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直流傳感器回饋補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2010-02-22 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

0 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(xiàn)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(lèi)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。

本課題建立了一種式直流傳感機(jī)理與方法。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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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,再加上差值電流系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)碾娏鳎纯傻玫较M碾娏鳌?/P>

1 差值電流回饋補(bǔ)償原理

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。


圖1 磁勢(shì)自平衡回饋補(bǔ)償式直流傳感器原理圖

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(xiàn)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(xiàn)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;G2為功放增益;G3為補(bǔ)償繞組;G4為電導(dǎo)增益;G5為補(bǔ)償繞組增益。

圖2 差值電流回饋補(bǔ)償系統(tǒng)方塊圖

2.1 差值電流補(bǔ)償回路的各級(jí)

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(xiàn)。以(I1W1/W2-I2s)為橫坐標(biāo)x,以U為縱坐標(biāo)y,可得:y=0.14461x。

圖3 檢測(cè)回路的輸入輸出特性

2.1.2 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:。

圖4 PID反饋電路

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(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 PID調(diào)節(jié)器輸出動(dòng)態(tài)特性

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:

差值補(bǔ)償電流回饋補(bǔ)償系統(tǒng)的閉環(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)李雅普諾夫理論,線(xiàn)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(xiàn)性系統(tǒng)的。

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(xiàn)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(xiàn)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。



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