（电气工程专业论文）双重磁检测器强电直流传感理论与方法的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h eh e a v yd cm e t r i c a l d e v i c e sh a v e g r e a t e f f e c to nt h e e l e c t r o c h e m i s t r ya n de l e c t r o m e t a lf a c t o r y b a s e d o nt h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n to ft h eh e a v yd c m e a s u r e m e n ta l lo v e rt h ew o r l d ，af i r e - n e wd o u b l ed e t e c t o rs e n s i n gt h e o r yw i t hm a g n e t i cm o d u l a t o r a n dm a g n e t i ca m p l i f i e ri sd i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r t h em a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hi su s e dt oa n a l y z et h eo p e n - l o o pc h a r a c t e r i s t i co ft h ed o u b l e d e t e c t o ri s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r , t h ep r i n c i p l e a n dc o n s t r u c t i o no fm a g n e t i cm o d u l a t o ra n d m a g n e t i ca m p l i f i e ra r es t u d i e di n d e t a i lt h eo p e n - l o o pc h a r a c t e r i s t i c so ft h e mh a v eb e e na n a l y z e d b a s e do ni t af i r en e w “d o u b l ed e t e c t o r ”i sp r e s e n t e d t h eo p e n - l o o pc h a r a c t e r i s t i co ft h ed o u b l e d e t e c t o rh a so n l yo n eo p e r a t i n gp o i n tc o r r e s p o n d i n gt oz e r oa m p e r et o m s ，n o to t h e rz e r oo u t p u t p o i n t s s oc a l l e df a l s e - b a l a n c ep o i n t s t h ed o u b l ed e t e c t o rc o m p a r a t o rp o s s e s s e sn o to n l yh i g h p r e c i s i o n ，l o wd r i f t ，h i g hl i n e a r i t y a n dg o o d a n t i m a g n e t i cp r o p e r t y f r o mm a g n e t i cm o d u l a t o r c o m p a r a t o r s ，b ma l s ot h ep e r f e c ts t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y f r o mm a g n e t i ca m p l i f i e r s i nt h ed o u b l e m a g n e t i cd e t e c t o r , t h em a g n e t i ca m p l i f i e r d e t e c t o ri sc o n t a i n e dw i t h i nt h e m a g n e t i cm o d u l a t o r d e t e c t