o n t r o l l e r i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：爰彩净日期：2 矽年爹月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：襄漪 翩虢& 饮 日期：叼年如玷日 日期：劣研年乡月2 f 日 | 硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 电能是社会生产、人民生活所必须的最重要的能源之一。在电力市场的整体 运作中，电能计量装置的读数作为电力产品交易结算的依据，已经越来越受到交 易双方的重视，是交易双方经济核算的重要指标。随着工农业生产的自动化程度 及劳动生产率的提高，降低产品的电能成本已成为广大电力用户追求的目标，电 力用户比过去更加重视电能计量的准确性。电能计量的误差直接影响电力行业发 电量、线损、煤耗、厂用电、供电量、用电量等各项电业技术经济指标的正确计 算，营业计费的公正合理，影响电业部门和电力用户的经济效益。电力工业的商 业化运营，以省为实体，现已厂网分家，今后还可能输、配、售电分开核算，独 立经营，电力生产企业之间的电能计量装置，其性质由内部核算变为交易核算， 是质的变化。电力市场中的发电公司、电网公司、供电公司、用电客户，分属于 电力系统中的上、下游企业，相互之间均有对电能量的计量及交易结算业务，相 互间的经济关系靠电能计量装置这杆“秤 来裁定。因此，努力提高电能计量的 综合准确水平是一项刻不容缓的重要任务【l 3 1 。 近年来，随着我国对城乡电网进行大规模改造建设，电力系统对智能化电子 式电能表的需求量迅速增长，国内外各种不同类型的新型表计入网运行，涉及电 力计量的各项技术指标和可靠性指标都得到了迅速提升。智能化电子式电能表已 不仅仅作为一个简单的电能计量装置，而是一个多功能的数据采集终端。由此， 国内外电表企业不断推出智能化多功能电能表的新产品以满足新的应用需求【4 】。 1 1 1 电能表的发展概况及研究现状 1 电能表的发展概况 电能表作为测量电能的专用仪表，至今已有1 0 0 多年的历史，世界上最早的电 能表是爱迪生用电解原理制成的直流电能表；其后l8 8 9 年，匈牙利岗兹公司的布 勒泰制成了第一台交流感应式电能表，此后，感应式电磁原理电能表成为电能表 的主要发展方向。感应式电能表通过电磁转换理论，将电压信号与电流信号转换 成相应比例的磁场，铝制的转盘在两个磁场的作用下转动，通过机械传动机构带 动计度器，从而完成对电能的计量。经过较长时间的发展，感应式电能表的制造 技术已相当成熟，至今在包括我国在内的许多发展中国家甚至是一些发达国家里， 感应式电能表仍然作为主要的工频电能仪表被广泛使用。但因其机械传动机构主 体的限制，无法满足用户对电能表计量的高精度、多功能的要求【5 0 】。 基于新型电子式电流传感器的多功能电能表的研究 电子式电能表诞生在2 0 世纪4 0 年代，由欧洲公司研制。但是在2 0 世纪8 0 年代 之前，电子式电能表并没有显现出它巨大的生命力，其应用局限于高精度电能表、 标准表和校验装置，因为其成本比较高，而性能和可靠性在当时比感应表并不优 越。2 0 世纪9 0 年代，随着电子技术的发展和用户对用电管理水平要求的不断提高， 电子式龟能表得到了迅猛的发展，成为电能计量产品系列中不可缺少的重要组成 部分。电子式电能表与普通感应式电能表相比，具有计量准确度等级高且稳定、 实现功能多、启动电流小、频率响应范围宽、受外磁场影响小、过载能力大、防 窃电能力更强等优点【l 3 ，8 j 。 电子式电能表经历五十多年的发展，开始都是基于模拟乘法器原理的，曾有 过多种原理线路，后来演变为基于时分割和霍尔效应两种乘法器。