（电力电子与电力传动专业论文）仿真与智能化技术在强电测控系统中的应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sw o r l d ，n o w a d a y s ，t h ed e v e l o p m e n t so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc h a n g ew i t he a c hp a s s i n g d a ya l lk i n d so fs u b j e c t sd e v e l o pq u i c k l y f r o n t i e rs c i e n c e sa si n t e r s e c t a n tp r o d u c e sb e t w e e nm a n y s u b j e c t s a r e p r e s e n t i n g i n f i n i t ef a s c i n a t i o nc o m b i n e dc o m p u t e rs i m u l a t i o n 、i n t e l l e c t u a l i z a t i o n! t e c h n o l o g y a n d e l e c t r o m a g n e t i c m e a s u r e m e n tt o g e t h e r , t h i st h e s i s s y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d st h e a p p l i c a t i o n o fc o m p u t e rs i m u l a t i o na n di n t e l l e c t u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y i nt h e e l e c t r o m a g n e t i c m e a s u r e m e n tf i e l d f i r s t l y ，i nc h a p t e r2o f t h i st h e s i s ，af i r e n e wh e a v yd cs e n s o rt h e o r y , d o u b l em a g n e t i cd e t e c t o r , h a sb e e np u tf o r w a r db a s e do nt h er e s e a r c ho fb a s i cp r i n c i p l e sa b o u tt r a d i t i o n a lm a g n e t i cm o d u l a t o r a n dm a g n e t i cm a g n i f i e r t h i sd e t e c t o rc o m b i n e so r g a n i c a l l ym e r i t sa n dc o m p l e m e n t so fm a g n e t i c m o d u l a t o ra n dm a g n e t i cm a g n i f i e rt o g e t h e r i n c h a p t e r3 ，i t i se s t a b l i s h e dt h a tt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fh e a v yd cc u r r e n tc o m p a r a t o rb a s e do nm a g n e t i cm o d u l a t o ra n dd o u b l em a g n e t i cd e t e c t o r c o m p a r a t o r f u r t h e r m o r e ，t h es t a b i l i t yo ft h e mh a sb e e na n a l y z e dt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o ni n m a t l a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h a td o u b l ed e t e c t o rc o m p a r a t o rh a se x c e l l e n ts t a b i l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t y t h e n ，af i r e - n e wi n t e l l i g e n t c i r c u l a t i o nd e t e c t i o ns y s t e mi si n t r o d u c e di nt h ec h a p t e r4t h