o r ，w h e r ec o m m o nc o r e s ，w i n d i n g sa n de x c i t a t i o nt r a n s f o r m e ra r eu s e d t h ef i r en e w d e t e c t o r h a sb e e nt e s t e di nt h e3 0 0 ，0 0 0 ah e a v yd cl a b o r a t o r yi nh u s t ，t h er e s u l ti sq u i t ei d e a l t h ed c - s i d eh a r m o n i co ft h er e c t i f i c a t i o ns y s t e mi so n eo ft h eq u e s t i o n so fo n l i n eh e a v yd c m e a s u r e m e n t i nt h i s p a p e r , t h er u l e s o ft h ed c s i d eh a r m o n i c so ft h er e c t i f i c a t i o n s y s t e ma r e a n a l y z e da n d t h er e s e a r c ho fh e a v yd cc o m p a r a t o rb a s e do nh a r m o n i c si n f l u e n c ep r o b l e mi s i n t r o d u c e d s o m ea c a d e m i cg i s ti sg i v e nt om a k ea c c u r a t em e a s u r e m e n ta n dd e s i g nt h ec o m p a r a t o r e f f e c t i v e l y t h ef e mm o d e lo ft h em a g n e t i cs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s si s p r e s e n t e d t h ed e s i g n o ft h e m a g n e t i cs h i e l di sv e r yi m p o r t a n ti nd e s i g n i n gc o m p a r a t o r s c u r r e n t l y , t h ed e s i g no f t h em a g n e t i c s h i e l di sj u s ta c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c e t h ef e mm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h em a g n e t i c s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s sa n dt h ec o m p u t e r o p t i m i z e dm e t h o d i su s e dt od e s i g nt h em a g n e t i cs h i e l d t h e s t a b i l i t yo ft h ed o u b l ed e t e c t o ri sa n a l y z e d t h er e l i a b i l i t ym o d e l i se s t a b l i s h e d e v a l u a t i o n o nt h er e l i a b i l i t yi s p r o c e e d e d ，a n ds o m em e a s u r e st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h ee q u i p m e n ta r e p r e s e n t e d i nt h ec h a p t e r7 ，a ni m p r o v e da c d cc o m p a r a t o rw h i c hu s e so n l yap a i ro fd e t e c t i o nc o r e sa n d w i n d i n g si sg i v e n t h ef