采用时分割乘 法技术进行交流功率的测量，需要的元器件较多，成本较高，可靠性较差，通常 标准电能表采用这个原理；采用传统的霍尔乘法器进行功率测量，由于霍尔电势 的表述公式为e = k b i ，应用到交流电路中，如使得b 与交流电流成正比，i 与交 流电压成正比，那么霍尔电势e 与交流功率成正比，这种计量方式的优点是电路较 简单，可靠性较好，但缺点是对霍尔材料的要求较高，鉴于霍尔元件的温度补偿 较为困难，因此表计的温度特性较差，同时消除霍尔元件的不等位电势也较为困 难。随着数字技术的迅速发展，一种以交流采样加数字计量的新方式出现，这种 计量方式采用a d 转换器和微处理器( m c u ) 对交流信号进行采样，并计算出电 流、电压、功率和电能等电量参数，由于其具有线路简单、功能强大、可扩展性 强、成本较低等优点，更利于实施负荷控制、记录电能质量和负荷曲线、发展表 计的通信功能和确保高准确度，成为目前各个厂商设计电能表的首选方案【9 j 。 2 电子式电能表的研究现状 从电子式电能表出现至今的几十年里，实现原理经历由模拟电路方式到数字 化交流采样方式的发展过程，所使用的元器件也由简单的a d 转换器和单片机发展 到高精度d 转换器和d s p 。近年来，包括a d i 、c i r r u sl o g i c 、t i 等在内的众多芯 片厂商根据电子式电能表的实现原理和结构特点，推出了电能表专用计量芯片。 由于专用电能计量芯片内部集成高精度d 转换器和专用d s p ，使得电量参数从采 集到运算处理都由芯片内部完成，外部电路更加简化，极大地提高了系统的集成 度和可靠性，降低了外部m c u 的运算量，简化了软件设计，使得系统可以完成更 多的扩展功能。通过对现有电子式电能表所采用的典型系统结构进行分析( 如表 1 1 所示) ，可以看出采用专用电能计量芯片为主体的电子式电能表将成为电能表 市场的主流【1 0 1 4 j 。 国外的电子式多功能电能表，大多代表目前国际上电能表技术的高水平。比 如现在应用较多的兰吉尔电子式多功能电能表，具有高精度、长寿命、高速实时 测量、谐波功率电能计量等特点【4 】。其性能如下： 一2 一 硕十学位论文 表1 1 典型电能表系统结构分析 典型的系统结构特点 模拟乘法器方式 a d 转换器+ 单片机 高精度a ，d 转换器+ d s p 电路复杂，单参数测量，精度不高，抗干扰能力差， 体积大 采用数字化交流采样原理，可多参数测量，成本低， 但功能简单，精度不高 功能更加丰富，多参数测量，精度高，成本高，开 发时间长，系统维护复杂 专用计量芯片+ 单片机集成度高，功能强大，多参数测量，精度高，抗干 扰能力强，成本低，体积小，维护简单，可靠性好 ( 1 ) 计量特性 准确度为o 1 的有功电能计量，其误差曲线的带宽为士0 0 5 ；0 2 s 级三相基 波表具有分相的2 5 0 次谐波有功功率计量功能；o 2 s 级的电网关口表具有电能 质量计量模块，可对谐波、电压闪变等电能质量进行分析。 ( 2 ) 高速实时测量 交流采样速率为2 5 6 点周波，记录周期可为1 0 m s ；电能质量计量，可以对 6 3 次谐波、电压闪变进行测量，并进行故障录波。 ( 3 ) 开放式、高速率通信技术应用 采用开放式通信协议i e c 6 2 0 5 6 6 1 6 2 5 3 4 6 4 2 。具有抄表、费率、负荷控制 数据交换等功能：采用互联网通信，能自动发送报警信号；具有系统运行状态刷 新、数据记录功能；可以通过以太网连接电量计费系统的关口表；w 曲服务器可 直接读取电能表各种实际数据及电能质量参数，无需专用软件。 此外，欧洲已有具备谐波功率计量功能的三相0 0 l 级标准表，建立了谐波有 功功率、谐波视在功率的计量传递标准。美国的电能表自动校准系统，在任意波 形谐波总含量3 0 以下，计量准确度为士o 0 0 5 o 0 5 ；高精度三相标准表在功 率因数低于o 5 ( 相位角6 0 0 9 0 0 ) 时，计量准确度为士o 0 2 功率因数；电能功 率标准源能提供七种非正弦信号的无功功率计算方法【4 】。 