i s s y s t e mi su s e dt oo n - l i n em o n i t o r t h ea v e r a g ec u r r e n to ft h er e c t i f i e dd i o d ea n df i n d st h ef a i l u r eo f r e c t i f i e r s y s t e ms u c c e s s f u l l y i tb a s e so nt h es i n g l ec h i p8 0 c19 6 k c ，w h i c hc o n s t r u c tt h es c m m e a s u r e m e n t s y s t e m t h ea p p l i a n c eo f n e wd e t e c t i o nm a t r i xr e d u c e st h en u m b e ro fc o n n e c t i n gw i r e s a n da n a l o gm u l t i p l e x e r sa b r u p t l ya n de n h a n c e st h er a t i oo f p r o p e r t ya n dp r i c e f i n a l l y , af i r e - n e wf a u l ta n a l y s i ss y s t e mo f t r a n s f o r m e ri si n t r o d u c e di nc h a p t e r5 t h i ss y s t e m d i f i e r sw i t hd i a g n o s t i ca n dp r o t e c t i v ed e v i c e so ft r a n s f o r m e r i ta c t sa s “b l a c kb o x o ft r a n s f o r m e r , w h i c hi sa b l et on o to n l ya n a l y z et h ef a u l t so ft r a n s f o r m e rb u ta l s od i s t i n g u i s ht h e r e l a t i o no f 。 o b l i g a t i o n sa n dd r o i t sb e t w e e nm a n u f a c t u r e r sa n du s e r so f t r a n s f o r m e r d s pi su s e dt od e s i g nt h e 、 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s sp a r t a n dd s p h a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nt h es i g n a lp r o c e s s ，m e m o r ya n d c o m p u t a t i o n a ls p e e d a l lt h e s em a k e t h ew h o l es y s t e ma c h i e v es a t i s f a c t o r yr e s u l t s t h i ss y s t e mw i l l 五l lu dt h ei n t e r n a la n do v e r s e a sb l a n k i th a sw i d ep r o s p e c t so fa p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：c o m p u t e rs i m u l a t i o n i n t e l l e c t u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y d o u b l em a g n e t i cd e t e c t o r i n t e l l i g e n tc i r c u l a t i o nd e t e c t i o ns y s t e m f a u l ta n a l y s i ss y s t e mo f t r a n s f o r m e r i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源、目的、意义 本课题主要研究计算机仿真与智能化技术在强电测控系统中的应用。围绕该课 题，作者分别做了三个有关方面的工作，即“双重磁检测器直流比较仪的稳定性研 究与仿真”、“智能化均流巡回检测系统”、“变压器故障识别系统”。 “双重磁检测器直流比较仪的稳定性研究与仿真”是国家自然科学基金项目 “双重磁检测器强电直流传感理论与方法研究”的主要内容之一。直流大电流比较 仪作为一种非常有效的测量强电直流大电流的传感器，已经受到电冶炼，电化学等 行业的高度重视。