基于一種磁勢(shì)自平衡回饋補(bǔ)償式直流傳感器的設(shè)計(jì)

本課題建立了一種磁勢(shì)自平衡回饋補(bǔ)償式直流傳感機(jī)理與方法。磁勢(shì)自平衡回饋補(bǔ)償式直流傳感機(jī)理與方法既具有直流閉環(huán)測(cè)量原理準(zhǔn)確度高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，也具有開(kāi)環(huán)測(cè)量原理電路結(jié)構(gòu)調(diào)試簡(jiǎn)單、消除大功率驅(qū)動(dòng)的困惑、且不存在系統(tǒng)振蕩向題的優(yōu)點(diǎn)。這種測(cè)量方法在原理上表現(xiàn)了新穎的特征：由串聯(lián)型直流電流互感器工作原理可知，同名端對(duì)接的兩個(gè)飽和電抗器在交流電源的正、負(fù)半周內(nèi)，各自維持一次直流被測(cè)電流與二次電流之間的磁動(dòng)勢(shì)平衡，即在其半個(gè)周期內(nèi)由一個(gè)鐵心和線圈構(gòu)成的一個(gè)電抗器就可以自動(dòng)建立此時(shí)一、二次之間的直流磁勢(shì)平衡。但這種磁勢(shì)平衡沒(méi)有閉環(huán)系統(tǒng)磁勢(shì)平衡的準(zhǔn)確度高，我們就用差值電流補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)檢測(cè)鐵心線圈的直流零安匝補(bǔ)償。此時(shí)因一次被測(cè)電流磁勢(shì)絕大部分已被電抗器直接由交流電源提供的電流自動(dòng)平衡掉，由剩余磁勢(shì)檢測(cè)回饋的補(bǔ)償電流就很小，電子模塊的功率小，可靠性高。且該回饋系統(tǒng)的補(bǔ)償電流具有閉環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)奶匦?。雖然該直流磁勢(shì)平衡回路是工作在半個(gè)周期的情況下，但經(jīng)濾波電感濾波后，再加上差值電流回饋補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)碾娏?，即可得到希望的電流?/p>

引 言

長(zhǎng)期以來(lái)，由于監(jiān)視、計(jì)量、控制企業(yè)生產(chǎn)用電的大電流直流在線測(cè)量裝置缺乏可靠的計(jì)量保證，儀器的指示值僅作為參考數(shù)值，這直接影響到這類國(guó)營(yíng)大中型企業(yè)的節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)效益。要改變這種狀況，關(guān)鍵的是要集中現(xiàn)有幾種測(cè)量原理的優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)，從原理上探索出一種新型強(qiáng)電直流傳感理論與方法。

1 差值電流回饋補(bǔ)償原理

磁勢(shì)自平衡回饋補(bǔ)償式直流傳感器原理如圖1，圖中，D1、D2、D3為二極管;e1、e2為激勵(lì)電壓;L1為濾波電感;Us為檢測(cè)繞組的輸出電壓。為提高直流傳感器的精度，引入差值電流補(bǔ)償回路，將磁勢(shì)自平衡回路輸出安匝I2sW2與一次被測(cè)直流安匝I1W2之差作為補(bǔ)償電流回路的輸入，對(duì)磁勢(shì)自平衡回路進(jìn)行自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償，由檢測(cè)鐵心C2和C3、檢測(cè)繞組WD1和WD2、補(bǔ)償繞組We、差值電流檢測(cè)單元以及運(yùn)算放大及驅(qū)動(dòng)器A構(gòu)成的補(bǔ)償回路，是用于對(duì)一、二次直流磁勢(shì)之差的跟蹤補(bǔ)償。

為保持相位同步，磁勢(shì)自平衡回路與差值電流補(bǔ)償回路的激勵(lì)電源可采用同一個(gè)交流輔助電源。當(dāng)差值電流所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為0時(shí)，兩個(gè)鐵心的激磁狀態(tài)相同，其內(nèi)部磁通也相同，因此在一個(gè)周期內(nèi)兩檢測(cè)線圈的平均阻抗也相同，使得差值補(bǔ)償回路輸出電壓為0。當(dāng)差值電流所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)（I1W1-I2sW2）》0時(shí)，在左邊的檢測(cè)鐵心C2中，由差值電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)與激勵(lì)電流在檢測(cè)鐵心中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)iWD1反向疊加，使該鐵心中的磁通遠(yuǎn)離飽和。在右邊的檢測(cè)鐵心C3中，差值電流產(chǎn)生的磁勢(shì)與激勵(lì)電流在檢測(cè)鐵心中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)iWD2同向疊加，使鐵心中的磁通趨于飽和。于是在一個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)檢測(cè)鐵心線圈的平均阻抗不相等，補(bǔ)償電路輸出一個(gè)電壓，輸出的電壓經(jīng)運(yùn)算放大及驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)可得所需的補(bǔ)償電流磁勢(shì)I2eWe，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次被測(cè)電流和二次平衡電流磁勢(shì)差（I1W1-I2sW2）的補(bǔ)償。當(dāng)（I1W1-I2sW2）《0時(shí)，左右鐵心的工作狀態(tài)正好相反，使補(bǔ)償電路輸出一負(fù)電壓。