我国2 0 世纪7 0 年代开始使用进口电子式标准电能表，到8 0 9 0 年代国内已 能商业化生产0 0 5 级电子式标准电能表【l 引。早期的计量芯片主要用的是上海贝 岭公司生产的0 9 3 x 系列电能计量芯片，原理大致是：电压电流两路采样信号隔离 放大后进行模拟相乘，相乘以后的模拟信号经过v f 变换变成一个频率和功率成 正比的脉冲信号，经过分频后驱动电子式步进电机进行计度，这种计量方式在当 时具有一定的先进性，但是，由于电能计量用的全是模拟技术，又受到当时芯片 生产工艺的制约，芯片的可靠性和温度稳定性较差，使得整机调试比较困难，尤 其是小电流的调试【9 】。 基于新型电子式电流传感器的多功能电能表的研究 随后，1 9 9 3 年我国研制成功国内第一台1 6 位a d 的数字采样式功率电能表， 进一步提高了准确度，可以代替进口表计，满足了我国省级电力计量部门对电能 计量的高要求【1 6 】。经过几十年的发展，现在我国电能表技术水平在大部分领域已 经达到国外同类产品的先进水平，国家也先后颁布了多部电能表系列标准。 1 1 2 电能表用电流传感器的研究及应用现状 电子式电能表的任务就是保证在各种负载条件下和各种电源质量时，都能以 较高的精度准确地测量电网的电压、电流、功率和电能等电量参数。如何从电网 准确地提取出电压、电流信号是电能表高精度计量的关键。电能表外的电压、电 流信号并不能直接接入电子式电能表的计量芯片里，必须经过变换电路转换为小 电压、小电流信号。电压信号的转换可以通过电压传感器，也可以通过大电阻分 压实现，目前一般采用高稳定度的精密电阻分压形式。电流信号的转换普遍采用 带铁心的电磁式电流传感器，这种电流传感器精度很高，理论上完全符合电能表 的计量要求，但由于电磁式电流传感器一次与二次绕组中存在等值电阻和电感以 及铁芯损耗，使得传感器一次与二次之间会存在相角误差和比值误差，这是电子 式电能表信号通道中的一个主要误差来源，而且，电磁式电流传感器带有铁芯， 易磁饱和【l7 1 ，测量范围较小，容易受外界电磁干扰。另外，电流信号的转换还有 采用基于霍尔效应的电流传感器的，这种霍尔电流传感器的特点是测量电流范围 较大，可测直流分量，输入阻抗大，电流回路损耗较低等，但它容易受到杂散磁 场的影响，且对霍尔材料的要求较高，存在温度漂移和时间漂移等问题【l 引。 近年来，基于空心线圈的电子式电流传感器在电力系统领域中得到了广泛的 应用。它具有体积小、重量轻、造价低；无铁芯、不存在磁饱和和铁磁振荡问题； 动态响应范围大，频率响应宽；抗电磁干扰性能强等优点，成为未来电流传感器 发展的方向【1 9 】。目前传统的r o g o w s k i 线圈是用人工或绕线机将二次导线密绕在环 形非导磁材料骨架上而形成的空心螺线管，主要适于大电流或脉冲电流的测量， 而在测量小电流( 1 0 0 a 以下) 时设计难度较大，其原因就在于线圈的互感系数难 以提高，感应的二次信号较弱，容易受到干扰；并且在工业大批量生产时，线圈 分布参数的一致性难以得到保证，从而影响到电流测量的性能。 因此，国内外的研究人员从空心线圈的设计方法以及制造工艺等方面进行了 深入的研究，提出了多种结构。其中印制电路板( p c b ) 型空心线圈具有测量准 确度高、稳定性和参数一致性好等优点，适合于工业化生产与应用，成为了当前 研究的热点【2 0 2 2 1 。s e n t e c 公司设计的m o b i u s 电流传感头就是采用p c b 结构的空心 线圈，其应用获得了较好的性能。 