基于組合通信的無磁芯電流互感器設計

陳夏南 林栩

摘 要：本文基于Biot Savart定律設計了一種0.2S級的無磁芯低功耗電流互感器，在設計中通過利用4個高靈敏度線性磁阻傳感器組成圓形陣列的方式來獲取電流產生的磁場信號，在電路中通過加法器將磁場信號進行疊加，并通過一種組合通信的方式在高電位實現了數字化，通過光纖將標準格式的信號傳輸至低壓側，本樣機功耗僅為20mW。

關鍵詞：無磁芯；低功耗；線性磁傳感器

中圖分類號：TM452 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0100-02

在工業應用中，非接觸電流測量是一種全新的解決方案被大家所關注，這是由于操作簡單和系統的集成化[1]。這些方案主要依賴于不同的磁場傳感技術，比如霍爾效應，磁阻效應，法拉第效應等。然而，在幾乎所有種類電流傳感器為了增加磁通密度，都使用大型磁芯，磁芯的使用限制了測量頻帶[2]。

隨著智能電網的建設，傳統的電流互感器的缺點逐漸被暴露出來，急需開發一種新型的電流測量方法。電子式電流互感器被認為是傳統電磁式互感器的替代品。然而，這些傳感器仍然含有鐵芯，與傳統的電壓互感器相似，也存在相同的鐵芯飽和問題。近年來，具有高靈敏度，線性，低功耗的磁阻傳感器和磁通門傳感器被開發出來，為電流測量方法提出了新思路[3-4]。

本文基于線性磁阻傳感器開發了一種0.2S級的低功耗電流互感器，其技術路線是將4個傳感器均勻分布在圓形印刷電路板上，并將感測到的磁場值利用加法電路進行疊加后在微功耗ADC中進行模數轉換，利用單片機和可編程邏輯器件進行組合實現低功耗的數據傳輸，經過優化后，功耗僅為20mW左右。

1 基于組合通信的無磁芯電流互感器設計

本章首先分析磁場空間分布的原理，之后針對無磁芯的磁傳感器提出了一種利用多個傳感器求取平均值進行的測量的思路，并描述了硬件設計的思路。此外，本文使用了一種組合通信的方式，在滿足電網要求的協議下，電流互感器功耗被大大降低。

1.1 均值法

磁性電阻傳感器是近年以來的研究重點。在學者設計中將單個TMR磁傳感器放置在圓形印刷電路上用于測量導體上流過的電流值。由于其結構上沒有磁芯，磁傳感器的體積很小，并可用于測量高頻帶，這拓展了電流互感器的測量范圍。當待測電流流過的導體被認為是長直導線時，根據Biot-Savart定律可得，空間上產生的磁感應強度能夠被表示為： （1）

其中，μ0為真空磁導率（4π×10-7A/m），r為傳感器與載流導體的最短距離（m），I為載流導體上流過的電流值（A）。

雖然，有文獻證實單個TMR磁傳感器在對電流進行測量時具有良好表現。但在某些特殊情況下是有限制的。特別是在被用于三相電流測量時，每個磁傳感器都不可避免地受到由其他兩相產生的磁場的干擾。因此，本文提出了一種使用TMR的新的電流測量方法。在該方法中，使用四個無磁芯TMR磁傳感器。

圖1描述了4個無磁芯電流互感器被均勻安裝于圓形印刷電路板上（傳感器之間的夾角為90°）。因此，本文的傳感器感測的磁感應強度的平均值能夠被表示為：

（2）

通過仿真和測量結果表明，在利用4個TMR組成的圓形陣列的均值法可以消除三相電力系統中其他兩相產生的磁場的環境干擾，從而實現精確的測量，并可以在一定程度上補償因位置信息變化導致的測量誤差。

