基于羅氏線圈的電流變送器設計與應用

1.引言

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

本文介紹一種基于羅氏線圈的電流變送器的設計，對電網(wǎng)中的大交流電流進行實時測量，該變送器采用XTR115芯片將羅氏線圈產(chǎn)生的電壓信號轉換電流信號，輸出DC4～20mA電流信號。

2.工作原理及設計

羅氏線圈是將導線均勻的密繞在環(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)中電流測量的傳感頭，讓通有大電流的導線垂直穿過線圈的中心，產(chǎn)生電磁感應，從而感應出被測電流大小的電壓信號。將羅氏線圈產(chǎn)生的電壓信號接入到信號調理模塊上，進行信號處理，最后輸出工業(yè)標準信號DC4-20mA。電路設計框架圖如圖1所示。

2.1信號調理電路

信號調理電路實現(xiàn)對輸入信號的隔離輸入，包括信號濾波、整流電路以及信號積分電路。該電路主要是對羅氏線圈感應輸出的電壓信號通過RC濾波，再經(jīng)過電阻分壓后接入到采用雙電源運放芯片的輸入腳上，采用運算放大器構成近似積分器，合理選擇選擇器件參數(shù)，能夠保證傳感器的測量靈敏度、精度和信號響應帶寬。

2.2真有效值轉換電路

真有效值轉換電路實現(xiàn)電路中AC/DC真有效值轉換，將輸入的交流信號通過真有效值芯片轉化為真有效值的直流電壓，能夠精確測量各種電壓波形的有效值，而不必考慮被測波形的參數(shù)以及失真。如圖2所示：電路中，Ui信號經(jīng)過電容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換電路輸出的電壓信號經(jīng)過RC濾波電路后進行適當?shù)姆糯?，采用運放芯片，在滿足零點輸出功耗要求的同時，調節(jié)電路中的放大參數(shù)，使電路最后輸出能達到滿度額定值。

2.4信號輸出電路

信號輸出電路主要采用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，內部產(chǎn)生2.5V基準電壓，且內部帶有+5V的精密穩(wěn)壓器，可以給外部電路(例如電路中的放大器)單獨供電，從而簡化了外部電源的設計，如圖3所示電路。

采用XTR115芯片設計，要嚴格控制電流的功耗，保證該變送器自身耗電(包括傳感器在內的全部電路)不大于3.5mA，在XTR115前置調零電路，作為變送器的零點調節(jié)，使變送器保證零點輸出4mA。

3、抗干擾措施

電流變送器使用電流信號作為傳輸信號，有較高的抗干擾能力，但由于傳輸距離較遠，加上工業(yè)現(xiàn)場的復雜性，在設計上還要考慮電氣隔離，抗干擾措施。

本文所設計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，在電源輸入端串入一只二極管，進行反極性保護;線路板設計時注意電子器件的布局布線，以減少干擾信號。

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格按照GB/T13850-1998《交流電量轉化為模擬量或數(shù)字信號的電測量變送器》設計，采用電磁感應原理，對電網(wǎng)中的交流大電流進行實時測量，采用真有效值和線性補償技術，將其隔離變換為標準的直流信號輸出。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，可廣泛用于冶金、電鍍、焊接等領域。

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)格的線圈長度(注：可根據(jù)客戶需要另行定制)。

輸入電流范圍線圈長度(mm)

AC 200A--1000A350

AC 1200A--2000A370

AC 2500A--5000A450

AC 6300A--20000A600

AC 20kA-100kA可定制 ≤2400

4.2 技術指標

技術參數(shù)指標

輸入信號AC 電流 200A～20kA

輸出標稱值DC 4-20mA

負載電阻≤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

準確級0.5級

溫度漂移系數(shù)≤200ppm

響應時間≤500mS

安裝方式支架固定

4.3 報價方案

5、應用

本產(chǎn)品可以直接將被測主回路交流電流轉換成按線性比例輸出的DC 4～20mA(通過250Ω 電阻轉換DC 1～5V)恒流環(huán)標準信號，連續(xù)輸送到接收裝置(計算機或顯示儀表)。本產(chǎn)品可測輸入信號范圍廣，最大輸入信號可達AC20000A，具有極佳的瞬態(tài)跟蹤能力，可以用于測量尺寸很大或形狀不規(guī)則的導體電流?？蓮V泛用于冶金、電鍍、焊接等傳統(tǒng)測量電流的CT無法正常使用的大電流檢測領域。

6、結束語

本文所設計的羅氏線圈變送器結構緊湊、性能穩(wěn)定、測量精度高、輸出信號線性度好、調試及標定方便、安裝方便、產(chǎn)品一致性好?；谝陨咸攸c，這種應用電流環(huán)變送技術的羅氏線圈變送器在冶金、電鍍、焊接等領域具有非常廣泛的前景，將大電流轉換為小電流，減小了操作人員工作的危險性;它能夠有效解決生產(chǎn)設備的實時監(jiān)測與監(jiān)控問題，提高生產(chǎn)設備運行的智能性，減少電力改造的成本。