在我国，也有一些科研院所和公司设计了多种结构的p c b 型空心线圈，如湖 南大学周有庆教授项目组研制了多种结构新颖、拥有自主知识产权的p c b 型空心 一4 一 硕十学位论文 线圈，但目前国内还没有使用空心线圈的电能计量装置，因此，为了推动我国电 能计量技术的发展，不断推出电子式电能表新产品，以满足电能表市场的应用需 求，将空心线圈应用于电能计量装置中具有重大的现实意义。本课题便是基于此 背景孕育而来。 1 2 论文的研究内容 本文主要研究了新型p c b 型空心线圈结合电能计量芯片a d e 7 7 5 8 在电子式 多功能电能表中的应用以及多功能电能表的硬件实现和软件设计。各章节论述的 内容如下： 第一章从电能表技术的发展与应用情况，以及用于电子式电能表的电流传感 器的研究现状两个方面阐述了本课题的研究背景与意义。 第二章分析了国内外一些空心线圈的结构及特点，重点研究了新型p c b 电流 传感器的结构、原理，并对新型p c b 型空心线圈及电流传感器的性能进行了仿真 和实验分析。 第三章分析了电能计量芯片a d e 7 7 5 8 的功能特点，提出了新型p c b 型空心 线圈在电子式多功能电能表中的应用方案。 第四章详细分析并设计了电子式多功能电能表的硬件电路方案，主要包括电 源模块的设计、计量模块的设计、m c u 及外围电路的设计等，最后分析了电能表 硬件抗干扰的措施。 第五章研究了多功能电能表软件系统的构架，包括主程序的设计以及最大需 量计算、时段投切、通信等功能模块的实现，并分析了系统软件抗干扰技术。 最后，对本文的研究工作进行了总结和展望。 基于新型电子式电流传感器的多功能电能表的研究 第2 章新型p c b 电流传感器的研究 2 1 国内外空心线圈的分析 1 基于p c b 的平板型r o g o w s k i 线圈 传统的r o g o w s k i 线圈是用人工或绕线机将二次导线密绕在环形非导磁材料骨 架上而形成的空心螺线管，载流导体垂直于线圈平面且穿过线圈中心( 如图2 1 所示) 。 图2 1 传统的r o g o w s k i 线圈结构示意图 由全电流定律和电磁感应定律可知，当载流导体中通有被测量的交流电流f ( f ) 时，r o g o w s k i 线圈中会感应出与f o ) 变化率成正比的电动势砸) 。 郇) ：m 型( 2 1 ) 也 。 式中m 是线圈与载流导体之间的互感系数，被测的电流信号以) 可表示为： 1， f ( ，) = f ( o ) 一古i p ( f ) 刃 ( 2 2 ) 朋占 由上式可知，对r o g o w s k i 线圈二次输出的电压信号进行积分就可以得到与被 测电流f o ) 成正比变化的信号。实际上，r o g o w s k i 线圈的性能会受环境温度及外界 磁场等因素的影响，这主要是由于：r o g o w s k i 线圈不含铁芯，互感系数小，其 输出信号会受外界变化磁场的影响；载流导体位置的变动亦会因“空心 而影 响线圈的输出信号；线圈的输出信号与线圈截面积及匝数密度有关，环境温度 的变化会使骨架及导电线圈因热胀冷缩而影响线圈截面积及匝数密度，从而影响 线圈的输出。同时，在线圈的制作工艺上，线圈很难做到沿圆周均匀分布以及截 面积相等，这不仅会产生位置误差，还降低了抵抗干扰磁场的能力，在工业大批 量生产时，线圈分布参数的一致性难以得到保证，从而影响到电流测量的性能。 因此就有设计人员将r o g o w s k i 线圈用p c b 制作，p c b 型r o g o w s k i 线圈的一般结 一6 一 硕上学位论文 构形式如图2 2 所示。 a ) 顶层示意图( 顶层视角)b ) 底层示意图( 顶层视角) 图2 2p c b 型r o g o w s k i 线圈结构示意图 p c b 顶层和底层导线以环心为中心沿圆周呈放射状均匀分布，并通过过孔连 接形成垂直于线圈截面的线匝，线匝串联形成完整线圈。这种线圈与传统的 r o g o w s k i 线圈原理一样，都是在非导磁材料骨架上均匀绕线。