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技術(shù)文章

基于羅氏線圈的電流變送器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

技術(shù)文章

淮亞利

 (安科瑞電氣股份有限公司,上海 嘉定 201801)

摘要:論文介紹了基于羅氏線圈(Rogowski)的電流變送器的原理和硬件設(shè)計(jì),以及該產(chǎn)品的主要應(yīng)用。

關(guān)鍵字:羅氏線圈(Rogowski) 電流變送器  應(yīng)用   XTR115芯片

1.引言

    近年來(lái),隨著現(xiàn)代高壓、超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),電力系統(tǒng)正朝著大容量、高壓大電流方向發(fā)展,而用于電流測(cè)量的傳統(tǒng)的電磁式電流互感器已無(wú)法滿足其要求,在大電流下鐵心磁路下易飽和,對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。而羅氏線圈互感器,具有測(cè)量范圍寬、精度高、無(wú)磁飽和、體積小等優(yōu)點(diǎn),正逐步取代傳統(tǒng)的電磁式電流互感器,在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

    本文介紹一種基于羅氏線圈的電流變送器的設(shè)計(jì),對(duì)電網(wǎng)中的大交流電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,該變送器采用XTR115芯片將羅氏線圈產(chǎn)生的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電流信號(hào),輸出DC 4~20mA電流信號(hào)。

2.工作原理及設(shè)計(jì)

    羅氏線圈是將導(dǎo)線均勻的密繞在環(huán)形截面非磁性骨架上而形成的空心電感線圈,采用羅氏線圈作為電網(wǎng)中電流測(cè)量的傳感頭,讓通有大電流的導(dǎo)線垂直穿過(guò)線圈的中心,產(chǎn)生電磁感應(yīng),從而感應(yīng)出被測(cè)電流大小的電壓信號(hào)。將羅氏線圈產(chǎn)生的電壓信號(hào)接入到信號(hào)調(diào)理模塊上,進(jìn)行信號(hào)處理,zui后輸出工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)DC4-20mA。電路設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

2.1信號(hào)調(diào)理電路

    信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的隔離輸入,包括信號(hào)濾波、整流電路以及信號(hào)積分電路。該電路主要是對(duì)羅氏線圈感應(yīng)輸出的電壓信號(hào)通過(guò)RC濾波,再經(jīng)過(guò)電阻分壓后接入到采用雙電源運(yùn)放芯片的輸入腳上,采用運(yùn)算放大器構(gòu)成近似積分器,合理選擇選擇器件參數(shù),能夠保證傳感器的測(cè)量靈敏度、精度和信號(hào)響應(yīng)帶寬。

2.2真有效值轉(zhuǎn)換電路

    真有效值轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電路中AC/DC真有效值轉(zhuǎn)換,將輸入的交流信號(hào)通過(guò)真有效值芯片轉(zhuǎn)化為真有效值的直流電壓,能夠測(cè)量各種電壓波形的有效值,而不必考慮被測(cè)波形的參數(shù)以及失真。如圖2所示:電路中,Ui信號(hào)經(jīng)過(guò)電容C5隔直后輸入到真有效值芯片中,其中電容C8,C9的作用是濾掉該電路中的高頻干擾,采用雙電源工作方式,滿足真有效值的工作要求。

圖2

2.3放大電路

    放大電路的作用是將真有效值轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)RC濾波電路后進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅捎眠\(yùn)放芯片,在滿足零點(diǎn)輸出功耗要求的同時(shí),調(diào)節(jié)電路中的放大參數(shù),使電路zui后輸出能達(dá)到滿度額定值。

2.4信號(hào)輸出電路

    信號(hào)輸出電路主要采用TI公司生產(chǎn)的精密電流變送芯片XTR115,其具有精度高,芯片功耗小以及非線性誤差小等優(yōu)點(diǎn),內(nèi)部產(chǎn)生2.5V基準(zhǔn)電壓,且內(nèi)部帶有+5V的精密穩(wěn)壓器,可以給外部電路(例如電路中的放大器)單獨(dú)供電,從而簡(jiǎn)化了外部電源的設(shè)計(jì),如圖3所示電路。

