Rogowski線圈電流傳感器的積分器設(shè)計(jì)

1、燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)/論文Rogowski線圈電流傳感器的積分器設(shè)計(jì)*燕 山 大 學(xué)2012年6月本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）Rogowski線圈電流傳感器的積分器設(shè)計(jì)學(xué)院（系）：* 專 業(yè)：08級(jí)應(yīng)用電子 學(xué)生 姓名：* 學(xué) 號(hào)：* 指導(dǎo)教師： * 答辯 日期：2012年6月17日 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：電氣工程及自動(dòng)化學(xué)號(hào)*學(xué)生姓名*專 業(yè)班 級(jí)應(yīng)電-2題目題目名稱Rogowski線圈電流傳感器的積分器設(shè)計(jì)題目性質(zhì)1.理工類：工程設(shè)計(jì) （ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）2.管理類（ ）；3.外語(yǔ)類（ ）；4.藝

2、術(shù)類（ ）題目類型1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（ ） 2.論文（ ）題目來(lái)源科研課題（ ） 生產(chǎn)實(shí)際（ ）自選題目（） 主要內(nèi)容 研究一種能夠克服低頻噪聲和零點(diǎn)漂移的反饋電路，并且給出積分運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)過(guò)程，將羅氏線圈的測(cè)量帶寬擴(kuò)展到1MHz以上?；疽?推導(dǎo)電路傳遞函數(shù)模型。仿真測(cè)試頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)的結(jié)果，以及在測(cè)量dI/dt高于100A/us的磁壓縮脈沖電流時(shí)的波形，并將測(cè)量效果與典型電流CT進(jìn)行分析對(duì)比。參考資料1 W. F. Ray, R. M. Davis, “High frequency improvements in wide bandwidth Rogowski transducers,” E

3、PE 99 Conference Proceedings, Lausanne. Sept 1999.2 W. F. Ray, “Wide Bandwidth Rogowski Transducer: Part 2- Integrator”EPE Journal, Vol. 3, No. 2, pp. 116-122,19933 W. F. Ray, C. R. Hewson, “High performance Rogowski current transducers, ” IAS IEEE Industrial Applications Society, Conference Proceed

4、ings, No.5, pp.3083-3090, Rome 20004 W. F. Ray, R. M. Davis, “Wide bandwidth Rogowski current transducers Part 1 -The Rogowski coil, ”EPE Joumal, No.3, pp.51-59,19935 W. F. Ray, C. R. Hewson, J. M. Metcalfe, “High frequency Effects in Current Measurement Using Rogowski Coil, ” 2005 European Conferen

5、ce on Power Electronics and Applications, Vol. 2005, pp. 1665785,Sept 2005, Dresden, Germany.周 次14周58周912周1316周1718周應(yīng)完成的內(nèi)容查閱資料、分析原理建立空芯線圈和有源外積分電路的數(shù)學(xué)模型仿真?zhèn)鞲蓄^與積分電路設(shè)計(jì)是否匹配；分析仿真結(jié)果；評(píng)估積分電路的性能和局限；撰寫(xiě)論文準(zhǔn)備答辯指導(dǎo)教師：*職稱： 講師 2012年1月2日系級(jí)教學(xué)單位審批： 年 月 日摘要長(zhǎng)期以來(lái)，電流傳感器在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和電流測(cè)量中占有不可替代的地位。傳統(tǒng)的磁式電流傳感器(CTS)在作為測(cè)量與保護(hù)用時(shí)，它的磁路飽

6、和問(wèn)題一直困擾著人們。隨著繼保護(hù)和測(cè)量裝置向微機(jī)化和數(shù)字化方向的發(fā)展，設(shè)備不再需要高功率輸出的電流互感器。這一來(lái)，低功率輸出、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性度良好的Rogowski線圈電子式電流傳感器(ETA)引起人們的注意，并且進(jìn)入廣泛的研究階段。Rogowski線圈主要應(yīng)用于測(cè)量交流大電流、脈沖電流、電力系統(tǒng)中的暫態(tài)電流等方面。本設(shè)計(jì)著眼于Rogowski線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁參數(shù)。著重研究了Rogowski傳感頭的頻率特性。首先詳細(xì)闡述了 Rogowski 線圈測(cè)量電流的原理及其等效電路模型。根據(jù)傳感頭的頻率特性設(shè)計(jì)后繼信號(hào)處理電路。后繼電路的主要設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)積分器。積分器是基于Rogowski線圈電子式電