但采用p c b 设计制 造工艺制作，决定了其具有以下特点：线匝截面积一致性和沿圆周分布均匀性好， 保证了线圈的尺寸精度；印刷电路板材料的温度性能稳定，线圈不易受环境温度 的影响；可采用树脂浇注灌封固定线圈和载流导体相对位置，能有效控制线圈的 位置误差；但是考虑到制造和绝缘水平的要求，线匝间距不能太小，因此线匝密 度较小，分布具有离散化特征，且互感系数较小，往往需要多个线圈串联使用； 由于p c b 上过孔较多，其中残留的铜的多少对线圈内阻的影响很大，在同批生产 的线圈中内阻差别较大【2 2 1 。 2 基于p c b 的组合型r o g o w s k i 线圈 基于p c b 的组合型r o g o w s k i 线圈是让二次绕组的绕线分散均匀，结构如图2 3 所示。 图2 3 基于p c b 的组合型r o g o w s k i 线圈 线圈骨架为开有中心通孔的主印刷电路板( 标号l 所示) ，载流导体垂直于主 板平面且穿过中心通孔中心，在主板上向心均匀分布有完全相同的副印刷电路板 一7 一 董茎堑篓皇耋塞堡堡矍兰墼耋塑璧塞璧塞墼呈垒 ( 标号2 所示) ，它们均垂直于主板。副板上有成回路的导线，主板采用双层板结 构，顶层的导线为其上的各个副板提供串联回路，底层的导线沿串联回路反方向 布线，这样可以完全抵消垂直于主板的磁场对线圈产生的干扰a 所有副板上的导 线和主板上的导线以及信号引出线串联构成二次绕组。副板的作用是感应载流导 体电流变化所引起的电动势，其精确与否直接影响线圈的性能。为了感应足够的 电动势，往往将每块副板两个面上的导线布置成平面螺旋线，这样等价于增加二 次线圈匝数。为了有效的抵御平行于主板平面的磁场产生的干扰，副板应该均匀 分布在主板上，保证其与主板垂直，并根据被测电流的大小设计副板的数量。 基于p c b 的组合型r 0 9 0 w 3 “线圈运用分散均匀的方法，在一个平面上布下多 个线匝，与上述平板型r o g o w s k i 线圈相比，有效地增加了线圈匝数，提高了互感 系数；p c b 上过孔较少，因而在同批生产的线圈中内阻差别不大，有利于精确地 进行批量生产：线圈的温度稳定性和抗电磁干扰性能较好；但是其安装工艺要求 高，较为复杂：主板和副板分开设计，安装时将其连接起来，一般采用焊接的安 装方法，用弯跳针连接副板和主板，焊接时必须保证副板与主板垂直，安装时载 流导体应该垂直穿过主扳的中心轴口”。 3 一种高磁导率的空心线圈 为了进一步提高r o g o w s k l 线圈的互感系数，增大二次感应电动势，出现了一 种将气隙铁芯和p c b 制造工艺相结合的高磁导率空心线圈，其结构示意图如图24 所示。 囤24 一种高磁导军的空心线圈 骨架由带气隙的铁芯构成，铁芯中开有至少一个气隙，p c b 均匀地放置在气 隙中，每块p c b 上有电气布线组成的电气回路，将所有p c b 上的电气回路首尾串 联构成二次绕组。这种线圈采用气隙铁芯代替非磁性骨架，骨架的相对磁导率得 到较大的提高。骨架中的磁感应强度分布均匀且远大于骨架外空气中的磁感应强 度，因此，与传统r 0 9 0 哪k i 线圈相比，互感系数增大：受载流导体与二次线圈相 对位置的影响较小：抗外界电磁场干扰能力强：且不需要遵循传统r 0 9 0 w s k i 线圈 中关于二次绕线绝对均匀的原则，只需保证二次绕线大致均匀的分布在骨架上即 可b 邮：基于p c b 上的电气布线可简化生产工艺、保证产品参数一致性，线圈线性 性能和温度稳定性能均有一定程度的提高；但其测量范围没有传统r o g o w s k i 线圈 的大。 4 m o b i m 电流传感头 s e n t e c 公司研制了一种专门用于测量较小电流( 2 0 0 a 以下) 的电流传感头 m o b i u s 电流传感头( 如图2 5 所东) 。 