i r e n e wa c d cc o m p a r a t o r c a nt r a c et h ep r i m a r yc u r r e n ta c c u r a t e l y t h er e s e a r c hi ss u m m a r i z e di nt h ee n do f t h e p a p e r k e yw o r d s ：m a g n e t i cm o d u l a t o r m a g n e t i ca m p l i f i e r d o u b l em a g n e t i cd e t e c t o r o p e n l o o p c h a r a c t e r i s t i ct h ee f f e c to fh a r m o n i c s t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y m a g n e t i cs h i e l d a c d cc o m p a r a t o r i l 1 ， 华中科技大学博士学位论文 1 。绪论 摘要：本章首先介绍了强电直流计量的重要性和强电直流传感技术的研究现状及发展趋势，从 而提出了双重磁检测器强电直流传感理论，并对其特点进行了简要的描述，最后给出了论文 的整体结构和章节安排。 1 1 研究课题的背景 本研究课题属国家自然科学基金资助项目一“双重磁检测器强电直流传感理 论与方法的研究”，项目批准号：5 9 8 7 7 0 0 6 。 强电直流指生产铝、铜、铅、锌、镁等有色冶金系统及生产烧碱的化工系统 的电解直流大电流，这两个系统的企业是国家的支柱产业，也是重点的耗电大户。 在这类企业中，几千安培到几十万安培的强大直流电流昼夜不停的流进电解槽， 年用电量约1 0 0 0 亿千瓦小时，约占全国总用电量的十分之一，被称之为“电老虎”。 长期以来，由于监视、计量、控制企业生产用电的强电直流在线测量传感器缺乏 可靠的计量保证，能源计量普遍失准。仪器的指示值仅作为参考数值，国务院 发布的有关节电指令和电解整流设备的整流效率及其供电对象的电能利用率测 算方法、评价企业合理用电技术指导等国家标准无法贯彻执行。直接影响到 这类国营大中型企业的节能降耗、经济效益。 强电直流测量装置的准确性与可靠性如何，对电冶炼、电化学工业经济运行 影响极大。全国电冶炼、电化学行业强电直流测量准确度每提高0 3 。就关系 到3 亿千瓦小时电能的节约与利用，年经济价值约i 亿元。以青铜峡铝厂为例阳 ， 通过对该厂的直流计量设备误差现场校准和整流效率现场实测：( 1 ) 查明该厂第 一期工程电解系统整流效率比第二期低1 ，其供电负荷为9 5 万千瓦，每年电量 损耗比第二期多8 0 0 万千瓦以上。巨大的电能损耗，促使厂领导下决心改造期 整流所，使整流效率比原来提高1 5 以上，年节电1 2 0 0 万千瓦时以上。( 2 ) 测 准第二期工程电解系统直流电流及整流效率，查明用4 个机组运行比用3 个机组 运行效率高0 2 7 。该系统供电负荷9 8 万千瓦，测准后调整运行方式，改为4 个 机组运行，年节电2 3 0 万千瓦时以上。( 3 ) 通过对全厂实现直流准确计量，查明 该厂过去由于直流计量不准确而导致电解经济指标如电流效率、产品单耗等不真 实，差距为3 。于是通过节电降耗、改进电解生产工艺，使吨铝直流电耗9 5 年 华中科技大学博士学位论文 比9 3 年平均降低3 8 8 5 千瓦时，年产l o 万吨铝，该厂9 5 年比9 3 年节电3 8 8 5 万千 瓦时，增加经济效益1 0 0 0 万元以上。 经“中国有色工业总公司强直流电测试站”于1 9 9 3 年4 月至1 9 9 4 年3 月， 历时一年，对以抚顺铝厂、青铜峡铝厂为代表的直属l l 大铝厂现场校验表明 i , la , 4 ，无论是以霍尔零磁通为代表的美国进口测量装置，还是上述国产各种类型 的装置，其测量误差均有超差，平均超差率达4 0 ；不少装置的长期使用可靠性 差，用户反应强烈。要改变这种状况，关键的是要集中现有几种测量原理的优点， 克服其缺点，从原理上探索出种新型强电直流传感理论与方法。基于这种新原 理、新方法的装置要求测量准确性高、抗外磁场能力强、高稳定、高可靠，它 的大批量投入电冶炼、电化学企业强电直流在线计量，既是国民经济的急需，也 是重要的科技问题。 正是由于基于各种原理的直流传感器都存在着一些缺陷，因此长期以来直流 的传感技术，而显得相当麻烦和棘手，致使在直流电流传感机理与分析的研究方 面一直被世人所关注。