其技术在许多领域得到了应用f 】- l 。但是从测量装置的实际运行 来看，稳定性是一个非常关键的问题。目前应用比较广泛的直流比较仪是磁调制器 比较仪，但是它存在容易失衡、稳定性差的缺点。本文结合双重磁检测器比较仪， 围绕直流比较仪的稳定性，利用先进的计算机仿真技术对比较仪改进前后的稳定性 进行仿真分析，为双重磁检测器直流比较仪的研究与实际应用提供理论依据。 “智能化均流巡回检测系统”是根据武汉市祥龙电业股份有限公司电解分厂的 生产实际需要 9 1 ，研制的新一代智能化均流巡回检测系统。在电化学、电冶炼等生 产部门，都是由大功率整流装置供给直流大电流进行电解生产的。但由于整流装置 中硅整流元件所处磁场的影响及伏安特性的分散性等原因，当它们相互并联工作 时，可能发生个别元件承受过大电流而损坏的情况。从而有碍硅整流器的安全运行 和限制其容量的充分利用，故必须采用适当的方法，定期监测每臂的均流稀疏。此 外，在大电流整流柜内，由于强磁场的影响，常常导致一个整流柜的臂间，相间电 流分配相差很大，严重时个别整流臂会出现全臂熔断事故，因此臂间，相间的均流 问题也不容忽视。本子课题的目的是采取对大功率整流系统的硅整流元件进行实时 监控，给出整流二极管、臂间以及相间的均流参数，为生产厂家维护大功率整流系 统提供可靠依据，从而提高生产部门的生产效率、降低生产成本，为企业的发展作 出贡献。 “变压器故障识别系统”是本实验室根据变压器生产厂家与市场要求以及变压 器运行的自身规律立项的。电力变压器的安全运行对保证供电的可靠性具有重要意 义。然而变压器作为电能传输中的关键设备，不发生故障也是不可能的，正如飞机 华中科技大学硕士学位论文 在飞行、起降中不可能没有事故一样。能否在变压器上装有象飞机上的“黑匣子”- 一 用来记录识别事故，便于查找事故原因，介定事故的责权关系以杜绝事故，是一项 非常有意义的重要课题。许多变压器生产厂家、用户也迫切需要开发出一种变压器 故障识别装置，在线采集、记录、识别其操作过电压、雷电过电压、过电流、变压 器铁耗、铜耗等参数指标，以衡量变压器运行质量，使故障发生时能即时记录、识 别，防止事故进一步扩大，同时使厂家与用户双方责权明确。 1 2 国内外概况 国内对强电直流传感器的研究，经过十多年的研究，已经取得了初步成效，先 后研制出基于磁调制原理【j o , 1 1 1 、磁放大器原理【t 2 , 1 3 1 、霍尔效应原理【1 4 , 1 5 、光纤测量 原理6 j 等直流大电流测量装置，一些技术指标达到国际先进水平。但是经现场多年 考验表明，上述作为在线测量使用的传感器均存在原理与方法上的局限性。基于上 述单一原理的装置，都经受不了电冶炼、电化学行业强磁场、高温度、长期连续运 行等恶劣的使用环境和条件考验。目前，由本课题组提出来的双重磁检测器集磁调 制器和磁放大器的优点于一身，为直流传感器的研究探索出一条新途径。国外在强 电直流传感器的研究领域，基本情况与国内相当。其中以加拿大国家研究院国家测 量标准所e d d ys o 博士( i e e ef e l l o w ) 等为代表，他们研制的“高精度开口 铁心交流与直流大电流互感器”】代表近几年来国际上的研究水平。但其强电直流 检测机理还是基于传统的磁调制器原理 4 j ，传感机理并没有获得突破，其谐波影响、 稳定性、可靠性的问题依然存在。 对于巡回检测技术随着单片机、d s p 以及微型计算机的高速发展而相对成熟， 目前国内外在该方面工作已经相当多i l8 ，”，2 u ”j ，并且有许多装置在现场运行。相对 而言，一般对于温度等其它参量进行巡回检测的居多，而对于电量的巡回检测相对 较少。本课题把信号检测矩阵运用到电量检测中，在国内尚属先例。 “变压器的故障识别系统”，我们又称其为“黑匣子”，这方面的研究在国内外 尚属空白。虽然对于变压器的诊断与保护、变压器的故障机理【1 7 , 2 2 2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 5 ”，国内 外的学者都有了深入的研究，但是在变压器上装有像飞机上的“黑匣子”，用来记 录识别事故，便于查找事故原因，介定事故的责权关系以杜绝事故，尚没有真正成 功。“黑匣子”的面世，将填补国内外在该方面的空白。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本课题的任务 如前面所述，本课题有三个子课题组成，那么本课题的研究任务也是围绕这三 个子课题展开的。下面分别从三个方面给出本课题的任务： ( 1 ) 双重磁检测器直流比较仪的稳定性研究与仿真：在深入研究传统磁调制 器、磁放大器的工作原理的基础上，提出种新型直流传感理论，即双重磁检测器。 分别建立传统磁调制器直流比较仪和磁检测器直流比较仪的各个环节的数学模型， 并对传统磁调制器直流比较仪和磁检测器直流比较仪用m a t l a b 进行计算机仿 真，由仿真得出比较仪的稳定性相关结论。 ( 2 1 智能化均流巡回检测系统：探讨基于磁位计的模拟信号检测技术，并提出 由磁位计构成的信号检测矩阵；完成单片机信号处理系统的软硬件设计与调试；最 后完成该系统的现场安装与调试工作。 ( 3 ) 变压器故障识别系统：深入研究变压器的故障识别原理，总结出一套新的 故障识别理论；同时，对变压器的铜耗、铁耗在线检测进行深入研究，解决好检测 方法与检测误差问题：在深入研究数字信号处理系统理论的基础上，完成d s p 信号 处理系统的硬件设计与调试；并完成d s p 信号处理系统的软件设计框架。 华中科技大学硕士学位论文 2 双重磁检测器比较仪 2 1 磁调制器工作原理 软磁材料b - h 曲线的非线性关系是磁调制器的物理基础1 2 8 0 9 川。在一个由交流 调制激励到饱和的软磁铁心中，由于b h 曲线的非线性，铁心的交变磁通产生了 高次谐波。当没有直流或低频偏置磁场时，由于b h 曲线对称，交变磁通中仅有 奇次谐波；而加进直流或低频偏置磁场时，铁心在某一个方向上较另一个方向上更 易饱和，b h 曲线的对称性被破坏，交变磁通中产生偶次谐波。偶次谐波的大小和 相位反映了偏置磁场的大小和方向。人们利用这特性测量偏置信号，这就是磁调 制器的基本原理。如果只取偶次谐波中的二次谐波为有用信号，就称为倍频磁调制 器。 按铁心结构绕组形式分为单铁心和双铁心，双铁心又分为二绕组和三绕组； 按交流激励源性质分为恒压源和恒流源式； 按电流信号分为大电流信号和小电流信号两种形式。 2 1 1 恒压源激励下的双铁心两绕组磁调制器 这种磁调制器【32 】在每个铁一t l , 上各绕有交流激磁绕组，而不设单独的检测绕组， 它是由主铁屯、上的交流激磁绕组和激磁变压器上的两个相同的次级绕组组成桥路 实现检测的。这种磁调制器的功能仍具有使磁通中奇次谐波相抵消，偶次谐波相加 的作用，而且省掉了单独的检测绕组。其原理图如图2 1 所示。 w 。，w 。为方波发生器输出变压器的次级绕组，中心抽头0 点接地，w 。b ，w 。b 为 铁心i ，i i 的激磁绕组又是检测绕组，而且匝数相等，$ 。和而。为主铁心i ，n 的激 磁磁通，方向相反。 由图2 - 1 知： u 。o = u ，u 甜= u 。o 十u o c ，u 砷= e ，口。，又u 。= u 曲十u k ， 地。一= 救一u 矿妒扩u 一= 帆( 警+ 挚 1 ) 在方波电压激励下，采用三折线近似地描述磁特性，从理论上可以证明，o b o 中的二次谐波分量为： 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ! = = = = = ! = 搴! _ ! ! = ! ! 皇! 鼍詈! 皇黑篡鼍寰烹= i l l i i i 烹烹! 鼍皇! 鼍 ，一8 畋s 蜩。s i n 篑s i n 2 妒 ( 2 - 2 ) 从式( 2 - 2 ) 可以看出，恒定磁场强度1 1 0 的大小只影响输出电压己，。中二次谐波分 量的振幅，而不影响其相位，当h o 的极性方式变化时，u ：，的相位才改变1 8 0 度 即只有被测直流信号方向发生改变时，才会影响己，。：，的正负。 ?几几? il l l q 0 一i l 蛏 c j ! 一r yr ，_ 一 f 一1 一r i 差 _ l 检 l 波 、i 佼一止一一一口z 卫一 一1 8 矿、u 一1 i 飞 图2 - 1 双铁心两绕组磁调制器简化原理图 2 1 2 磁调制器直流电流比较仪的工作原理 磁调制器直流电流比较仪作为实验室标准【6 】【”1 ，工业现场测量与校验标准f 2 1 【4 1 以及高精度仪器的核一c l 部分 3 3 1 1 3 4 】均以得到了广泛的应用，其工作原理在许多文献 中都有较详细的说明。该种电流比较仪按其操作规程可分为手动的、半自动的、全 自动的几种3 2 。本节主要介绍全自动自平衡磁调制器直流电流比较仪( 采用倍频磁 调制器) 的工作原理。 图2 - 2 磁调制器直流电流比较仪工作原理圈 一蠹 华中科技大学硕士学位论文 磁调制器直流电流比较仪是一个闭环系统，其工作原理如图2 2 所示。振荡器一 产生的激励信号经激励变压器耦合加到了磁调制器的激励检测绕组上，将磁调制器 的两个调制铁心反向磁化到充分饱和。为了提高响应速度，以适应被测电流的突然 变化，要求激励变压器能够提供足够大的瞬间功率。当有被测电流时，磁调制器输 出的偶次谐波经带通滤波器，得n - - 次谐波。二次谐波和由同步信号发生器发出的 同步信号同时进入相敏解调器，解调器输出的直流电压的大小与被测信号成正比， 其方向反映了被测信号的方向。解调器的直流输出电压控制直流放大器和功率放大 器，提供电流给与一次电流平衡的反馈绕组，使系统处于闭环工作状态。 2 1 3 磁调制器直流电流比较仪的开环输出特性 磁调制器直流电流比较仪的开环特 性曲线已有相关文献介绍过【l o l 。在这里我 们以现有的一个5 0 0 0 a 的自平衡式磁调 制器直流大电流比较仪为例详细加以研 究分析。它的磁调制器铁芯是由一对硅钢 片铁芯构成的磁环，每个磁环上绕有匝数 相同的激励绕组( 兼作检测绕组之用) 。 磁环由方波电压激励，工作在深饱和状 八代。 一u o v i - i 输入责匝( a ) 图2 3 磁调制比较仪开环输出特性 态。在研究过程中，实验测试其开环特性，测试数据如下表2 一l 。 表2 一i 传统磁调制器直流比较仪开环特性测试数据 i w 。