7、流互感器中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。文中給出了新型結(jié)構(gòu)有源外積分復(fù)合式羅氏線圈積分器的設(shè)計(jì)過(guò)程和參數(shù)選取方法，在保證傳感器具有合適靈敏度的前提下，將傳感器的工作頻帶拓寬到線圈的自然諧振頻率。仿真驗(yàn)證了這種新型的羅氏線圈傳感器可工作在從工頻到高頻的大帶寬測(cè)量范圍。關(guān)鍵詞：Rogowski線圈電流傳感器、積分器、傳感頭等效電路、頻率特性 Abstract For a long time，current transformers(CTs) are important components for current measurement and relaying protection in power syst

8、em.When traditional electromagnetic type CTs are used for measurement and protection，the problems of Their magnetic path saturation always disturb people.With the development of the computerized and digital technology of measurement and protections devices，the devices don't math with CTs of big

9、output power.Thus electronic current transformers(ETA) based on Rogowski coil with the advantages of small output power，simple construction and ideal linearity attract people's attention and come into extensive research.Rogowski coils are increasingly used to measure high voltage AC current in p

10、ower industry.The relations between dimensions and electromagnetic of the Rogowski coil have been studied.In this paper, high frequency behavior for a Rogowski coil is analyzed stressly. This paper expounded the principle of measuring current by Rogowski coil and its equivalent circuit model. Corres

11、ponding outside integrator circuits are built according with characteristic of the Rogowski.Describeing integrator is main problem in describeing outside integrator circuits.Integrator is a key element in an electronic current transducer based on Rogowski coil. A novel compound integration circuit i

12、s described in this paper, which is consisted of self-integration, passive RC integration and active RC integration. This compound integrator improvements the measurement upper bandwidth limit of transducer around coil natural frequency. Simulation waveforms verify the transducer operates with both

13、50Hz grid current and 100A/s pulse current measurement.Key words： Rogowski coil transducer, sensing head，integrator， equivalent circuitfrequency characteristic目錄摘要AbstractII第1章 緒論11.1 脈沖大電流測(cè)量概述11.2 羅氏線圈的性能優(yōu)點(diǎn)21.3 國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀21.4 本章小結(jié)3第2章 電流互感器的介紹42.1 電流互感器的基本概念42.2 電流互感器的用途42.3傳統(tǒng)電磁式電流互感器的原理52.4 本章小結(jié)7第

14、3章 羅氏線圈的結(jié)構(gòu)和基本原理83.1 羅氏線圈的構(gòu)造83.2 羅氏線圈的測(cè)流原理93.3 Rogowski線圈與傳統(tǒng)電流互感器的比較103.4 羅氏線圈的等效電路113.5本章小結(jié)12第4章 傳感頭的頻率特性分析與積分器設(shè)計(jì)134.1 傳感頭的傳遞函數(shù)134.2 終端電阻Rt的選取144.3 羅氏線圈的兩種類型174.3.1 自積分羅氏線圈174.3.2 外積分羅氏線圈194.4積分器的設(shè)計(jì)204.4.1 無(wú)源RC外積分結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)原理204.4.2 有源外積分224.4.3 具有低頻衰減性能的有源積分器244.5 仿真電路284.6本章小結(jié)33第5章 羅氏線圈的相關(guān)問(wèn)題和解決方法345.

15、1 有源器件所需的電源供電問(wèn)題345.2 測(cè)量小電流的方法探討345.2.1增加Rogowski線圈的互感345.2.2積分器前采用放大環(huán)節(jié)放大感應(yīng)的電壓信號(hào)375.3 Rogowski線圈的抗干擾措施385.4 本章小結(jié)38結(jié)論39致謝41參考文獻(xiàn)42附錄144附錄250附錄355附錄460附錄573 第1章 緒論長(zhǎng)期以來(lái)，電流互感器（CT）對(duì)電力系統(tǒng)計(jì)量、繼電保護(hù)、控制與監(jiān)視具有非常重要的意義。但隨著電力系統(tǒng)傳輸容量越來(lái)越大、常規(guī)的CT因其傳感機(jī)理而出現(xiàn)不可克服的問(wèn)題：(1)絕緣技術(shù)要求復(fù)雜。體積大而重,成本高；(2)互感器鐵心飽和限制了CT暫態(tài)響應(yīng)的速度和精度；(3)由于鐵心磁飽和及磁滯