无论是在电解、电镀、电气机车、高压直流输电等直流强 电流领域，还是在电信、继电保护等弱电流领域，直流电流的测量、监控问题非 常关键。此外西电东送是我国开发大西北能源资源的一项基本国策，直流输电是 西电东送的重要方式，直流传感器是直流输电系统中测量、控制和保护用的关键 设备。而这些设备多年来依赖进口，这将制约着我国在该领域科学技术研究和民 族工业的振兴。 综上所述必须加强我国直流电流传感机理与方法的研究，形成具有我国自己 特色的直流传感理论与技术基础。因而本课题的研究具有重大的理论意义和实用 价值。 1 2 强电直流传感理论研究的现状及发展趋势 强电直流传感器经过十多年的研究，已经取得了初步成效，先后研制出基于 磁调制器原理幅“。“”) 、磁放大器原理随”、霍尔效应原理【8 “”“、光纤测 量原理”卸等直流大电流测量装置。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，但原理上存在着容易失衡、稳定性差的弱点；磁放大器原理 具有耐用、可靠性好的优点，但原理上存在着准确度低、线性度差的弱点；霍尔 效应、光纤原理具有体积小、重量轻的优点，但存在着受温度影响敏感、数据准 确性不高的弱点。基于上述单一原理的装置，均经受不了电冶炼、电化学行业强 2 华中科技大学博士学位论文 磁场、高温度、长期连续运行等恶劣的使用环境和条件考验。 近年来，对基于磁调制原理的强电直流比较仪，对其从传感头的构造，到信 号的解调均有学者对其进行研究；比如对传感头采用开口结构和多通道技术“” ”“；采用不同的信号解调方式“”2 “”2 ，但其基本原理仍是以传统磁调制 器为基础，并没有本质改变，只是在某些性能进行了改进。基于磁放大原理的电 流比较仪近年来也有学者对其进行研究心“2 5 “，其性能也有所提高，但其精度及 线性度的固有缺点也未能得到有效的解决。上述的传感器的一些技术指标也能达 到国际先进水平。但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。 国外在强直流传感器的研究领域”7 2 “2 “”，“ ，基本情况与国内相当。以 美国h a r l m a 公司为代表的基于霍尔效应原理的传感器，仍然作为国际主导产品并 向其他国家出口。我国也曾进口不少，经对其现场校验表明：美国的进口产品一 样有超差【3 “，而且超差率也不小。1 9 9 3 年4 月发表在( ( i e e e 仪器与测量汇刊 的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 ) 等研制的“高 精度开口铁芯交流与直流大电流互感器” 3 1 ，代表近几年来国际上研究水平。但 是强电直流检测机理还是基于传统的磁调制器原理，传感机理并没有获得突破， 其稳定性、可靠性问题依然存在。 1 3 论文的主要工作和章节安排 本论文旨研究一种双重磁检测器强电直流传感理论与方法。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，即双重磁检测器的开环直流传输特性，是将磁调制器与磁放大器的传 输特性有机合成，既具有来自于磁调制器传输特性在零安匝附近灵敏度高、特性 稳定的特点，也具有磁放大器传输特性单质性好的特点。所谓单质性好，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曲 线除零安匝外，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， 即为系统稳定性差的理论根源：所谓传输特性在零安匝附近灵敏度高，即克服了 传统磁放大器原理检测灵敏度低的弊端，正是这种低灵敏度造成系统闭环后测量 准确性低、线性度差的理论根源。磁调制器与磁放大器有机交叉结合，即磁放大 器巧妙地存在于磁调制器之中，它们使用共同的一对检测铁芯和线圈，以及共同 华中科技大学博士学位论文 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。构成所谓双重 磁检测器强电直流新的传感方法。 1 主要研究内容 本文对双重磁检测的理论依据、数学模型、稳定性、可靠性、磁屏蔽效能、 谐波电流影响等均进行深入的理论研究。主要研究内容包括： ( 1 ) 研究磁调制器与磁放大器有机交叉结合，构成双重磁检测器式强电直流传感 新方法的理论依据。 ( 2 ) 双重磁检测器及其闭环控制系统数学模型的建立与稳定性研究；双重磁检测 器式直流比较仪可靠性研究与分析。 ( 3 ) 双重磁检测器式强电直流比较仪抗外磁场的磁屏蔽效能的理论研究与模拟。 ( 4 ) 被测电流谐波对双重磁检测器式直流大电流比较仪影响的机理。 ( 5 ) 双重磁检测器理论的应用，包括在暂态电流测量中的应用。 论文各章节的具体安排如下： 第一章综述了国内外强电直流传感理论方面的研究成果，通过对它们的原理 分析，了解各自存在的技术难点和问题，从而指出了本研究课题的意义。 第二章对磁调制器电流比较仪和磁放大器的原理进行了详细分析，在此基础 上提出了种全新的基于双重磁检测器的强电直流传感理论，着重分析了双重磁 检测器的构成原理，给出了其数学模型计算并测试了其开环特性，从理论和试验 两个角度证实了双重磁检测器直流传感理论的优越性。 第三章首先分析了直流系统直流侧谐波的产生机理及其分布情况；从直流大 电流比较仪工作原理上研究其受谐波影响的机理，建立直流大电流比较仪谐波影 响时的数学模型；给出了直流大电流比较仪谐波影响等效电路的计算机仿真算法。 第四章分析了直流大电流比较仪的重要组成部分磁屏蔽，着重探讨了其磁屏 蔽效能的计算，使用有限元法计算了磁屏蔽效能，并提出了基于有限元计算的磁 屏蔽计算机辅助设计。 第五章给出了样机的设计，讨论了一些重要环节的硬件组成；并讨论了其校 验方法及校验中应注意的问题：最后给出了相应的实验结果。 第六章根据试验曲线分析了双重磁检测器电流比较仪的稳定性；建立了其可 靠性的数学模型，并对其可靠性进行了预测，给出了提高其可靠性的措施。 第七章将双重磁检测器的原理扩展到交直流领域，提出了一种新的交直流比 较仪，并讨论了新型的交直流比较仪在暂态电流测量中的应用。 第八章对全文工作进行了总结，并提出了对未来工作的设想。 4 华中科技大学博士学位论文 2 双重磁检测器强电直流传感原理 摘要：在详细分析了磁调制器电流比较仪和磁放大器电流比较仪的工作原理和数学模型的基 础上，提出了一种全新的双重磁检测器直流大电流检测方法这种方法是基于磁调制器和磁放 大器的双重磁检测原理，其开环传输特性只有零安匝一个过零点，克服了传统磁调制器的开 环传输特性曲线有若干过零点的缺陷和弊端，大大提高了系统闭环后的稳定性和可靠性，且 在零安匝附近灵敏度高、线性好，同时具备了磁调制器和磁放大器的优点。 2 1 磁调制器直流电流比较仪 磁调制式直流电流比较仪自从问世以来就在实验室“3 3 “”3 6 一，3 8 , ”一0 3 及工 业现场“”“8 3 得到了广泛的应用，其精度高、线性度好、防磁能力强，具有很高 的利用价值。 2 1 _ 1 磁调制器工作原理矧 软磁材料b h 曲线的非线性关系是磁调制器的物理基础”“ 。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。人们利用这一特性测量偏置信号，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。 华中科技大学博士学位论文 一恒流源激励下的单铁心磁调制器原理m 图2 1 为单铁心磁调制器结构示意图，图中w ，为直流信号绕组，w 。为交流激 磁绕组，w 。为检测绕组，它们共同绕在一个圆环形状铁心上，为了讨论方便起见， 我们假定铁心材料是均匀的；圆环的外径和内径之比是1 ：铁心截面尺寸与环形 尺寸相比是很小的；铁心均匀磁化，材料的磁滞损耗为零，磁化曲线是由经过坐 标原点而且对称的三段折线构成，如图2 2 ( a ) 所示。在w 。中通以恒定三角波交 流进行激磁如图2 2 ( c ) 实线所示，且j 彤足以使铁心磁化饱和。 ， b s i l 0 、 i 8 。 7 i | _ b = l 图( a ) ，z雾 1， ， 2 f ， 图2 - 1单铁心磁调制器结构示意图 h 佩棚j 一 糊。”2 w 7 图( b ) r1 _ j 。 u u j 图2 - 2 磁调制器各参量图 图( d ) 6 华中科技大学博士学位论文 ( 1 ) 当直流电流为零，即i = 0 时，铁心中磁通中( 或磁感应强度b ) 的波形为等 腰梯形如图2 2 ( b ) 所示，此磁通将在检测绕组中感应出感生电势e = 一w ，竺兰， 口l 它的波形为正负相间的矩形脉冲波如图2 2 ( d ) 所示，而且为对称于时间轴的周 期函数，由傅立叶级数性质可知，不论是磁通中( 或b ) ，还是检测绕组w ：，的端电 压频谱中，都只含有奇次谐波分量，而不包含偶次谐波分量。 ( 2 ) 当直流电流不为零时，即h 。不等于零，此时铁心中产生直流磁场h 。，交流 磁化不是从原点开始磁化，而是从乩开始磁化，相当于磁化吐线的纵坐标位移了 一个h 。，这时，当交流磁化方向与h n 的方向相同的半个周期内，铁心将提前进入 饱和而又滞后退出饱和；在交流磁化方向与h 。的方向相反的半个周期内，则铁心 将滞后进入饱和而又提前退出饱和，此时磁通中( 或b ) 的波形如图2 2 ( c ) 虚线 所示。