( a )o 1 80 4 7 41 4 5 5 2 7 1 83 6 9 03 7 5 05 3 4 05 5 4 07 4 4 u ，( v )0 2 50 5 41 7 8 3 0 93 7 74 0 04 6 64 8 35 4 2 i 。w ( a )9 2 59 7 6 51 2 0 01 3 6 21 7 7 51 9 0 92 0 8 l2 4 2 52 4 3 6 u 。( v ) 5 6 45 8 16 0 06 o o6 2 56 2 96 3 46 4 46 4 4 i ，w 。( a ) 2 6 72 7 5 12 9 4 92 9 7 93 0 8 73 5 0 13 9 6 74 0 9 84 2 9 0 u 。( v ) 6 5 16 5 46 4 96 4 56 4 02 2 80 3 0o 3 0一o 6 0 i w ( a ) 4 4 44 6 5 34 9 1 25 6 1 26 0 ，9 06 5 7 67 2 6 07 8 o l8 1 3 2 u 。( v ) 一0 91 1 81 6 0一2 2 52 0 5一1 4 50 9 80 6 7- 0 4 8 上表给出了正向安匝的数据，i , w ，为被测电流的输入安匝值，u 。为磁调制器输 出信号经带通滤波、相敏解调器输出的直流电压。根据表中数据，得出反相安匝的 数据，因为反向安匝与正向安匝的开环输出特性关于原点对称。以被测电流的输入 安匝值为横坐标，以输出的直流电压为纵坐标，作出传统磁调制器直流比较仪的开 环输出特性曲线如图2 3 所示。 6 堪霉糕催兽嚣 华中科技大学硕士学位论文 2 2 磁放大器工作原理 2 2 1 扼流圈的工作原理 扼流圈是磁放大器的物理基础，扼流圈【3 5 3 6 , 3 7 , 3 9 结构如图2 - - 4 所示。它是由绕 在闭合铁磁芯上的绕组和既组成。绕组既接入交流电路，在睨中通过合有基 波及高次谐波的交流电流。绕组接入直流电路。在直流激磁侧接入电感线圈是 为了限制由交流感应过来的电流。铁芯上一次绕组巩，当其中有电流时，改变铁 芯的静态工作点。然后在调制线圈睨两端加交流电源激励，激励电流的变化反映 了一次电流产生的磁动势的大小和方向。 l， 彝 尺z ，稀玺 = = j ) 、 一，睨 ： ， i 圈2 4 扼流圈结构图 设铁芯中磁通为巾，“。= u 。c o s t o t ，取图2 - - 4 中所示的方向，则： 睨掣：u s 国f r ， 衔n 扯+ 劳豇扣m m s i nc o t 枷。( 2 - 3 ) 中。= u 。洄睨) 其中。为磁通交变分量的振幅；o 。为磁通直流分量。扼流圈的工作原理可 用图2 5 来描述，其中曲线中= 厂( 觑) 是磁芯中磁场强度h 与磁力线平均长度l 的乘积同磁芯中磁通中的关系曲线。图2 - - 5 a 是相应于i 。= o 时的情况，而图2 - - 5 b 是相应于，。0 时的情况。两图中的磁通交流分量o 。s i n c o t 是相同的。 当1 0 = 0 时，铁芯工作点处于原点，西。= 0 ，由作图法求得激励电源波形如图2 5 a 所示。 当。0 时，铁芯工作点偏离原点，o 。0 ，交流磁感应强度叠加于直流磁感 应强度之上，由作图法作出激励电流波形如图2 5 b 所示。图中的直线a - a 是由曲 线泐。= f ( c o t ) 的零线。电流i 相对应于此直线而变化。直线a a 离开纵轴的距离等 华中科技大学硕士学位论文 iii 于。甄。 从对称非线性阻抗的一些共性1 3 6 j 进一步可以得到，函数f 。= f ( o o t ) 的基 波和高次谐波取决于，。w o ( i o v e o 越大， 电流f 的基波振幅越大) ； 可见，当铁芯中有直流磁动势时， 激励电流波形i c o 。= f ( c o t ) 发生变化，失 去对称性。它反映了直流磁动势的大小 及方向。不同的直流磁动势，对激励电 流的影响不同。 从以上分析清楚地表明，由于一次 直流电流的存在，改变了铁芯工作点， 图2 5 扼流固工作波形 使它偏离原点，导致调制电流波形发生变化，这种变化反映了一次直流电流的大小 和方向，具有相敏特性。根据这一特性，与电流比较仪思路结合起来，构成了磁放 大器电流比较仪的基础。 2 2 2 磁放大器电流比较仪的工作原理 采用单铁芯调制，电流起样的方案，用调制电流波形变化来判断铁芯中磁动势 是否达到平衡，并以此为核心，制成磁放大器电流比较仪，其框图如图2 6 所示。 调制器中电流波形与电阻r 两端电压波形一致，放大后送入低通滤波器，得到一个 大小，正负与铁芯中磁通势f 有关的电压信号，校正放大以后，驱动放大器输出 二次电流，与一次电流产生的磁通势相平衡。由于这种调制器灵敏度低，因此需要 有较大的放大倍数才能维持足够的精度： 图2 6 磁放大器电流比较仪框图 华中科技大学硕士学位论文 这种磁放大器电流比较仪精度略低，但电路简单，工作可靠。它的特殊的开 环输出特性决定它是磁调制电流比较仪的极好补充。 2 2 3 磁放大器电流比较仪的开环输出特性 为了深入探讨磁放大器电流比较仪的性能，课题中对它作了开环输出特性曲线 的测试。测试数据如表2 2 所示。 表2 2 磋放大器直流比较仪开环特性测试数据 i w 。