16、回線的影響，CT的暫態(tài)輸出電流嚴(yán)重畸變。 隨著電力電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字保護(hù)裝置、電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)視與控制系統(tǒng)僅需+5V的電壓信號(hào)和A或mA級(jí)的電流。因此采用低功率、緊湊型電流代替CT，把大電流變換為數(shù)字裝置相符合的電流水平，是電力系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新面臨的首要任務(wù)。由于電力系統(tǒng)的發(fā)展以及傳統(tǒng)互感器以上限制，迫切需要開(kāi)發(fā)一種新型的電流互感器，使之具有：測(cè)量范圍大、頻帶寬、無(wú)磁飽和和影響、絕緣性能好且體積小、重量輕、環(huán)保無(wú)污染的電流互感器。羅氏線圈是均勻圍繞在非磁性骨架上的線圈，圍繞在導(dǎo)體外，用來(lái)測(cè)量流過(guò)導(dǎo)體的電流。最簡(jiǎn)單的就是空心圓環(huán)。羅氏線圈是理想的功率電路電

17、流傳感器，可以測(cè)電流脈沖幅值大，頻帶寬，無(wú)磁芯飽和現(xiàn)象。只受與其相連的信號(hào)處理電路的限制?？梢耘c標(biāo)準(zhǔn)的同軸分流器相比較（>1MHz）。重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。羅氏線圈不是插入式的。其柔性結(jié)構(gòu)使其可以圍繞在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)或緩沖器外，這樣不用改變電路結(jié)構(gòu)，也就不會(huì)影響電路工作。本文重點(diǎn)研究了羅氏線圈的工作原理，對(duì)頻率特性進(jìn)行分析。按照課題要求，設(shè)計(jì)合適的積分器。1.1 脈沖大電流測(cè)量概述 大電流(Heavy Current)，是一種在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研試驗(yàn)中經(jīng)常遇到的重要物理量。目前不論在冶金、化學(xué)工業(yè)中的電解，機(jī)械工業(yè)中的電鍍，電氣機(jī)車中的牽引系統(tǒng)，電力輸配電系統(tǒng)、脈沖功率源和等離子體裝置等

18、行業(yè)，還是在核物理、大功率電子學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域都會(huì)涉及到大電流及其測(cè)量問(wèn)題。 根據(jù)大電流工作性質(zhì)狀態(tài)的不同，常?？煞譃槿箢?，即穩(wěn)態(tài)大電流（如直流大電流和交流大電流）、暫態(tài)大電流和脈沖大電流（又稱沖擊大電流）。1.2 羅氏線圈的性能優(yōu)點(diǎn)羅氏線圈是一種新型的電流檢測(cè)元件，它是具有特殊結(jié)構(gòu)的空心線圈，不含鐵芯，因此沒(méi)有因含鐵芯而具有的磁芯飽和的缺陷。羅氏線圈具有以下特點(diǎn)： (1)測(cè)量線圈本身與被測(cè)電流回路沒(méi)有直接的電的聯(lián)系，而是通過(guò)電磁場(chǎng)耦合，因此與主回路有著良好的電氣絕緣； (2)由于沒(méi)有鐵芯飽和問(wèn)題，測(cè)量范圍寬；同樣的繞組，電流測(cè)量范圍可以從幾安培到數(shù)百千安培； (3)頻率范圍寬，一般可設(shè)計(jì)到從0

19、.110MHz，特殊的可設(shè)計(jì)到100MHz的通帶，線圈自身的上升時(shí)間可做得很?。ㄈ缂{秒數(shù)量級(jí)）； (4)測(cè)量準(zhǔn)確度高，可設(shè)計(jì)到優(yōu)于0.1%，一般為0.5%1%之間。 (5)易于以數(shù)字量輸出，實(shí)現(xiàn)電力計(jì)量與保護(hù)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化。 (6)沒(méi)有由于充油而產(chǎn)生的易燃、易爆等危險(xiǎn)，符合環(huán)保要求，而且體積小、重量輕、生產(chǎn)成本低。1.3 國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 1912年，Rogowski與其同伴W.Steinhaus發(fā)表了題為T(mén)he Measurement of MagnetMotive Force的論文，作者根據(jù)麥克斯韋第一方程證明了圍繞導(dǎo)體的線圈端電壓可用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，并且此電壓與線圈形狀無(wú)關(guān)

