基于新型PCB罗氏线圈的短时缓变大电流传感器

陶 涛，赵治华，李 阳，郑云波

基于新型PCB罗氏线圈的短时缓变大电流传感器

陶 涛1,2，赵治华1,2，李 阳1,2，郑云波1

（1. 海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033；2. 湖北东湖实验室，武汉 420202）

本文设计了一种基于新型PCB罗氏线圈的电流传感器，用于复杂电磁环境中短时非周期缓变大电流测量。该传感器由双面对称布线且设置回线的强抗干扰性PCB罗氏线圈、带调零单元的无惯性环节积分电路构成。罗氏线圈感应短时持续电流的上升沿或下降沿来获取电流变化率信号，经积分电路保持信号并实现短时持续的直流或低频缓变电流的测量。实测结果证明了本文制作的传感器的有效性与准确性。

短时缓变大电流 PCB罗氏线圈 无惯性环节积分电路 电流传感器

0 引言

作为磁悬浮列车、电磁发射装置、汽车碰撞试验平台等高功率密度系统推进机的多段初级直线感应电机，为了节电及减小电源容量要求，一般采用分段工作的短时非周期供电方式，其工作电流具有幅值大（可达数十kA）、频率低（DC～100 Hz），持续时间短（一般为几秒至十几秒钟）且为非周期信号的特点[1～2]。如何可靠、快速、精确地检测该类直线电机的工作电流，对于准确掌握其工作特性、改善推进性能特别重要。

从原理上讲，分流器、电磁式电流互感器和霍尔电流传感器均能用于多段初级直线感应电机的工作电流检测[3～4]。然而分流器必须串联在电机母线回路中，输入与输出之间无法电气隔离，在测量大电流时危险性高、难度大且不能与计算机处理相结合，同时分流电阻的杂散参数对波形精度性影响较大；电磁式互感器由于铁磁振荡的影响，一般用于千安级以下电流测量，且当较大直流或低频电流存在时磁芯极易饱和，使得测量精度急剧恶化；霍尔电流传感器作为现场大电流检测的首选产品，也存在着动态范围有限、体积重量大、造价高的缺陷，特别是其抗干扰性能较差，在强流电缆交错分布、电磁环境复杂的高功率密度系统中，干扰电流影响被测波形准确性且容易使得铁心饱和。由此可知，诸多因素限制了上述传感器在多段初级直线感应电机的工作电流检测方面的应用[3, 5～6]。

罗氏线圈电流传感器基于法拉第电磁感应原理获取被测电流的变化率，然后经积分电路还原被测电流，具有线性度好、测量动态范围宽、输入输出电气隔离、无饱和、插入损耗小及结构简单等优点，在雷电冲击、电力系统故障检测、脉冲功率技术等大电流测量领域备受关注[7,8]。采用罗氏线圈电流传感器用于多段初级直线感应电机的工作电流测量，必须解决三大问题：传感头线圈对直流或低频信号的获取能力，积分电路对线圈感应直流或低频信号的积分还原能力及传感头线圈在高功率密度系统中复杂电磁环境下的抗干扰能力。

传统绕线式罗氏线圈无法做到均匀对称布线，普通直连式PCB型罗氏线圈未能采取双面对称布线方式，抗干扰性能差，在复杂电磁环境中，线圈耦合的干扰信号严重影响测量准确度[9]。常用的柔性罗氏线圈电流传感器后处理电路多采用带滤波器的惯性积分电路，无法用于直流或低频缓变电流测量。

本文设计了基于PCB型罗氏线圈电流传感器，传感头为双面对称布线且设置回线的PCB型罗氏线圈，具有一致性好，抗干扰能力强的特点，后处理电路为带有调零环节无惯性积分电路。传感头通过检测其上升或下降沿来检测信号变化率进而获取电流信号，并通过长时间常数的无惯性环节积分电路来保持信号，实现高功率密度系统中复杂电磁环境下直流或低频缓变电流测量[10]。

1 PCB型罗氏线圈结构及参数

双面对称布线且设置回线的PCB型罗氏线圈布线结构如图1所示，其中粗实线表示正面的铜箔布线，虚线表示背面铜箔布线（长直部分背面布线与正面布线重叠），小黑点表示通孔。该PCB型罗氏线圈参数一致性好，抗干扰性能强，互感系数精确稳定，适用于高功率密度系统中复杂电磁环境下的待测电流信号获取。线圈布线设计及抗干扰性能分析可参考文献[10]。本文设计的传感器中PCB型罗氏线圈的几何参数及主要电磁参数分别如表1、表2所示。由表2可知，线圈电磁参数计算值与实测值较吻合，互感误差在8%以内，对测量结果影响较小，内阻误差较大主要是由制板工艺的沉铜不均匀造成。