1.2 采集電路硬件設計

由于TMR磁傳感器采用惠斯通電橋設計，因此，本文設計了一種差分加法輸入采集電路，如圖2所示，電路模型的等效公式能被描述為：

（3）

此電路的主要目的是將圓形陣列上4個TMR的輸出電壓之和相加并去除高頻率的噪聲信號。電路主要包括4個TMR傳感器，1個加法器，和1個濾波器。利用加法器將TMR的輸出電壓進行相加求和，從而得到電壓總和。此外，在后端電路中增加了一個RC濾波器，以降低噪聲的干擾，從而提高TMR的精度等級。

為了避免因采集電路硬件導致的測量誤差，本文對每一通道都進行了校驗，校驗結果如表1所示。

1.3 數據傳輸系統設計

在實際應用過程中，與電網的接口中應采用曼特斯特編碼，該編碼中自帶時鐘，因此需要電光轉換的驅動接口具有穩定的頻率，因此，在傳統的設計中可編程邏輯器件成為主要的選擇。然而，可編程邏輯器件無法對信號進行處理和降噪，這限制了它的應用。

在本設計中通過單片機和可編程邏輯器件合成數據處理單元，來實現降低整體系統功耗的目標，通過選擇微功耗單片機將其作為信號采集處理單元，對信號進行處理，并將可編程邏輯器件與電網的通信驅動接口，與低壓側進行通信，如圖3所示。

在設計中利用了單片機的數據處理能力和程序移植上的優點來代替一些設計中的采用可編程邏輯器件進行計算，相比其數據傳輸系統正常工作下能夠減少30%的功耗。同時，將可編程邏輯器件作為喚醒控制器，以固定頻率喚醒單片機，單片機完成電壓信號轉換后又進入休眠狀態，理論上，本文設計工作模式的功耗僅為長時間工作模式的功耗的23%。

2 實驗測試

實驗測試如圖4所示，TMR傳感器陣列，信號處理單元置于設備絕緣子頂部，導電桿穿過線圈。大電流發生器提供的電流通過電纜接入導電桿。將原理樣機（額定電流300A）輸出的標準FT3信號和一次側電流信號接入電子式互感器校驗儀進行校驗，分析其比差和角差。

2.1 準確度測試

為了驗證無磁芯電流互感器用于計量和保護的穩定性，對樣機進行線性度測試。將一次側電流設定為5-120%額定電流內循環進行校驗，校驗時間為24小時，實驗數據如表2所示。

2.2 功耗測試

將系統樣機的供電改為可調恒壓源接入，利用功率分析儀對樣機的功耗進行測試，并將一次側電流設定為額定電流300A，功耗結果如圖5所示，僅為20mW。

3 結語

本文提出了一種無磁芯的電流互感器設計，該設計可被用于測量直流和交流。在設計中，該傳感單元由4個TMR磁傳感器和一個集成電路組成。通過磁傳感器的圓環設計可以有效的減少來自外界干擾源的影響。通過基于組合通信的集成電路設計可以使得MCU間歇性休眠從而降低整體的系統功耗，從而更好的滿足于電力應用中。此外，該設計的測量精度為0.2S級，能夠滿足一般電力測量的需求。

參考文獻

[1]Bazzocchi R， Rienzo L D. Interference rejection algorithm for current measurement using magnetic sensor arrays[J].Sensors & Actuators A Physical，2000，85（1）：38-41.

[2]Ripka P， Kejik P， Kaspar P， et al. Precise DC current sensors[C]// Instrumentation and Measurement Technology Conference， 1996. IMTC-96. Conference Proceedings. 'Quality Measurements： The Indispensable Bridge between Theory and Reality'. IEEE. IEEE Xplore，1996：1479-1483 vol.2.

[3]Ziegler S， Woodward R C， Iu H C， et al. Current Sensing Techniques： A Review[J]. IEEE Sensors Journal，2009，9（4）：354-376.

[4]Jedlicska I， Weiss R， Weigel R. Increasing the measurement accuracy of GMR current sensors through hysteresis modeling[C]// IEEE International Symposium on Industrial Electronics. IEEE，2008：884-889.