无环流低频电源的电流检测

图1

1　LEM电流传感器

　　LEM电流传感器是一种先进的，不仅能隔离主回路与控制回路，又能检测从直流到100kHz的正弦与非正弦周期量电流的高科技模块化产品、其副边输出能忠实反映原边电流的波形。

1.1　LEM电流传感器原理
　　该传感器由原边电路、聚磁环、位于磁环空隙中的霍尔器件、副边补偿线圈、集成运算放大电路和功率放大电路组成如图2所示。

图2

　　其基本原理为磁补偿。即主回路电流产生的磁场，通过一个副边线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于零磁通检测的工作状态。
　　工作过程是：当原边主回路有一电流I_p流过时，在其导线周围便产生一个磁场H_p，这个磁场被聚磁环聚集，此时霍尔器件在该磁场和控制电流I_c共同作用下便产生一电压信号，这一电压信号经集成运算放大器A进行线性放大，再经线性功率放大后获得一个补偿电流I_s，由于这一电流通过副边多匝线圈所产生的磁场H_s与主回路电流所产生的磁场H_p相反，因而补偿了原边的磁场，最后当副边电流I_s的安匝数所产生的磁场与原边电流I_p的安匝数产生的磁场相等时，I_s不再增加，此时霍尔器件就达到了零磁通检测的目的。
　　上述的工作过程是在非常短的时间内完成的，这一磁场平衡所建立的时间在1μs之内，是一个动态平衡的过程，即主回路电流I_p的任何变化都会破坏这平衡磁场，一旦磁场失去平衡，霍尔器件就会有信号输出，经放大器放大后，立即有相应的电流I_s流过副边线圈进行补偿。因此宏观上看副边补偿电流的安匝数在任何时间都与主回路电流的安匝数一样，即N_pI_p+N_sI_s＝O，｜N_pI_p｜=｜N_sI_s｜。
式中：N_p、N_s分别为原、副边匝数，I_p、I_s分别为原、副边电流。所以，若已知N_p、N_s测得I_s即可得到I_p的大小。

1.2　LEM电流传感器主要特点
　　它可以测量任意波形的电流，如直流、交流、脉冲波形等，甚至可测出瞬态峰值；原边电路与副边电路之间完全高度绝缘，绝缘耐压一般3～6kV，特殊要求可达到6～50kV；测量精度高：在工作温度范围内精度优于10%，该精度适用于任何波形的测量；线性度好：优于0.1%；动态性能好：响应时间小于1μs，跟踪速度di/dt高于50A/μs；工作频带宽：在0(直流)～100kH_Z范围内精度能达到1%，0～5kH_Z范围内精度提高到0.5%；过载能力强：当原边电流超载时，可以自动保护，即使过载电流为额定值的二十倍时传感器也不会损坏；原边与副边之间的电容量是很弱的，在很多应用中共模电压的各种影响可忽略；灵敏度高：能区分在高分量上的弱小信号，如在几百安培的直流上能区分几毫安的交流分量；可靠性高：失效率λ＝0.43×10^-6/h；抗外磁场能力强：经实验在距离传感器5～10cm处的一个两倍工作电流所产生的磁场干扰而引起自身的误差≤0.5%。

2　单元电路

2.1　放大电路
　　主要作用是对其输入信号进行放大，提高输出电压幅值，进而满足后面单元电路要求并提高灵敏度。电路原理图和主要参数如图3(A₁部分)所示。

图3

2.2　绝对值电路
　　此单元电路的作用，一是满足系统的极性要求，二是由于采用了精密整流电路可消除死区，电路原理图和主要参数如图3(A₂、A₃部分)所示。

3　结　论

　　DKW—2—5型无环流可控硅低频电源装置于1991年3月相继在鸡西矿务局大通沟煤矿主井、新发煤矿主、付井提升机上投入工业运行，实践证明，由LEM电流传感器、放大电路和精密整流电路构成的电流检测环节，完全可以满足交—交变频器在实现无环流控制时苛刻的电流检测要求。