银河电气，高精度磁通门电流传感器的工作原理

银河电气 2024-07-24 694

描述

湖南银河电气有限公司的电流传感器，属于直流电流器（Direct Coupled Current Transformer，DCCT）的一种，是新一代的隔离测量电流的装置，可以测量直流、交流、或脉冲电流。除具备隔离测量的优点外，它还具备测量动态范围宽、测量精度极高、频带宽、响应速度快、基本不受温度等外部环境影响等一系列显著的优点。与上代霍尔电阻式电流传感器相比，其在性能上有了质的提升。

银河电气传感器的基本原理基于新型磁调制式零磁通技术，通过驱动反馈电流来补偿母线电流对磁环的影响，实现测量磁环内的零磁通状态，实现近乎理想的母线电流-输出电流变比。工作原理框图见图1。

图1 工作原理

图1中，工作原理基于磁-电转换，依赖于磁材料的强非线性。众所周知，根据麦克斯韦方程组，直流电流产生的静磁场没有可测的电效应，如果是线性系统，则系统的输出与输入电流之间没有任何关系，即线性系统不可能通过磁通感应测量直流电流。

非线性系统可以在输入的直流电流和输出之间建立联系。由于直流电流没有可测的电效应，为使系统能够“动”起来，首先需要构造一个交变电流Iac与直流输入电流Idc叠加，它们共同作用在非线性的磁材料上，即“磁调制”过程。设系统的响应函数为f (Idc+Iac)，它是一个非线性方程，为简单起见，这里仅考虑到二次项，忽略更高阶，即形式为：

公式（1） f(x)=ax+bx2

“调制”过程可表述为：

公式(2)

f(Idc+Iac)=a(Idc+Iac)+b(Idc+Iac)2

=(a Idc +b Idc2)+(aIac+ b Iac2+2b Idc ·Iac)

由于直流电流没有可测电效应，公式（2）中的前一部分没有作用，即等于0，仅保留作用项：

公式（3）

f(Idc+Iac)=a Iac+ b Iac2+2b Idc ·Iac

请注意公式（3）中的最后一项2b Idc ·Iac，该项体现了直流电流的影响，即通过调制，非线性系统可以对直流电流做出响应；且非线性越强，即系数b越大，直流响应越强。如果是线性系统，系数b=0，则不会响应直流电流。这就是为什么必须采用非线性系统的原因，幸运的是，磁材料本身的B-H特性就是强非线性的。

上述非线性系统的输出，不但包含了有用的直流电流信息，也包含了不需要的“调制”交流电流信息，整个系统的响应设计为与“调制”交流电流无关。即需要一个“解调”过程将不需要的“调制”交流电流信息去掉，即去掉项a Iac、b Iac2，还要将项2b Idc ·Iac中的Iac化为常数。最终形式为：f(Idc+Iac)=aIdc。

图1中的“DCStim & Sense”部分代表直流电流激励和感应，包含“调制”过程。采用两个反激的磁心可抵消公式（3）中的aIac项。“SignalCondition”部分包含“解调”部分，解调部分需要低通滤波器配合，用以去掉公式（3）中的bIac2项。这会造成DC支路信号带宽较低，此支路主要响应直流和低频交流输入。

为拓展带宽，引入AC支路，即第三个磁心“AC Sense”，中高频交流电流输入主要靠此支路感应。“SignalCondition”部分的输出经过功放（PA）电路放大，输出电流Iout，抵消掉输入电流Iin产生的磁通，平衡时达到零磁通状态，即Iin-Iout·NS=0，也即

公式(4) Iin: Iout = NS:1

输入-输出电流之比等于线圈匝比，与其他因素，如温度变化等无关。公式（4）不仅对直流成立，对一定频率范围内的交流电流同样成立，响应频率可实现百kHz~MHz量级。因此，传感器具备宽频工作特性，工作频率可从直流一直到MHz量级。

由于磁通几乎被完全封闭在环形铁芯中，有效磁导率非常高，漏磁非常少，加上系统很高的开环环路增益，公式（4）在很高的精度上成立，一般可达10-6量级。这样的高精度带来多方面的好处，一是电流测量动态范围非常宽，单一传感器可从mA量级一直覆盖到kA量级；二是可以实现非常大的电流变比，Ns取值可高达1000~10000或更高。

另一方面，磁通状态受电流母线的相对位置、温度、外部电磁干扰等环境影响非常轻微，一般在10-6量级附近。

输出电流信号Iout可通过高精度负载电阻RM转换为电压V= Iout·RM，便于进行测量。

上述工作过程基于零磁通状态，即正常工作状态。若异常状态下，如已存在输入电流情况下传感器后上电、输入电流超过传感器可补偿的范围、或其他情况，导致磁材料处于完全饱和状态，此时系统不响应任何输入，包括直流或交流输入。

此时，传感器完全无法工作，且无法从异常状态自动退出。“Auto Recovery Logic”电路实时监测传感器的工作状态，当它监测到异常状态时，接管系统工作，电路进入扫描状态，试图寻找零磁通状态。一旦扫描到零磁通状态，其退出工作，将控制权交回，此时电路工作再正常状态。没有“Auto Recovery Logic”电路的传感器，工作是脆弱的、不可靠的。

综上所述，银河电气新型原理的电流传感器具备最高的性能和稳定性，且具备广泛的适应性，是您高精度测量的最佳选择。

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