一种基于Rogowski线圈的电子式电流互感器剖析.doc

外文翻译 题目： 有源型电子式电流互感器的设计 作者姓名 杭学敏___________ 指导教师 陈明军 副教授______ 专业班级 电气工程及其自动化1202__ 学 院 信息工程学院_______ 提交日期 2016年3月11日 一种Rogowski线圈的电子式电流互感器 M. Faifer, R. Ottoboni Dipartimento di Elettrotecnica, Politecnico di Milano Piazza Leonardo da Vinci 32 - 20133 Milano ITALY 摘要：针对解决配电网重构问Rogowski线圈的电流互感器，它可以实现电能质量分析所需要的功能。它所采用的基于数字处理技术的变压器结构，可以克服将Rogowski线圈作为电流互感器使用时遇到的典型问题。 关键词：Rogowski线圈，电流互感器，数字处理。 1 引言[1]，[2]，[3]，[4]和[5][6]，[7]，[8]和[9]Rogowski线圈的非常规解决方案。这些方案可以解决许多基于磁芯的传统互感器碰到的典型问题。特别是，它们可以克服许多困难，例如带宽的限制，以及用非线性的、开放的方式来对高压线电流进行谐波监测。 从分析使用Rogowski线圈的常见问题入手，本文的主要目的是提出一种基于Rogowski线圈新的非常规结构的电流互感器。这种互感器的额定电流为1000A，在大部分环境温度下能保持0.1级精度，而且它能够在16Hz到780Hz的频率范围内准确地测量电流。详见IEEC60044-8 [16]。 2 Rogowski线圈的典型问题 Rogowski线圈是一种特殊类型的互感器，它由一个通常是环形形状的空心绕组组成。取决于设计的不同，这种线圈可以测量几安培到几百千安培的电流，频率可以从几赫兹到几百千赫兹[17]。 用一个带电流的载流导体穿过Rogowski线圈，它将会产生一个电压，与它的互感系数和电流的导数成正比： (2-1) 为了实现输出信号能和电流成正比，研究者需要整合线圈所提供的电压。这一步操作一般是通过高性能模拟电子线路实现的，但不幸的是，这一方式带有模拟电路的典型问题。首先就是电子器件的成本问题。为了保证合适的性能，研究者必须使用高质量的主动和被动元件。此外，由于其性质，模拟电路需要一个非常昂贵的校准系统。最后，模拟电路还存在长期使用的稳定性问题，以及对环境条件变化反应过于敏感的问题。 正如大家所知道的，所有这些问题都会在这个应用过程中被放大。实际上，在高精度集成电路的设计中，偏置电流、电压输入偏置、热漂移等效应更为关键。除此之外，高电压和高电流的存在会带来强电磁干扰问题，因此还需要特别注意电磁兼容问题。此外，模拟电路的设计必然需要非常可靠，因为它很难进行现场维护和定期校准。 这种传感器的另一个典型问题是它对温度的依赖性。一个Rogowski线圈可以由一系列的电阻，电感和电动势（电动势）组成一个模型来表示，它们都与温度有关。事实上，温度变化不仅会导致电阻值的改变，而且会引起绕组面积的变化，从而引起电感的变化。电感变化，而线圈和导体之间的互感系数不变，所以载流变化，从而产生电动势的变化。 最后，这种传感器的另一个典型的问题是它对外部磁场的敏感性。事实上，根据安培定律，一个理想的Rogowski线圈应该能提供一个信号，与导体穿过线圈时的电流成比例。但是，任何真正的Rogowski线圈都不完全排斥在外导体中流动的电流产生的磁场。 3 提出的解决方案 这项工作的主要目的是研究开发基于Rogowski线圈的电流互感器，希望可以用它取代传统的互感器，克服上述的所有问题。本节介绍了此目的的解决方案，所提出的电流互感器的电子部分基于一个模拟/数字转换和数字/模拟转换的电子系统，数字部分用FPGA来实现。这样的方案充分利用了数字信号处理的优点，而选择FPGA技术则是看重了它的灵活性和计算能力。电流互感器的整体架构设计将在第四节中描述。 信号集成 通过模拟信号到数字集成的转换，大部分模拟信号积分相关的问题可以被解决。一个模拟集成电路可以被替换成一个数据采集链和一个数字信号处理单元。由Rogowski线圈提供的模拟信号经过了采样、转换和处理。使用FPGA或ASIC技术，能够以高效和高性价比的方式整合数字信号。 遵循这种方法，为了实现一个适当的数字集成，某些方面必须要考虑。首先，显然不可能实现一个完全理想的整合。如果输入信号的平均值为零，则可实现该方案的输出，否则集成的输出信号是发散的。这个问题可以通过除去输入信号整合之前的平均值来解决，或者使用在所需频率范围内一阶低通滤波器的