Rogowski线圈电流互感器的介绍.doc

Rogowski线圈电流器1.前言Rogowski线圈大电流传感器(简称洛氏线圈 )又叫电流测量线圈，它是测量脉冲强电流时常用的一种传感器。由于其结构和测量原理方面的特点，受到了广泛的关注。它的特点是：结构简单，并且和被测电流之间没有直接的电路联系，不含铁心，无磁滞效应，无磁饱和现象，不仅测量的准确度和带宽有明显改善，而且体积小、重量轻、造价低廉，易于实现测量和保护的自动化与数字化。与带铁心的传统互感器相比，洛氏线圈传感器具有测量范围宽，精度高，稳定可靠，同时具有测量和继电保护功能，响应频带宽，体积小、重量轻、安全且符合环保要求；易于实现微机化、网络化等优点。基于洛氏线圈的电流传感器具有电流可实时测量；提供继电保护信号；具有微机通讯接口等基本功能。故其可解决检测电阻点焊焊接电流时存在的问题，适于点焊次级强电流（100kA）的测量。2.洛氏线圈电流传感器2．1系统结构组成洛氏线圈电流传感器测试系统如图1所示。 图1 洛氏线圈测量系统框图 电阻点焊次级电流通过洛氏线圈的耦合后，经积分器取到电压信号，送至单片机输入端，经过Ａ/Ｄ转换后，由软件计算分析，最后经过输出转换电路驱动保护动作元件，同时通过显示电路显示各种电网参数。洛氏线圈电流传感器预留了通讯接口，可与上位机通讯，接受指令并且发送电网参数。2.2 洛氏线圈测量电流的原理洛高夫斯基在1912年通过对电力系统测量的研究，发明了洛氏线圈测量原理。洛氏线圈是一个均匀缠绕的线圈，有一个非磁性的芯，其最基本形状是一个环形的空气芯线圈。洛氏线圈可通过将导线绕在一个挠性的管子上，然后将管子两端弯曲到一起而构成，经过精密制造后的绕组，具有优良的准确度和稳定性[4]。洛氏线圈测量电流的理论依据是电磁感应定律和安培环路定律[5]。当被测电流沿轴线通过线圈时，在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场Ｈ。由安培环路定律得： 式(2)即为一次被测电流和线圈两端电压的对应关系。由(3 )式可知，互感系数Ｍ与线圈匝数以及线圈的截面积有关，增加匝数以及截面积，可以有效地增大Ｍ。但是匝数过大会引起线圈内阻的增加，因此匝数选取应该适当。 ? 如图2所示，绕制时采用回线以便消除外界磁场的干扰；将细的漆包线均匀密绕在环型绝缘骨架上，均匀密绕是为了减少匝间电容对测量的影响。洛氏线圈由于采用非磁性的线圈芯，没有非线性饱和效应，因而测量范围从数安培到数百千安的电流，最小值和最大值主要取决于测量的电子元件。其允许隔离的电流测量，并具有较宽的带宽，最大可达1MHz，具有良好的线性特性，可认为是理想的电流传感器。由于洛氏线圈的输出与电流的时间导数成比例，因此需进行积分。早期使用的积分器误差较大，应用不理想，选用带反馈电阻的近似积分器将取得较好的效果。2.3 积分器  图3 近似积分器（惯性环节） 其中w为角频率，式(5)是选择反馈电阻大小的依据。只要元件参数选择合理，既能有效抑制积分漂移，稳定工作点，又能将反馈电阻引入的近似误差控制在允许的范围内。电网发生短路故障时，信号中含有较大的非周期分量，且衰减时间较长，近似误差比测量稳态电流时大很多。2.4 洛氏线圈测量电流的简化模型图4所示为洛氏线圈测量电流的电路模型。因为匝间电容Ｃ很小，在测量工频信号时可以忽略[8]。  3. 洛氏线圈在电阻点焊数据采集系统中的应用3.1 电阻点焊数据采集系统工作原理：本人研制了一焊接信号数据采集系统。该数据采集系统具有8个通道，分别对电阻焊机的初、次级电流和电压信号，电极压力，电极位移量，声发射信号进行采集。其中对电阻点焊的次级电流的采集采用洛氏线圈，主芯片采用美国ADI公司的AduC812单片机，该单片机集成有完整数据采集系统，采用AduC812的DMA传送方式实现外设与存储器之间高速高精度成批的数据传送方式；其片内集成有高精度的12位A/D，最高采样速率达200kbps[11]。外设图5 数据采集系统原理框图 与主机的通讯接口基于RS-232串行总线及USB通用串行总线。利用USB通用串行总线其速度快、连接灵活、使用方便、独立供电的优点，进行数据采集系统与计算机之间的交互通讯。用RS-232串行总线下载程序。扩展的键盘及显示器构成人机界面。采集系统工作原理如图5所示。3.2 硬件系统构成 以美国ADI公司的AduC812为核心构成控制系统，如图6所示。分别通过电压传感器、rogowski线圈大电流传感器、压力传感器、差动变压器位移传感器及麦克风对电阻焊机的初、次级电压和电流信号、电极压力、电极位移量、声发射信号进行采集，其中rogowski线圈大电流传感器和差动变压器位移传感器解决了强电流（100kA）和小位移（1um）信号的传感。将传感器的信号经放大后送到AduC812的