( a )5 8 81 1 6 91 7 6 5 2 4 1 03 0 9 16 0 71 4 4 7 u o ( v )o 0 2o 7 12 2 64 6 16 8 4 一o 0 91 4 3 i ，w 。( a ) 3 4 8 03 9 0 04 9 2 56 5 4 78 5 2 42 0 6 43 0 0 1 u o ( v )7 3 97 6 97 9 68 1 18 1 6 3 2 96 6 5 i ，w ，( a ) 一3 5 3 74 4 7 84 9 2 36 0 7 9- 6 6 2 7一1 0 5 4 81 0 8 1 u o ( v )一7 4 87 9 18 0 08 1 l一8 1 4 8 1 98 2 3 根据表2 2 的数据作出其开环 特性曲线图2 7 所示，从开环输出 特性清楚地显示，在i ，w = o 附近放 大器输出灵敏度极低，在i 。w 。- - - - - 2 0 4 0 之间，其灵敏度较高。当i i w ，4 0 安匝以后，其输出趋于饱和，稳定 在8 v 左右。因此，可以断定磁放大 器电流比较仪稳态工作时，静差较 大，准确度较低。但图2 7 中不存 在虚假平衡点。 2 3 双重磁检测器工作原理 2 3 1 引言 n ，厂 a p 7 、- 输入安匝( a ) 图2 7 磁放大器电流比较仪的开环尊出特性 。基于前两节的分析，可以得出磁调制器电流比较仪和磁放大器电流比较仪都有 自己的优缺点，磁调制器具有准确度高、线性度好、防磁能力强等突出优点，因此 基于磁调制器原理的直流大电流测量装置在实验室及工业现场广泛应用 1 , 2 , 4 , 6 , 1 7 , 3 3 , 3 4 , 4 1 , 4 2 , 4 3 , 4 4 。但其原理上存在着容易失衡，稳定性差的弱点。其开环输出特 性如图2 3 所示，从图中可见，它的比较仪开环输出特性是非单值的，即磁调制 器输出信号通过相敏解调器后，其输出直流电压u 。随输入安匝变化( 1 1 形) 有多个 华中科技大学硕士学位论文 过零点，如图2 3 中的a 、b 、c 、d 、e 。由于b 、d 点的斜率小于零，系统不可能 稳定地工作在b 、d 点。由于a 、c 、e 三点的斜率大于零，系统可能稳定地工作在 a 、c 、e 三点。其中c 点为零安匝点，同时也是系统的平衡工作点。当系统工作在 a 、e 点时，出现了所谓虚假平衡点，虚假平衡点不仅影响电流比率精度，而且严 重地影响着其闭环系统的稳定性( 尤其在工业现场) ，这也正是磁调制原理的致命 缺点。磁放大器工作稳定，其开环输出特性如图2 7 所示，它没有虚假工作点， 但精度不高，线性度低，也存在着一些的缺陷。能不能将两种传感方法相结合，取 长补短，从而获得一种全新的直流电流传感方法，我们在国家自然科学基金的资助 下经过比较深入的研究，提出了一套新型直流大电流传感理论与方法双重磁检 测器直流大电流传感理论与方法1 5 ”。在我们设计的双重磁检测器直流大电流检测方 法中，磁调制器与磁放大器有机结合，即磁放大器巧妙存在于磁调制器之中，它们 使用一对共同的检测铁芯和线圈，以及共同的磁屏蔽铁芯与反馈绕组，无需增加额 外的磁放大器铁芯和线圈。 基于这种新理论和新方法的测量仪器，既具有磁调制器比较仪准确度高、线性 度好、防磁能力强等优点，也具有磁放大器稳定性好、可靠性高的优点。这种传感 方法在原理上表现出新颖的检测特性，它的开环传输特性，是将磁调制器与磁放大 器的传输特性有机合成，既有来自于磁调制器传输特性在零安匝附近灵敏度度高、 线性度好的特点，也具有磁放大器的传输特性单值性好的特点。双重磁检测器比较 仪的开环输出特性如图2 9 的曲线2 所示。所谓单值性好，即传输特性曲线只在 电流为零安匝时直流输出电压过零，不象传统磁调制器传输特性除零安匝外，还有 若干个过零点，即虚假平衡点，造成系统闭环后容易失衡，它是磁调制器稳定性差 的理论根源。而传输特性在零安匝附近灵敏度高，即克服了传统磁放大器原理灵敏 度低的弊端，这种低灵敏度正是造成磁放大器测量准确度低、线性度差的理论根源。 2 3 2 双重磁检测器比较仪的原理框图及其基本原理 双重磁检测器直流比较仪【3 5 】是由磁调制器和磁放大器组成。其原理框图如图2 8 所示。我们应用不同的采样方式，可以使磁放大器包含于磁调制器之中，它们 使用相同的铁心及线圈，而不需要额外的线圈及铁心，这也正是双重磁检测方案能 够应用到实践中的关键。 如图2 8 所示，双重磁检测器铁芯同样由一对环形硅钢片铁芯构成，当工频 交流激励电压通过激励变压器t 加到激励绕组时，且被测直流电流i ；= o 时，两铁 芯产生的交变磁通是完全对称的，其相位相差1 8 0 0 ，因此检测绕组a 点上没有二次 1 0 华中科技大学硕士学位论文 谐波输出。当被测直流电流i ，o 时，a 点将有二次谐波输出，而这个二次谐波信 号即为磁调制器电流比较仪的检测信号。从上节的讨论中，可以得到图2 8 中 b 点的电压信号即为磁放大器的检测信号。 图2 8 双重磁检测器直流比较仪原理框图 从a 点取出磁调制器信号，经过滤波，相敏解调得到电压“：从b 点取出激励 线圈中电流波形，经放大、滤波得出一个电压信号“。然后将“。，h 。叠加、放大， 反馈电流i 。流经反馈绕组w 。，而保持磁势平衡。用一套检测铁芯及线圈将磁调制 器与磁放大器原理有机合成，而实现了双重磁检测原理，将二者的优点合二为一。 