图1 双面对称布线且设置回线的PCB型罗氏线圈

表1 PCB型罗氏线圈几何参数

表2 PCB型罗氏线圈主要电磁参数

2 短时缓变电流测量原理

根据电磁感应原理可知，罗氏线圈无法感应稳恒直流信号；但是对于持续时间较短的准直流或缓变低频电流，如图2所示的突变短时持续电流（一般为数秒或数十秒），在其上升沿和下降沿时相当于脉冲信号，罗氏线圈仍可检测并通过积分电路实现该类信号的测量>[11～12]。

图2 短时低频持续电流示例

欲还原如图2所示的短时准直流或低频电流信号，若采取图3所示无惯性环节积分电路，其增益可表示为：

图3 无惯性环节积分电路

式中，v—积分电路的输入电压；

v—运放漂移电压；

外接调零电路的调节电压

由图3并结合式（2）可知：当无输入电压且无调零电路时，由于积分电容直接作为运放的反馈增益回路，运放漂移电压v经长时间积分在电容两端产生直流偏压，影响测量精度甚至使得运放直接饱和；采取外接调零电路后，可用来抑制运放的零漂积分，从而保证运放漂移输出在测量精度满足范围内[13～14]。

3 传感器制作与试验测量

一例用于多段分级直线电机母线电流测量的PCB型罗氏线圈电流传感器电路结构及参数如图4所示。传感器主要由运放外接调零电路、低通滤波电路、无惯性环节积分电路及VI转换电路组成，上述电路与传感头PCB型罗氏线圈集成于一块PCB板上，穿过被测载流母线置于系统内部。AD8639为美国Analog公司生产的自稳零集成双运放，放电开关K采用omron公司的G5V-1小型继电器开关，其它元器件均为工业通用元件。

运放外接调零电路为外接电源与电位器构成的调压电路，在测量前对运放输入端进行调零，达到运放零漂积分在100 s内不超过±5 mV，从而不影响测量精度。输入端低通滤波电路可有效抑制待测母线中1 kHz以上高次谐波及高频噪声对传感器性能影响。VI转换电路用来将积分电路还原的电压信号转为电流信号传输至外部安全区域的采样电阻两端，避免传输线上耦合干扰电压影响[15]。

本例电流传感器测量某型多段分级直线感应电机在准直流充磁及短时低频推进状态下的电流波形，并与LEM公司的LT 10000-S型霍尔电流传感器测量结果对比，分别如图5和图6所示。其中，将霍尔电流传感器测量波形视为真实波形，为便于比较测量结果，结合传感器参数将霍尔传感器测得电流按下式：

转换为电压波形，与试验样机采样电阻上检测的电压波形对比。

图5和图6所示对比结果充分说明了本例传感器的有效性，电流幅值的换算证明了测量准确性。需要进一步指出的是，在各种大电流电缆交错布置的复杂系统下，即便待测电流真实值在霍尔传感器量程以下，但是由于多种大电流的相互耦合也会导致霍尔线圈磁芯饱和，使得测量结果失真。本试验过程中在相同工况下，出现置于变频器柜体中霍尔传感器饱和失真的情况。

本例传感器采用双面对称布线且设置回线的PCB罗氏线圈，抗干扰能力强，无磁芯饱和现象，在强流电缆交错的复杂电磁环境中，线圈的感应输出不受其它电流影响；且罗氏线圈传感器具有更宽的动态测量范围，同时体积小、成本低，与霍尔电流传感器相比，在短时非周期缓变（低频）大电流测量方面更具优势。

4 结论

针对高功率密度系统中多段分级直线感应电机10 kA级以上工作电流测量难题，本文设计了基于PCB型罗氏线圈和无惯性环节积分电路的电流传感器，用于短时低频非周期缓变大电流测量。该传感器采用双面对称布线且设置回线的新颖PCB型罗氏线圈，感应直流或低频电流的上升沿或下降沿来获取信号，并通过积分电容的保持作用来还原信号。传感器实测结果说明了该传感器的有效性与准确性，且具有体积小、成本低，抗干扰能力强的优势，可用于复杂电磁环境中短时非周期缓变大电流的精确测量。

图4 传感器后处理电路图

图5 短时充磁大电流测试对比

图6 短时低频大电流测量结果对比

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Transducer applied to measure heavy and slowly-varying current with short-time based on new PCB Rogowski coil

Tao Tao1,2, Zhao Zhihua1,2, Li Yang1,2, Zheng Yunbo1

(1. National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering（NUE）, Wuhan 430033, China; 2. East Lake Laboratory（ELL）, Wuhan 420202, China)

TM93

A

1003-4862（2022）03-0001-04

2021-07-13

国家自然科学基金项目（杰出青年基金52025072、青年基金51707200）；海军工程大学科研自主立项项目（425319399）

陶涛（1983-），男，博士，副研究员。主要研究方向为EMI/EMC分析与抑制技术、干扰电流测量等。E-mail: never1983@163.com