基于羅氏線圈的電流變送器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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DC4～20mA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，最后輸出工業(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，能夠精確測(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。

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?，采用運(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)，使電路最后輸出能達(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。

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/T13850-1998《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(hù)需要另行定制)。

輸入電流范圍線圈長(zhǎng)度(mm)

AC 200A--1000A350

AC 1200A--2000A370

AC 2500A--5000A450

AC 6300A--20000A600

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(chēng)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，最大輸入信號(hào)可達(dá)AC20000A，具有極佳的瞬態(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。