銀河電氣，高精度磁通門電流傳感器的工作原理

湖南銀河電氣有限公司的電流傳感器，屬于直流電流器（Direct Coupled Current Transformer，DCCT）的一種，是新一代的隔離測量電流的裝置，可以測量直流、交流、或脈沖電流。除具備隔離測量的優(yōu)點外，它還具備測量動態(tài)范圍寬、測量精度極高、頻帶寬、響應速度快、基本不受溫度等外部環(huán)境影響等一系列顯著的優(yōu)點。與上代霍爾電阻式電流傳感器相比，其在性能上有了質(zhì)的提升。

銀河電氣傳感器的基本原理基于新型磁調(diào)制式零磁通技術(shù)，通過驅(qū)動反饋電流來補償母線電流對磁環(huán)的影響，實現(xiàn)測量磁環(huán)內(nèi)的零磁通狀態(tài)，實現(xiàn)近乎理想的母線電流-輸出電流變比。工作原理框圖見圖1。

圖1中，工作原理基于磁-電轉(zhuǎn)換，依賴于磁材料的強非線性。眾所周知，根據(jù)麥克斯韋方程組，直流電流產(chǎn)生的靜磁場沒有可測的電效應，如果是線性系統(tǒng)，則系統(tǒng)的輸出與輸入電流之間沒有任何關(guān)系，即線性系統(tǒng)不可能通過磁通感應測量直流電流。

非線性系統(tǒng)可以在輸入的直流電流和輸出之間建立聯(lián)系。由于直流電流沒有可測的電效應，為使系統(tǒng)能夠“動”起來，首先需要構(gòu)造一個交變電流Iac與直流輸入電流Idc疊加，它們共同作用在非線性的磁材料上，即“磁調(diào)制”過程。設(shè)系統(tǒng)的響應函數(shù)為f(Idc+Iac)，它是一個非線性方程，為簡單起見，這里僅考慮到二次項，忽略更高階，即形式為：

公式（1） f(x)=ax+bx2

“調(diào)制”過程可表述為：

公式(2)

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

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

由于直流電流沒有可測電效應，公式（2）中的前一部分沒有作用，即等于0，僅保留作用項：

公式（3）

f(Idc+Iac)=a Iac+ b Iac2+2b Idc·Iac

請注意公式（3）中的最后一項2b Idc·Iac，該項體現(xiàn)了直流電流的影響，即通過調(diào)制，非線性系統(tǒng)可以對直流電流做出響應；且非線性越強，即系數(shù)b越大，直流響應越強。如果是線性系統(tǒng)，系數(shù)b=0，則不會響應直流電流。這就是為什么必須采用非線性系統(tǒng)的原因，幸運的是，磁材料本身的B-H特性就是強非線性的。

上述非線性系統(tǒng)的輸出，不但包含了有用的直流電流信息，也包含了不需要的“調(diào)制”交流電流信息，整個系統(tǒng)的響應設(shè)計為與“調(diào)制”交流電流無關(guān)。即需要一個“解調(diào)”過程將不需要的“調(diào)制”交流電流信息去掉，即去掉項a Iac、b Iac2，還要將項2b Idc·Iac中的Iac化為常數(shù)。最終形式為：f(Idc+Iac)=aIdc。

圖1中的“DCStim & Sense”部分代表直流電流激勵和感應，包含“調(diào)制”過程。采用兩個反激的磁心可抵消公式（3）中的aIac項?！癝ignalCondition”部分包含“解調(diào)”部分，解調(diào)部分需要低通濾波器配合，用以去掉公式（3）中的bIac2項。這會造成DC支路信號帶寬較低，此支路主要響應直流和低頻交流輸入。

為拓展帶寬，引入AC支路，即第三個磁心“AC Sense”，中高頻交流電流輸入主要靠此支路感應?！癝ignalCondition”部分的輸出經(jīng)過功放（PA）電路放大，輸出電流Iout，抵消掉輸入電流Iin產(chǎn)生的磁通，平衡時達到零磁通狀態(tài)，即Iin-Iout·NS=0，也即

公式(4) Iin:Iout=NS:1

輸入-輸出電流之比等于線圈匝比，與其他因素，如溫度變化等無關(guān)。公式（4）不僅對直流成立，對一定頻率范圍內(nèi)的交流電流同樣成立，響應頻率可實現(xiàn)百kHz~MHz量級。因此，傳感器具備寬頻工作特性，工作頻率可從直流一直到MHz量級。

由于磁通幾乎被完全封閉在環(huán)形鐵芯中，有效磁導率非常高，漏磁非常少，加上系統(tǒng)很高的開環(huán)環(huán)路增益，公式（4）在很高的精度上成立，一般可達10-6量級。這樣的高精度帶來多方面的好處，一是電流測量動態(tài)范圍非常寬，單一傳感器可從mA量級一直覆蓋到kA量級；二是可以實現(xiàn)非常大的電流變比，Ns取值可高達1000~10000或更高。

另一方面，磁通狀態(tài)受電流母線的相對位置、溫度、外部電磁干擾等環(huán)境影響非常輕微，一般在10-6量級附近。

輸出電流信號Iout可通過高精度負載電阻RM轉(zhuǎn)換為電壓V=Iout·RM，便于進行測量。

上述工作過程基于零磁通狀態(tài)，即正常工作狀態(tài)。若異常狀態(tài)下，如已存在輸入電流情況下傳感器后上電、輸入電流超過傳感器可補償?shù)姆秶?、或其他情況，導致磁材料處于完全飽和狀態(tài)，此時系統(tǒng)不響應任何輸入，包括直流或交流輸入。

此時，傳感器完全無法工作，且無法從異常狀態(tài)自動退出?！癆uto Recovery Logic”電路實時監(jiān)測傳感器的工作狀態(tài)，當它監(jiān)測到異常狀態(tài)時，接管系統(tǒng)工作，電路進入掃描狀態(tài)，試圖尋找零磁通狀態(tài)。一旦掃描到零磁通狀態(tài)，其退出工作，將控制權(quán)交回，此時電路工作再正常狀態(tài)。沒有“Auto Recovery Logic”電路的傳感器，工作是脆弱的、不可靠的。

綜上所述，銀河電氣新型原理的電流傳感器具備最高的性能和穩(wěn)定性，且具備廣泛的適應性，是您高精度測量的最佳選擇。