这时磁通中的正负半周不再对称，即( 耐) 一( 删+ f ) ，由傅立叶级数性质 可知，在磁通巾的频谱中一定含有偶次谐波分量。磁通中的偶次谐波分量又要在 检测绕组中产生感应电势，使其端电压的频谱中也含有偶次谐波分量。因此，直 流磁场的有无决定了端电压u 中偶次谐波分量的有无。 感应电势中偶次谐波分量的存在，完全是交流磁场h 对直流磁场h n 调制的结 果，原则上，任意次偶次谐波电压均可作为直流磁场h 。的度量，但由于受到灵敏 度等因素的限制，通常仅取二次谐波分量作为有用信号输出，而将基波和其他各 次谐波分量滤掉。使检测绕组的端电压只反映偶次谐波分量，为此，多采用双铁 心差动式结构。 二 恒流源激励下的双铁心差动式磁调制器原理m ”3 华中科技大学博士学位论文 图2 - 3 双铁心三绕组磁调制器 恒流源激励双铁心三绕组磁调制器原理结构如图2 3 所示，它是由两个单铁 心磁调制器绕组按一定原则组合而成，两个铁心的尺寸和特性参数完全一致，绕 组连接方法如下：交流激磁绕组w ：反向串接，直流激磁绕组w ，正向串接，这样的 安排可使检测绕组w 。( w 。也为正向串接) 中的基波和奇次谐波互相抵消，偶次谐 波分量互相叠加，当i = o 时，检澳5 绕组w ，的输出电压u = o 。其原理过程分析如下： ( 一) 当h 。= 0 时，仍用对称的三角波激磁，两铁心中的合成磁通办和识f 均无偶 次谐波分量，只有奇次谐波和基波分量。因激励绕组w ，反向串接，检测绕组w 。正 向串接，所以检测绕组输出电压“：y 3 ( 拿+ 罢堕) ：0 ，波形如图2 - 4 ( a ) 所 口la i 示。 华中科技大学博士学位论文 p 。 ”、。_ 、1 0 - 一- 一如_ j l 7 ( a ) h o = o 时，双铁心内波形图 j lh 一一h 一一、厂一 0 价u 、j u t 一7 ( b ) h o o 时，双铁心内波形图 图2 - 4 双铁心内波形图 ( - - ) 当h o 不为零时，设激励电流i 在正半周时，铁心i 中磁通办= 荔一霸，铁心 1 1 中磁通u = 而+ 五，在激励电流i 负半周时相反，。= 磊+ 石，u = 而一无， 又因两铁心完全对称，磁通合成的结果波形如图2 4 ( b ) 所示。 由傅立叶级数可知： 妒l ( 耐) = o + 。ls i n ( 删+ 口1 ) + 九2s i n ( 2 n n + a 2 ) + + 九。s i n ( n w t + 口。) ( 2 - 1 ) 加( 耐) 2 哮+ t 豇“? + qj ”j + 九：! “o 耐+ 啦+ 2 ”) t _ + 九一5 抽耐+ + ”席 ( 2 2 ) = 如一九fs i n ( 耐+ 口1 ) + 九2s i n ( 2 耐+ a o 式( 2 2 ) 中，n = l ，3 ，5 ，7 的项符号为负；n = 2 ，4 ，6 ，8 的项符号为正。 因此： 庐i ( c o t ) + 加( t a t ) = 2 九+ 2 丸2s i n ( 2 耐+ 口2 ) + ( 2 3 ) 9 华中科技大学博士学位论文 由“= ( 警+ 警) ( 2 4 ) 知矾和u 相加的结果，使两铁心中磁通的奇次谐波和基波相抵消，偶次谐波相加， 这样就使检测绕组w 3 的端电压u 中只有偶次谐波分量，而在偶次谐波中主要是二 次谐波分量。 在实际应用中，考虑到恒流源较难获得，而制作一个对称的恒压源方波却要 容易的多，一般用恒压源方波对磁调制器激磁。 三恒压源激励下的双铁心两绕组磁调制器 这种磁调制器在每个铁心上各绕有直流信号绕组w 和交流激磁绕组w ，而不 设单独的检测绕组，它是由主铁心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 5 所示。 w a o 、w o c 为方波发生器输出变压器的次级绕组，中心抽头o 点接地，b 点对0 点 输出检测信号，w a b 、w c b 为铁心i ，i i 的激磁绕组又是检测绕组，而且匝数相等， m ，和五；为主铁心i ，i i 的激磁磁通，方向相反，由图知： 图2 5 双铁心两绕组磁调制器简化原理图 u 。o = u o 。，u 口c = u 。o + u o 。，u 日o = u 们，又u 舵= u 口占+ u 占c ， l o 华中科技大学博士学位论文 u o h 吨。一：纵叱。= ( u b , - - u o b h ( 警+ 警- - t u ) ( 2 - 5 ) 比较( 2 4 ) 、( 2 5 ) 式知，双铁心二绕组磁调制器比双铁心三绕组磁调制器 灵敏度低了一半，但却省掉了一个绕组。 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，u 。 