空芯线圈的设计(2013-1-4).docx

《自动检测技术》报告——空心线圈的设计【摘要】空心线圈电流互感器是新型互感器-电子式电流互感器的一种典型代表，是数字化变电站的重要的电流测量设备。空心线圈的测量原理、制作方式、二次信号输出等均和传统互感器有较大差异。本项设计的内容就是设计一套空心线圈及其二次信号变换电路。按照基本的参数要求和有关国家标准，对空心线圈及其二次信号变换电路参数设计和结构设计，并对其性能进行仿真分析。【关键词】空心线圈，积分电路一、设计目标本设计的目的在于通过课程作业，掌握有关设计的基本步骤与规范；掌握空心电流互感器的工作原理、结构设计和性能仿真的方法等，巩固电量检测技术的知识，增强感性认识。掌握空心线圈及其二次电路的参数设计、总体结构等，从而对电子式互感器的性能有初步的了解。二、设计要求根据国家标准，确定一次额定电流大小和准确度等级。根据国家标准，选择计量和保护通道的二次输出电压值。进行线圈的结构设计和电气参数设计，确定外形参数。进行积分电路的电气参数设计。对空心线圈和二次电路进行性能仿真。对空心线圈和二次电路进行误差分析。三、设计方案综述1.空心线圈的原理空心线圈示意图及截面图如下图1所示。图1空心线圈示意图及截面图(1)空心线圈的互感则由截面图可知当空心线圈轴心通过电流时，空心线圈沿轴向的截面中通过的磁感应强度方向如上图1所示。根据安培环路定律有﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ (1)因为空心线圈中的磁感应强度方向与积分方向相同，且有距轴线距离为r的地方磁感应强度相同，则﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒(2)﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒(3)单匝线圈的磁通量为﹒﹒﹒﹒﹒(4)因此空心线圈的互感为﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ (5)(2)空心线圈的自感同理，当空心线圈中通过电流时，由于此时距轴线距离为r的地方磁感应强度为﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒(6)单匝线圈的磁通量为﹒﹒﹒﹒﹒(7)因此空心线圈的自感﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒(8)(3)空心线圈的电阻线圈的导线的长度为﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ （9）当绕制空心线圈的导线的直径为d时，导线的横截面积为﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ (10)当绕制空心线圈的导线的电阻率为时，线圈的电阻为﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒(11)(4)空心线圈的电容空心线圈的电容包括匝间电容和对地电容，又由于线圈是紧密绕制的，因而匝间电容非常小，比起线圈对地电容而言，可以忽略。而线圈对地电容如下：﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒(12)(5)空心线圈的感应电动势当空心线圈轴心通过电流时，由法拉第电磁感应定律可得，空心线圈的感应电动势为﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒(13)(6)空心线圈的等效电路模型空心线圈的等效电路模型如下图2所示图 2空心线圈的等效电路模型其中为空心线圈轴心通过电流时的感应电动势，为线圈的电阻，为线圈的电感，为线圈的对地电容，为线圈的采样电阻，为线圈的输出电压。由于接线电阻、接线电容以及接线电感很小，相对于线圈的电阻、电容以及电感而言可以忽略，因此该模型中没有表现出来。2.积分电路的原理四种常见的积分电路如下图3所示。 (a)理想积分电路 (b)惯性环节积分电路(c)T型积分电路 (d)新型积分电路图3两种常见的积分电a.理想积分电路理想积分电路的传递函数如下。﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ (14)对于输入为正弦信号有﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒（15）﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ （16）理想模拟积分器在对低频交流信号进行积分时，会因积分漂移而使输出电压偏向饱和并产生直流工作点失调的问题，所以可以采用直流负反馈稳定其工作点。b.惯性环节积分电路惯性环节积分电路解决了上述直流工作点不稳定的问题。其传递函数如下。﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒（17）对于输入为正弦信号有﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒（18）﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ （19）但是若要惯性环节积分电路的相移接近，要很大，这意味着积分时的非周期分量的衰减时间常数很大，因此积分电路需要很长一段时间才能稳定下来（对于50Hz的工频电量需3-5个周波），因此实时性不好，不宜用于保护和测量。c.T型积分电路 T型积分电路的传递函数为（20）由于在设计参数时，我们使，则上述传递函数可以简化成﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ （21）对于输入为正弦信号有﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒（22）﹒﹒﹒﹒﹒（23）由于用网络代替了惯性环节，该积分电路虽然对相移和衰减时间常数有所改善，但仍然没有很好的解决这一问题。d.新型积分电路对于新型积分电路，我们令，则其传递函数为﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒（24）对于正弦周期信号有﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒（25）﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒（26）设计时让，﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒（27）由于该新型积分电路的直流反馈电阻上没有