a ) 一次导体b ) 二次线圈 图25 m o b i l i s 电流传巷头 m 0 b i l i s 电流传感头的二次线圈包括一个可以很好地耦合载流导体的传感绕组 以及一个抵消补偿绕组，这两个绕组采用平面线匝在p c b 上成相反的方向串联绕 制，具有相同并相对的匝数与面积的乘积，这样可以提供对远处外界磁场的无效 响应，绕组设置成它们的磁轴共轴并对齐这样它们还可i 三l 对具有场梯度的外界 磁场提供无效响应。载流导体位于传感绕组上方。当交流电流通过载流导体时， 在感应绕组与补偿绕组中产生大小不等、方向相反的感应电动势，两者之和便是 最终的二次输出信号。m o b i 岫电流传感头的二次线圈采用p c b 制作，可以方便的 制成多层板，增加线圈的匝数，温度稳定性和抗电磁干扰性能好，而且传感头体 积小、成本低，能够直接集成到应用电路扳上，减小了装置的体积和重量口”。但 二次输出信号是感应绕组与补偿绕组感应电动势的净电动势因而输出感应信号 较弱，增大了信号处理电路设计的难度。 2 2 新型p c b 电流传感器的结构原理 2 2 1 新型p c b 型空心线圈的结构 为进一步提高空心线圈的互感系数和抗电磁干扰能力，本文提出了一种结构 新颖的p c b 平面型空心线圈电流传感头。其载流导体与二次线圈基本处于同一平 面，电磁耦台强烈口“。图2 6 为两层扳的空心线圈结构示意图，图中标号l 、2 、3 、 4 为螺旋线圈，标号5 、6 、7 、8 为p c b 的过孔。 二次线圈由4 个尺寸相同、均匀分布的螺旋线圈顺次串接而成。螺旋线圈是 在p c b 上用导体布线而成，每个螺旋线圈的顼层线匝与底层线匝通过过孔连接， ! 二些! 垄! 些! 塑! ! 塑! i ! 坠 a ) 顶层结构示意固( 磺层枧角)b ) 底屡结构示意舶( 顶层视角) 图26 新型p c b 型空心线圈结构示意豳 因而螺旋线圈可以看成是平面的。载流导体紧贴在p c b 顶层上方，围绕不相邻的 螺旋线圈构成一匝回路，并与p c b 电气绝缘。另外，为了提高线圈的抗电磁干扰 性能，可以在p c b 上加铺铜层，起到滤除高频干扰的作用。 2 2 2 新型p c b 电流传感器的原理 当载流导体通过图26 所示交流电流f ( f ) 时，由于空心线圈具有对称性在螺 旋线圈l 、3 上产生的磁链相同且方向垂直于p c b 向外，在螺旋线圈2 、4 上产生 的磁链相同且方向垂直于p c b 向里。因此在线圈l 、3 上感应的电动势方向为逆 时针( 顶层视角，后同) ，在线圈2 、4 上感应的电动势方向为顺时针，螺旋线圈 依次串接，使得整个二次线圈中产生的赙应电动势方向相同，所以二次线圈葛应 的电动势为： 咖一譬一警一警一警 一m 警一蝇警一鸠警一帆警 ：一m ! 盟( 23 ) 出 式中甲扎。分别为螺旋线圈交链的磁链，m j j 分别为载流导体与螺旋线圈的 互感系数，吖= m + + + ，为整个二次线圈的互感系数。互感系数主要取 决于以下几个因素：螺旋线圈的结构、尺寸、匝数以及与载流导体的位置关系； p c b 的层数。一旦这两个因素确定，互感系数即为常数。互感系数的计算较为 复杂，人工计算时往往将空心线圈的模型理想化，例如将载流导体和二次线圈近 似处于同一平面，载流导体分割成8 段导体串接，螺旋线圈的每一匝均看成一个 闭合的回路，这样可先求出每段导体与一个螺旋线圈的互感系数，再利用叠加原 理以及空心线圈的对称性求得总的互感系数的近似计算值，具体的计算方法可以 参阅文献 2 3 ，2 7 】；因人工计算互感系数难度较大，工程上也可以通过一些电磁 硕十学位论文 场分析软件( 如a n s o rm a x w e l l ) ，建立空心线圈的精确物理模型，再求解得到。 由式( 2 3 ) 可知，要想得到与被测电流以) 成正比变化的信号同样要对感应电动 势进行积分处理，因此空心线圈输出信号需要外接积分器以构成电流传感器。