中的二次谐波分量为2 “： 【2 j 一8 w , s 4 7 7 0 s i n 警s i n 2 e f t ( 2 - 6 ) 从式( 2 - 6 ) 可以看出，恒定磁场强度h 。的大小只影响输出电压u 。中二次谐 波分量的振幅，而不影响其相位，当h 。，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u 。：、的正负。 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”8 3 “4 0 ，工业现场测量与校验标准 “7 ”1 以及高精度仪器的核心部分“2 删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、全自动的几种阻“。本节主要介绍全自动自平衡磁调制式直流电流比较仪( 采 用倍频磁调制器) 的工作原理。 从整体看，磁调制式直流电流比较仪主要由三部分组成： ( 1 ) 激励源。包括振荡器和激励变压器； ( 2 ) 电子线路。一般包括带通滤波器、同步信号发生器、相敏解调器、直流放大 器和功率放大器； ( 3 ) 探头。由双环调制铁心、激励检测绕组、静电屏蔽、磁屏蔽和反馈绕组组成。 其结构示意图如图2 - 6 所示。 磁调制式直流电流比较仪是一个闭环系统，其工作原理如图2 1 l 所示。振荡 器产生的激励电压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1 0 ， 磁调制器输出的偶次谐波经带通滤波器，得至u - - 次谐波。二次谐波和由同步信号 华中科技大学博士学位论文 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 测电流成正比，其方向反映了被测电流的方向。解调器的直流输出电压控制直流 放大器和功率放大器，提供电流给与被测电流平衡的反馈绕组，使系统处于闭环 工作状态。 【 几 一1 2 量孑i 1 反馈绕组；2 磁屏蔽；3 静电屏蔽：4 调制检测绕组；5 调制铁心 图2 - 6 探头结构示意图 图2 7 磁调制器式直流电流比较仪工作原理图 实际的电流比较仪系统，开环增益相当大，为了防止系统振荡，在直流放大 级加进一个校正环节，提高了系统的稳定性。整个系统要求反馈环节有相当高的 增益和较强的功率和电流输出能力，这在设计中是必须重视的。 华中理工大学研制的开口式磁调制器直流电流比较仪和1 0 0 k a 多通道系列电 流比较仪电流比率精度达5 1 0 一，用于现场测量和校验 1 7 剐效果良好。由此看 来，基于磁调制式的直流电流比较仪有着高精度的突出优点，有很大的利用价值。 2 1 3 磁调制器直流电流比较仪的开环输出特性 以一个5 0 0 0 a 的自平衡式磁调制式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，工作在深饱和状态。在研 究过程中，实验测试其开环特性，测试数据如下表2 1 ： 1 2 一一蚕 华中科技大学博士学位论文 表2 一l 传统磁调制器式直流比较仪开环特性测试数据 ；1 1 w ) ( a ) o 1 80 4 7 41 4 5 52 7 1 83 6 9 03 7 5 05 3 4 05 5 4 07 4 4 lu 。( v ) o 2 50 5 41 7 83 0 93 7 74 o o4 6 64 8 35 4 2 i i w l ( a ) 9 2 59 7 6 51 2 0 01 3 6 21 7 7 51 9 0 92 0 8 12 4 2 52 4 3 6 u o f v ) 5 6 45 8 16 0 06 0 06 2 56 2 96 3 46 4 46 4 4 1 1 w l ( a ) 2 6 72 7 5 12 9 4 92 9 7 93 0 8 73 5 o l3 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 00 3 0o 6 0 i t w l ( a ) 4 4 44 6 5 34 9 1 25 6 1 26 0 9 06 5 7 67 2 6 07 8 0 1 8 1 3 2 u 。( v ) 0 91 1 81 6 0一2 2 5 2 0 51 4 50 9 80 6 70 4 8 9 蚓 脚 j ! 耄 倒 钼 辑 u g 代。八 0 a b 、 一 c v 5 u h 图2 - 8 磁调制器电流比较仪开环输出特性 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