2 3 3 双重磁检测器直流比较仪的开环输出特性 根据双重磁检测器的基本原理我们又设计了一台5 0 0 0 a 1 a 的双重磁检测器直 流电流比较仪，并测试了其开环特性，测试数据如表2 3 ： 袁2 3 双重磁检测器直流比较仪开环特性测试数据 i w ( a ) 1 0 82 5 24 2 25 2 66 0 08 2 39 4 91 1 4 91 2 1 0 u 。( v ) 1 1 02 6 24 5 45 0 55 7 06 3 26 6 76 9 27 0 1 i ，w ，( a ) 1 4 01 5 0 11 7 8 52 0 6 82 0 8 52 4 6 02 5 3 22 6 7 02 9 3 1 u 。，( v ) 7 1 37 1 67 3 l7 3 97 4 17 5 27 5 47 5 87 6 0 i ，w ，( a ) 3 1 o3 1 8 13 3 1 53 4 2 63 5 2 23 6 8 63 7 8 93 9 0 34 0 4 7 u ，( v ) 6 7 36 2 55 6 25 1 94 9 04 6 24 5 64 4 54 6 0 i ，w 。( a )4 2 94 4 4 9 4 6 7 04 9 1 26 0 8 76 0 9 06 5 7 67 2 6 08 1 3 2 u 。( v )4 7 0 4 8 05 1 55 5 16 9 16 9 47 1 07 2 9 7 4 2 上表给出了正向安匝的数据，反向安匝与正向安匝关于原点对称。根据表中数 华中科技大学硕士学位论文 据，以被测电流的输入安匝值为横 8 坐标，“。和“。叠加后的直流电压 6 斧 为纵坐标，作出双重磁检测器电流 4 比较仪开环特性曲线如图2 - - 9 的薯。 ，一、 lde 曲线2 所示。曼。 、沁 。v 图2 9 中的曲线1 是传统磁调色 h 制器比较仪的开环输出特性。从该 9 图中可以看出，双重磁检测器比较 。 介绍比较仪稳定性的计算机仿真及其分析。 2 4 本章小结 本章首先介绍了磁调制器以及磁放大器的工作原理，着重分析了它们工作的基 本原理，并对两种传感器分别构成的直流比较仪的开环输出特性进行了理论和实践 研究，总结出了两种测量原理的优缺点，即磁调制器原理具有准确度高、线性度好、 防磁能力强等突出优点，但其原理上存在着容易失衡，稳定性差的弱点。而磁放大 器工作稳定，没有虚假平衡点，但精度不高，线性度低，也存在着一定的缺陷。 基于对磁调制器和磁放大器的理论研究，本章提出了一种新型的直流传感理论 与方法双重磁检测器直流大电流传感理论与方法。它把磁调制器与磁放大器有 机结合，即磁放大器巧妙地存在于磁调制器之中，它们使用一对共同的检测铁芯和 线圈，以及共同的磁屏蔽铁芯与反馈绕组，无需增加额外的磁放大器铁芯和线圈。 从原理克服了传统磁调制器直流比较仪虚假平衡点导致的稳定性差的缺陷，并且提 高了磁放大器直流比较仪的测量精度。 2 华中科技大学硕士学位论文 ! ! = ! = = ! 1 2 1 1 1 1 1 _ = = ! e e ! ! i n 一= m l ! ! = 鼍! 毫= = = 兰1 3 双重磁检测器闭环系统的稳定性研究与计算机仿真 ， 3 。1 仿真的必要性、目的 稳定性是控制系统的重要性能指标，也是系统能够正常运行的首要条件。控制 系统在实际的运行过程中，总会受到外界和内部一些因素的扰动，例如负载和能源 的波动、系统参数的变化、环境条件的改变等。如果系统不稳定，就会在任何微小 的扰动作用下偏离原来的平衡状态，并随时间的推移而发散。 传统磁调制器是一个非线性系统，它的稳定性与线性系统还是有很大区别的。 线性系统的稳定性只取决于系统的结构和参数，而与外作用和初始条件下求得的解 是稳定的，就可以断言，这个系统所有可能的运动状态都是稳定的；对于非线性系 统，不存在整个系统是否稳定的笼统概念，必须针对系统某一具体的运动状态，才 能讨论其是否稳定的问题。非线性系统可能存在着多个平衡状态，其中某些平衡状 态是稳定的，而另一些平衡状态是不稳定的。初始条件不同，系统的运动可能趋于 不同的平衡状态，运动的稳定就不相同。 传统磁调制器电流比较仪是一个自平衡式的测量系统。它在定的范围内是稳 定的，但实际上，它在相当大的安匝范围内是不稳定，因此它的稳定性存在严重的 缺陷，其稳定裕度有待于提高。 由上章介绍可知，我们在对传统磁调制器和磁放大器基本原理进行了深入研 究后，将两种方法相结合，取长补短，从而提出了一套新型直流大电流传感理论与 方法双重磁检测器直流大电流传感理论与方法。 对于双重磁调制器电流比较仪，前人对其输出特性进行研究1 35 ，5 l 】，但还没有人 对其整套系统的稳定性进行过系统的理论研究，因此我们有必要利用先进的计算机 仿真技术对其进行分析，从而论证其稳定性是否较传统的磁调制器比较仪有很大的 提高! 本章首先建立传统磁调制器比较仪和双重磁检测器比较仪的数学模型，然后对 其稳定性进行了计算机仿真。仿真结果的对比分析将对本课题的稳定性研究提供理 论依据。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 数学模型 3 2 1 系统的各级传递函数 不管是磁调制器电流比较仪还是双重磁检测器大电流比较仪，它们作为一个测 量系统，其实也是有多个环节组成的。