另 外，实际上二次线圈存在自感、等值电阻以及寄生电容，二次线圈的输出信号并 不是感应电动势e ( f ) 【2 8 ，2 9 1 ，为了得到电流传感器输出信号与一次被测电流的实际关 系，在不计一次载流导体的寄生参数的条件下，可以得到电流传感器的等效电路 如图2 7 所示。 图2 7 等效电路图 图中虚线框内是空心线圈的等效电路模型，其输出外接有源模拟积分器，实 际应用中，为了解决模拟积分器积分漂移的问题，使积分器长期稳定工作，一般 在积分电容两端并联一个m q 级的负反馈电阻；厶为二次线圈的自感：r 为二次 线圈的等值电阻；c o 为二次线圈寄生电容；也为积分电阻，可视为积分电路的输 入电阻；c 为积分电容；r ，为负反馈电阻。 由等效电路图可以推导出传递函数： 日o ) ：盟 ( j ) ：望盟旦盟型 ( j ) e ( s ) ，( s ) 一髟 1 兄巧。“厶c 0 ，+ ( 惫+ r c 0 弘+ ( 惫“) ( 一朋叠) g ( 吩卅2 + ( 等+ 志灿去( 扣】 舯：弘去+ 去；2 赤 ( 2 4 ) 器 基于新型电了式电流传感器的多功能电能表的研究 由上式可知，互感系数只影响输出信号的幅值，而传感器的暂态响应、频率 响应等性能由二次线圈的等值参数以及积分器参数决定。一次载流导体在二次线 圈产生感应电动势是一个微分环节，而二次线圈电路在实际工作状态下盯 一 = i 陆丹回 波形采样寄 ； 申r 上 亿。 + 存器 恐占：! 0 小( l 飞 有功和无功区c l ， 峄计算 工 r 图3 3p c b 型空心线圈与a d e 7 7 5 8 接口电路方案一 p c b 型空心线圈通过取样电阻取得电压信号，再经低通滤波器差分式接入仪 表放大器，放大后的信号输入a d e 7 7 5 8 。信号在计量芯片内部经过可编程差分放 大、d 转换之后，对电流波形增益校正。由于a d c 自身的原因或外界温度的影响， 数字积分器的输入可能会存在直流偏移量，在a d c 输出与积分器之间接有数字高 通滤波器，可以消除直流偏置的影响。对信号进行数字积分后，将结果送入电流 波形寄存器并进行电流有效值、有功功率、无功功率计算等后续操作。 低通滤波器元器件的取值主要考虑滤波器的带宽。低通滤波器有两种不同的 带宽：差分带宽和共模带宽【3 5 1 。差分带宽定义为当差分输入信号施加到电路的两 个输入端时滤波器的频率响应带宽。r c 时间常数由两个阻值相等的输入电阻器 ( 墨、恐) 之和，以及容值相等的电容器c l ：与c l ，串联再与差分电容器c l 。并联的 组合一起决定。该滤波器的3 d b 差分带宽( 单位为h z ) 为： 1 b 2 蕊赢 o j ) 共模带宽定义为连接在一起的两个输入与地之间出现的共模信号所产生的频 率响应带宽。差分电容器g 不影响共模信号的带宽，因为这个电容是连接在两个 输入端之间。因此，共模带宽由两个r c 网络( 墨、c l ，和r 、c l ：) 对地的并联阻 抗决定。3 d b 共模带宽( 单位为h z ) 为： 1 召= z 亡_ ( 3 2 ) 基于新型电了式电流传感器的多功能电能表的研究 两个输入电阻器( 冠、垦) 的典型值一般在2 k q 和1 0 k q 之间，为了有效地减 小由于c 1 ：、c l ，不匹配造成的交流共模抑制比误差，通常取c l 。比c l ：、g ，大1 0 倍。 这里选取墨= 疋= 2k q ，c l ：= c l ，= 0 0 0 l 心，c l 。= o 0 l 心，则低通滤波器的差分带 宽约为4 k h z ，由于a d e 7 7 5 8 中的a d c 采样频率可达2 6 k s p s ( k i l os a m p l e sp e r s e c o n d ) ，因此不会产生频谱混叠现象。 在图3 3 所示方案中，仪表放大器由双极性电源( y ) 提供工作电源，而电 子