2 差值電流回憤補(bǔ)償系統(tǒng)方塊圖

為了更清楚地表示一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)間的相互影響和信號(hào)聯(lián)系，便于系統(tǒng)的分析研究，用方塊圖來(lái)表示控制系統(tǒng)的組成。差值電流回饋補(bǔ)償系統(tǒng)的方塊圖如圖2所示。圖2中，K2為檢測(cè)繞組的傳遞函數(shù);G2為功放增益;G3為補(bǔ)償繞組傳遞函數(shù);G4為電導(dǎo)增益;G5為補(bǔ)償繞組增益。

2.1 差值電流補(bǔ)償回路的各級(jí)傳遞函數(shù)

2.1.1 檢測(cè)繞組的傳遞函數(shù)

檢測(cè)回路的輸入輸出特性見(jiàn)圖3。補(bǔ)償回路開(kāi)環(huán)特性隨著直流磁勢(shì)的增加趨于飽和，由于一次被測(cè)直流磁勢(shì)絕大部分被二次直流磁勢(shì)自動(dòng)平衡掉，剩余磁勢(shì)很小，補(bǔ)償回路的開(kāi)環(huán)特性可近似看成一條過(guò)原點(diǎn)的直線。以（I1W1/W2-I2s）為橫坐標(biāo)x，以U為縱坐標(biāo)y，可得：y=0.14461x。

2.1.2 PID控制系統(tǒng)

輸出的電流經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大及驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)得到所需的補(bǔ)償電流磁勢(shì)I2eWe，運(yùn)算放大環(huán)節(jié)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中屬于比例控制。比例控制的最大缺點(diǎn)是存在余差，當(dāng)對(duì)控制質(zhì)量有更高要求時(shí)，就需要在比例控制基礎(chǔ)上，再加上能消除余差的積分控制作用。微分控制系統(tǒng)中即使偏差很小，只要出現(xiàn)變化趨勢(shì)，就可馬上進(jìn)行控制，有超前控制的特點(diǎn)，因此本文在差值電流補(bǔ)償回路中采用PID控制器。PID反饋電路如圖4所示，它既能快速進(jìn)行控制，又能消除余差，具有較好的控制性能。比例積分微分控制規(guī)律為：

PID運(yùn)算電路的工作過(guò)程如下：當(dāng)輸入信號(hào)Ii有一階躍變化時(shí)，一開(kāi)始CD、C1，相當(dāng)于短路，輸入信號(hào)突跳至微分作用最大值。繼而隨著對(duì)CD的充電，負(fù)反饋電壓逐漸升高，輸出電流I0逐漸衰減下來(lái)。與此同時(shí)，CI也被充電，隨著CI兩端電壓逐漸增加，負(fù)反饋?zhàn)饔弥饾u減小，輸出電流I0又慢慢上升。在Ii階躍作用下，PID輸出特性曲線見(jiàn)圖5。

PID控制器的傳遞函數(shù)可表示為：G2（s）=KP（1+1/stI）（1+stD）

式中，比例作用KP=R2/R1=10，積分作用t1=R2C2，微分作用tD=R1C1。

2.1.3 反饋繞組傳遞函數(shù)

反饋繞組的傳遞函數(shù)用G3表示：G3=1/（Ls+R）=L=2.7418H

式中：R=25Ω，為反饋繞組回路總電阻;μ為鐵心導(dǎo)磁率，H/m;A為鐵心截面積，㎡;l為鐵心平均磁路長(zhǎng)度，m;L=2.7418H，為反饋繞組的自感;從為反饋繞組匝數(shù)。

阻抗增益：G4=1/R=0.06，反饋繞組的比例系數(shù)：G5=2000。

3 差值電流回饋補(bǔ)償系統(tǒng)的德定性分析

差值電流回饋補(bǔ)償系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程為：

D（s）=sti（s+9.1）+264（1+st1）+（1+stD） =（264tDt1+t1）s2+（264（tD+t1）+9.1t1）s+264

差值電流回饋補(bǔ)償系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論，線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的根都具有負(fù)實(shí)部，即閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均位于坐標(biāo)平面左半部（不包括虛軸）。但當(dāng)系統(tǒng)階次較高時(shí)，在一般情況下，求解其特征方程會(huì)遇到較大的困難。勞斯及古爾維茨穩(wěn)定判據(jù)，可通過(guò)特征方程的根與各項(xiàng)系數(shù)的關(guān)系來(lái)判別系統(tǒng)的特征根是否全部具有負(fù)實(shí)部，從而分析線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

古爾維茨穩(wěn)定判據(jù)求得系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件：264tDt1+t1》0且264（tD+t1）+9.1t1》0，可見(jiàn)，只要tD》0，t1》0，系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。

4 結(jié) 語(yǔ)

磁勢(shì)自平衡回饋補(bǔ)償式直流傳感器的磁勢(shì)平衡由鐵心的近似矩形磁化曲線決定。其差值電流補(bǔ)償電路，則是利用雙向鐵心磁放大器的基本原理，在電抗器鐵心的空腔內(nèi)設(shè)置零安匝檢測(cè)鐵心和線圈，用以檢測(cè)該半周期內(nèi)直流磁勢(shì)平衡的安匝差以自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償。根據(jù)勞斯陣列的第一列元素符號(hào)均為正值可判斷差值回饋補(bǔ)償系統(tǒng)是穩(wěn)定的。