    采用XTR115芯片設(shè)計(jì),要嚴(yán)格控制電流的功耗,保證該變送器自身耗電(包括傳感器在內(nèi)的全部電路)不大于3.5mA,在XTR115前置調(diào)零電路,作為變送器的零點(diǎn)調(diào)節(jié),使變送器保證零點(diǎn)輸出4mA。

圖3

3、抗干擾措施

    電流變送器使用電流信號(hào)作為傳輸信號(hào),有較高的抗干擾能力,但由于傳輸距離較遠(yuǎn),加上工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性,在設(shè)計(jì)上還要考慮電氣隔離,抗干擾措施。

    本文所設(shè)計(jì)的羅氏線圈變送器采用電源隔離模塊,降低紋波干擾,提高系統(tǒng)可靠性,與此同時(shí),在電源輸入端串入一只二極管,進(jìn)行反極性保護(hù);線路板設(shè)計(jì)時(shí)注意電子器件的布局布線,以減少干擾信號(hào)。

4、產(chǎn)品介紹

   安科瑞生產(chǎn)的BR系列羅氏線圈電流變送器嚴(yán)格按照GB/T 13850-1998《交流電量轉(zhuǎn)化為模擬量或數(shù)字信號(hào)的電測(cè)量變送器》設(shè)計(jì),采用電磁感應(yīng)原理,對(duì)電網(wǎng)中的交流大電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,采用真有效值和線性補(bǔ)償技術(shù),將其隔離變換為標(biāo)準(zhǔn)的直流信號(hào)輸出。DC24V安全電壓供電,具有高精度、高隔離、高安全性、低功耗等特點(diǎn),可廣泛用于冶金、電鍍、焊接等領(lǐng)域。

 4.1 產(chǎn)品選型

    BR-AI羅氏線圈電流變送器
      

    根據(jù)輸入電流范圍選擇不同規(guī)格的線圈長(zhǎng)度(注:可根據(jù)客戶需要另行定制)。

輸入電流范圍

線圈長(zhǎng)度(mm)

AC 200A--1000A

350

AC 1200A--2000A

370

AC 2500A--5000A

450

AC 6300A--20000A

600

AC 20kA-100kA

可定制   ≤2400

 

4.2 技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)參數(shù)

指標(biāo)

輸入信號(hào)

AC 電流 200A~20kA

輸出

標(biāo)稱值

DC 4-20mA

負(fù)載電阻

≤500Ω

輸出紋波

輸出紋波峰峰值 ≤ 100mV

工作電源

DC24V   允許范圍21.6 V~26.4V

功耗

≤0.5W

準(zhǔn)確級(jí)

0.5級(jí)

溫度漂移系數(shù)

≤200ppm

響應(yīng)時(shí)間

≤500mS

安裝方式

支架固定

4.3 報(bào)價(jià)方案

5、應(yīng)用

    本產(chǎn)品可以直接將被測(cè)主回路交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC 4~20mA(通過(guò)250Ω 電阻轉(zhuǎn)換DC 1~5V)恒流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),連續(xù)輸送到接收裝置(計(jì)算機(jī)或顯示儀表)。本產(chǎn)品可測(cè)輸入信號(hào)范圍廣,zui大輸入信號(hào)可達(dá)AC20000A,具有的瞬態(tài)跟蹤能力,可以用于測(cè)量尺寸很大或形狀不規(guī)則的導(dǎo)體電流??蓮V泛用于冶金、電鍍、焊接等傳統(tǒng)測(cè)量電流的CT無(wú)法正常使用的大電流檢測(cè)領(lǐng)域。

6、結(jié)束語(yǔ)

    本文所設(shè)計(jì)的羅氏線圈變送器結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、輸出信號(hào)線性度好、調(diào)試及標(biāo)定方便、安裝方便、產(chǎn)品一致性好?;谝陨咸攸c(diǎn),這種應(yīng)用電流環(huán)變送技術(shù)的羅氏線圈變送器在冶金、電鍍、焊接等領(lǐng)域具有非常廣泛的前景,將大電流轉(zhuǎn)換為小電流,減小了操作人員工作的危險(xiǎn)性;它能夠有效解決生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控問(wèn)題,提高生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行的智能性,減少電力改造的成本。

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