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基于罗氏线圈的电流变送器设计与应用

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赵斌

 (安科瑞电气股份有限公司,上海 嘉定 214405)

摘要:论文介绍了基于罗氏线圈(Rogowski)的电流变送器的原理和硬件设计,以及该产品的主要应用。

关键字:罗氏线圈(Rogowski) 电流变送器  应用   XTR115芯片

1.引言

    近年来,随着现代高压、超高压输电网络的建设,电力系统正朝着大容量、高压大电流方向发展,而用于电流测量的传统的电磁式电流互感器已无法满足其要求,在大电流下铁心磁路下易饱和,对测量结果产生较大的误差。而罗氏线圈互感器,具有测量范围宽、精度高、无磁饱和、体积小等优点,正逐步取代传统的电磁式电流互感器,在电力系统中具有广阔的应用前景。

    本文介绍一种基于罗氏线圈的电流变送器的设计,对电网中的大交流电流进行实时测量,该变送器采用XTR115芯片将罗氏线圈产生的电压信号转换电流信号,输出DC 4~20mA电流信号。

2.工作原理及设计

    罗氏线圈是将导线均匀的密绕在环形截面非磁性骨架上而形成的空心电感线圈,采用罗氏线圈作为电网中电流测量的传感头,让通有大电流的导线垂直穿过线圈的中心,产生电磁感应,从而感应出被测电流大小的电压信号。将罗氏线圈产生的电压信号接入到信号调理模块上,进行信号处理,最后输出工业标准信号DC4-20mA。电路设计框架图如图1所示。

2.1信号调理电路

    信号调理电路实现对输入信号的隔离输入,包括信号滤波、整流电路以及信号积分电路。该电路主要是对罗氏线圈感应输出的电压信号通过RC滤波,再经过电阻分压后接入到采用双电源运放芯片的输入脚上,采用运算放大器构成近似积分器,合理选择选择器件参数,能够保证传感器的测量灵敏度、精度和信号响应带宽。

2.2真有效值转换电路

    真有效值转换电路实现电路中AC/DC真有效值转换,将输入的交流信号通过真有效值芯片转化为真有效值的直流电压,能够精确测量各种电压波形的有效值,而不必考虑被测波形的参数以及失真。如图2所示:电路中,Ui信号经过电容C5隔直后输入到真有效值芯片中,其中电容C8,C9的作用是滤掉该电路中的高频干扰,采用双电源工作方式,满足真有效值的工作要求。

图2

2.3放大电路

    放大电路的作用是将真有效值转换电路输出的电压信号经过RC滤波电路后进行适当的放大,采用运放芯片,在满足零点输出功耗要求的同时,调节电路中的放大参数,使电路最后输出能达到满度额定值。

2.4信号输出电路

    信号输出电路主要采用TI公司生产的精密电流变送芯片XTR115,其具有精度高,芯片功耗小以及非线性误差小等优点,内部产生2.5V基准电压,且内部带有+5V的精密稳压器,可以给外部电路(例如电路中的放大器)单独供电,从而简化了外部电源的设计,如图3所示电路。

    采用XTR115芯片设计,要严格控制电流的功耗,保证该变送器自身耗电(包括传感器在内的全部电路)不大于3.5mA,在XTR115前置调零电路,作为变送器的零点调节,使变送器保证零点输出4mA。

图3

3、抗干扰措施

    电流变送器使用电流信号作为传输信号,有较高的抗干扰能力,但由于传输距离较远,加上工业现场的复杂性,在设计上还要考虑电气隔离,抗干扰措施。

    本文所设计的罗氏线圈变送器采用电源隔离模块,降低纹波干扰,提高系统可靠性,与此同时,在电源输入端串入一只二极管,进行反极性保护;线路板设计时注意电子器件的布局布线,以减少干扰信号。

4、产品介绍

   安科瑞生产的BR系列罗氏线圈电流变送器严格按照GB/T 13850-1998《交流电量转化为模拟量或数字信号的电测量变送器》设计,采用电磁感应原理,对电网中的交流大电流进行实时测量,采用真有效值和线性补偿技术,将其隔离变换为标准的直流信号输出。DC24V安全电压供电,具有高精度、高隔离、高安全性、低功耗等特点,可广泛用于冶金、电镀、焊接等领域。

 4.1 产品选型

    BR-AI罗氏线圈电流变送器
      

    根据输入电流范围选择不同规格的线圈长度(注:可根据客户需要另行定制)。

输入电流范围

线圈长度(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 技术指标

技术参数

指标

输入信号

AC 电流 200A~20kA

输出

标称值

DC 4-20mA

负载电阻

≤500Ω

输出纹波

输出纹波峰峰值 ≤ 100mV

工作电源

DC24V   允许范围21.6 V~26.4V

功耗

≤0.5W

准确级

0.5级

温度漂移系数

≤200ppm

响应时间

≤500mS

安装方式

支架固定

4.3 报价方案

5、应用

    本产品可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC 4~20mA(通过250Ω 电阻转换DC 1~5V)恒流环标准信号,连续输送到接收装置(计算机或显示仪表)。本产品可测输入信号范围广,最大输入信号可达AC20000A,具有极佳的瞬态跟踪能力,可以用于测量尺寸很大或形状不规则的导体电流。可广泛用于冶金、电镀、焊接等传统测量电流的CT无法正常使用的大电流检测领域。

6、结束语

    本文所设计的罗氏线圈变送器结构紧凑、性能稳定、测量精度高、输出信号线性度好、调试及标定方便、安装方便、产品一致性好。基于以上特点,这种应用电流环变送技术的罗氏线圈变送器在冶金、电镀、焊接等领域具有非常广泛的前景,将大电流转换为小电流,减小了操作人员工作的危险性;它能够有效解决生产设备的实时监测与监控问题,提高生产设备运行的智能性,减少电力改造的成本。

参考文献:

作者简介:赵斌,男,本科,安科瑞电气股份有限公司,主要研究方向为电量传感器设计,手机:18702111892,座机:021-69158305,QQ:2880157852,E-mail:2880157852@qq.com


 

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