为了对这些系统进行仿真，本节首先对传统 磁调制器电流比较仪和双重磁检测器大电流比较仪的各个环节进行了数学建模4 ”， 为下一节的计算机仿真做好铺垫。 磁调制器直流比较仪的各级传递函数 ( 1 ) 磁调制器传递系数 磁调制器将一个直流电流变成了一个偶次谐波的电压信号。即磁调制器可以用 如下数学关系表述： ，d l ( t ) - j ( r ) u 一一 d f 从数学关系式可以看出，磁调制器相当于一个动态电感。郭来祥在文献【3 0 】中引 入了动态电感的概念，把它定义为一次绕组从磁调制器调制铁芯中所匝链的沿时序 列随激励场变化而变化的磁链与一次绕组中单位电流之比。考虑到激励场变化一周 时，由于直流信号场的作用，使调制铁芯两次进入深饱和，两次进入次深饱和状态， 尽管激励场有上升和下降的变化，但电感总为正，因此，可以认为动态电感为以激 励场二倍频2 f 为基频的周期性变量，用傅立叶级数表示如下： l ( t ) = l o + l 2s i n ( 2 w t + 岛) + l 4s i n ( 4 c a t + 0 4 ) + ( 3 1 ) 则磁调制器输出的偶次谐波电压可表示为 ，_ 丝堕! ! 一 础( 3 2 ) = 2 1 l 上2 c a c o s ( 2 c o t + 岛) + 2 ，l l 4 彩c o s ( 4 m t + 只) + - 在实际应用中，由于仅取磁调制器的二次谐波输出量为有用信号，且动态电感 中高次偶次谐波分量较小，所以在分析过程中予以忽略，因此u 可以近似为： u 2 1 l l 2 c o s ( 2 m t + 口2 ) ( 3 - 3 ) 将式( 3 3 ) 作拉氏变换，可得到磁调制器的传递函数 绁：2 c o l ，去 ( 3 4 ) 1 ( j ) s + 郭来祥作过推导，2 w l ，的数值以及量纲和磁调制器灵敏度完全相同。为了分 华中科技大学硕士学位论文 析问题的方便，我们将磁调制器及带通滤波器、相敏解调器等效为三个环节，其畸亍一 磁调制器等效为一个比例环节，比例系数的大小为c o l ：，根据我们设计的参数，有 k = o7 。 ( 2 ) 带通滤波器的传递函数 由于我们仅对通过滤波器的调制信号的包络( 有用信号) 感兴趣， 块图时，将其等效为两个一阶惯性环节1 3 3 ，65 1 。传递函数为 g 。而丽面而1 面而两 故在绘制方 ( 3 - 5 ) ( 3 ) 相敏解调器的传递函数 相敏解调器的作用是将调幅信号进行相敏检波，一般将它看作一个比例因子 k 2 = 4 ( 4 ) r c 滤波器的传递函数 r c 滤波器是一个简单的“l ”无源滤波器 波。其传递函数： g ，= 而拓 ( j ) 直流放大器的传递函数 比较仪系统中选用了运算放大器与r c 网络组合作为有源低通滤波器( 直流滤波放 大器) ，如图3 1 所示。 其传递函数为： ( ，or f i u ，r ，1 + 尺f c f s 足， 是对相敏解调器的输出电流进行滤 ( 3 - 6 ) 图3 一l 低遁穗波器 其中k r f 1 5 0 k f 2 圭3 0 置5 1 k o l = r f c f = 1 5 0 1 0 3 x l o o x l 0 “= 1 5 s 当我们用直流滤波放大器兼作有源串联校正环节时，需在反馈电容 c ，= 0 0 , u f 处串接一电阻r ，以改变原惯性环节的特性。串入r 后，其传递函 数变为： _ 1 5 华中科技大学硕士学位论文 g 一：堕 u r 。 r ， 1+(rf+r)cfs(3-7) ：一k ，旦旦 1 + f s ：一3 0 生坐 1 + 2 5 s 考虑到r 删 图4 4 地址译码电路 采用两级译码电路如图4 4 所示。译码电路由一个2 4 译码器、一个或门和个 华中科技大学硕士学位论文 非门组成。由微处理器8 0 c 1 9 6 的p 4 口的a 1 3 、a 1 4 、a 1 5 信号作为译码输入信号，。 输出信号位c s i c s 5 ，这5 个输出信号分别作为系统i o 器件的片选信号。 4 2 3 键盘接口电路设计 键盘直接挂在微处理器的p o 口上，采用查询方式工作。根据生产厂家的功能 要求，本装置共设计了7 个键，分别是复位、巡检、定选、上、下、确认、打印。 这些键的功能描述如下：复位键用于整机复位，主要在开机或遇到电磁干扰时 使用；定选键可以满足用户随时检测任何一个点，即任何一个整流二极管：巡检键 一般是用户使用其它功能键后，进入巡检状态；上、下键用于定选时臂号或管号或 组号的增减：确认键在使用每个功能键后，需按此键才能执行，这样可以防止误操 作；打印键可以打印出按此键时前一个臂的l1 个元件的电流值。 4 2 4 显示接口电路设计 l e d 阵列 l 门塥 图4 6 显示接口示意圈 显示接口电路示意图如图4 5 所示。图中显示控制由单片机的p 3 口线完成， p 3 口的信号d o - - d 7 经数据锁存器锁存输出，经驱动去控制l e d 阵列的显示。显示 模块中有4 位数据线，4 位地址线。l e d 阵列由9 块l e d 组成，这种l e d 选用共阴 极数码管，分别用于显示组号( 1 位) 、