20、，特別地，稱這種線圈為羅氏線圈。后來(lái)人們根據(jù)全電流定律證明了羅氏線圈可以用來(lái)測(cè)量脈沖大電流。使用這種測(cè)量方式，被測(cè)電流的幅值幾乎不受限制，反映速度快。不過(guò)剛開(kāi)始獲得的準(zhǔn)確度并不高（2-3%），而且性能也不夠穩(wěn)定。直到1966年西德的Heumamn改變了羅氏線圈的結(jié)構(gòu)，并將羅氏線圈的測(cè)量準(zhǔn)確度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)（0.1%），測(cè)量時(shí)受外磁場(chǎng)和被測(cè)導(dǎo)體的位置影響很小，才使得羅氏線圈又被逐漸重視起來(lái)。到了80年代中后期，以羅氏線圈為傳感頭的電子式電流互感器裝置的研制成功，進(jìn)一步加速了它的應(yīng)用步伐。根據(jù)被測(cè)電流時(shí)間常數(shù)的不同，羅氏線圈分為自積分和外積分兩種工作模式。羅氏線圈出現(xiàn)之初，主要用于大電流窄脈沖的

21、測(cè)量（脈寬小于1微秒，幅值幾十萬(wàn)安培），如粒子加速器，這種線圈為自積分式羅氏線圈。 羅氏線圈也受到國(guó)內(nèi)同行的普遍重視，在羅氏線圈互感器的開(kāi)發(fā)上做了大量的研究工作。在第四屆全國(guó)智能化電氣及應(yīng)用研討會(huì)上，使用羅氏線圈組成互感器進(jìn)行電流測(cè)量受到普遍的重視。其中，華中科技大學(xué)的陳慶、李紅斌等人將線圈制作成PCB板的結(jié)構(gòu)，很好的實(shí)現(xiàn)了線圈結(jié)構(gòu)的對(duì)稱，參數(shù)的優(yōu)化。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張玉紅對(duì)羅氏線圈的頻帶特性做出分析，給出了反映外積分羅氏線圈實(shí)際頻率特性的計(jì)算公式，并指出自積分羅氏線圈頻帶公式并不能很好反映實(shí)際情況。在高頻脈沖電流領(lǐng)域的應(yīng)用中，中科院電工所的王玨使用自積分羅氏線圈測(cè)量納秒級(jí)脈沖獲得了很好的上升

22、速度；華中科技大學(xué)的李維波將羅氏線圈應(yīng)用在神光強(qiáng)激光能源模塊中的脈沖檢測(cè)。國(guó)內(nèi)其它大學(xué)，如大連理工大學(xué)、武漢大學(xué)、清華大學(xué)、湖南大學(xué)等都有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論研究，取得了一定的科研成果。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)羅氏線圈的研究重點(diǎn)仍集中在傳感頭結(jié)構(gòu)工藝以及積分器的設(shè)計(jì)上。并且這些研究大多集中在某一特定測(cè)量頻帶內(nèi)，針對(duì)某一被測(cè)電流特性而進(jìn)行設(shè)計(jì)，大帶寬測(cè)量能力的羅氏線圈很少被提及。1.4 本章小結(jié) 本章先提出隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)的要求，大電流測(cè)量應(yīng)用相當(dāng)廣泛。而傳統(tǒng)的CT顯示出很多的不足。所以我們需要尋找一種新的電流傳感器去代替。羅氏線圈就是一種新型的電流檢測(cè)元件，提出了羅氏線圈的優(yōu)點(diǎn)并介紹了國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀

23、。第2章 電流互感器的介紹電流互感器就是在正常條件下使用時(shí)，二次電流實(shí)質(zhì)上與一次電流成正比，本章介紹了電流互感器的概念，分析了傳統(tǒng)電磁式電流互感器的基本原理。2.1 電流互感器的基本概念 電流互感器在正常條件下使用時(shí)，一次繞組串聯(lián)在電流回路中(在導(dǎo)線截?cái)嗵?，二次繞組經(jīng)某些負(fù)荷(測(cè)量?jī)x表或繼電器)而閉合，并保證通過(guò)的負(fù)荷電流與一次繞組的電流成正比。2.2 電流互感器的用途 電流互感器按其用途可分為測(cè)量用電流互感器和保護(hù)用電流互感器，有時(shí)一臺(tái)互感器可以兼有兩種用途。測(cè)量用電流互感器的用途是將測(cè)量信息傳遞給測(cè)量?jī)x表。電流互感器安裝在不能直接連接測(cè)量?jī)x表的高壓回路中或大電流回路中。其二次繞組接電流表

24、、瓦特表、計(jì)量表和類似的儀器的電流線圈。因此，測(cè)量用電流互感器的作用是：(1)將任一數(shù)值的交流電流變換成用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x表可以直接測(cè)量的交流電流值；(2)使高壓回路與維護(hù)人員可以接近的測(cè)量?jī)x表絕緣；保護(hù)用電流互感器的用途是將測(cè)量信息傳遞到保護(hù)和控制裝置。因此，保護(hù)用電流互感器的作用是：(l)將任一數(shù)值的交流電流變換成可以供給繼電保護(hù)裝置的交流電流值；(2)使高壓回路與維護(hù)人員可以接近的繼電器絕緣；即使在不需要為測(cè)量?jī)x表或繼電器減小電流的情況下，在高壓設(shè)備中仍需采用電流互感器，作為測(cè)量?jī)x表或繼電器對(duì)高電壓的隔離及絕緣。 2.3傳統(tǒng)電磁式電流互感器的原理 用于測(cè)量的電磁式電流互感器，鐵芯的導(dǎo)磁率要高;

25、用于保護(hù)的電磁式電流互感器，鐵芯的飽和磁密要高。單級(jí)電磁式電流互感器的原理電路和等效電路如圖2.1 ，2.2所示。 圖2.1 電流互感器的原理圖 圖2.2電流互感器等效電路圖 流過(guò)電流互感器一次繞組的電流工il稱為一次電流。一次電流值只由一次回路的參數(shù)決定，因此在分析電流互感器的作用原理時(shí)，一次電流可以認(rèn)為是給定值。當(dāng)一次繞組流過(guò)一次電流時(shí)，鐵芯中產(chǎn)生和電流i1同一頻率變化的交變磁通1中，磁通1交鏈一次和二次繞組的線匝。當(dāng)磁通1穿過(guò)二次繞組線匝時(shí)，由于磁通本身的變化，在二次繞組中感應(yīng)出電勢(shì)。如果二次繞組經(jīng)過(guò)某些負(fù)荷，即經(jīng)過(guò)與其連接的二次回路閉合，那么在“二次繞組一二次回路”這個(gè)支路里，在感應(yīng)電

26、勢(shì)的作用下就有電流通過(guò)。根據(jù)楞茨定律，這個(gè)電流的方向與一次電流I!的方向相反。流過(guò)二次繞組的電流在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通2，也與磁通1的方向相反，因此鐵芯中由一次電流產(chǎn)的磁通將減少到激磁磁通。由于磁通1.和2相量疊加的結(jié)果，鐵芯中的合成磁通0=1一2，為磁通1的百分之幾。合成磁通0是在電流變換過(guò)程中從一次繞組向二次繞組傳輸電能的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。合成磁通0在穿過(guò)兩個(gè)繞組線匝時(shí)，由于本身的變化，在一次繞組中感應(yīng)出反電勢(shì)E1.，而在二次繞組中感應(yīng)出電勢(shì)E2。因?yàn)橐淮魏投卫@組線匝交鏈鐵芯的磁通(如果忽略漏磁通)幾乎相同，所以在兩個(gè)繞組的每一線匝里就感應(yīng)出同一電勢(shì)。在電勢(shì)E2的作用下，流過(guò)二次繞組的電流I2，稱

27、為二次電流。如果一次繞組的匝數(shù)用N1表示，二次繞組的匝數(shù)用N2表示，它們流過(guò)的電流分別為I1和I2，則一次繞組中形成的磁勢(shì)F1=I1.N1，稱為一次磁勢(shì)，二次繞組中的磁勢(shì)F2=I2.N2稱為二次磁勢(shì)。磁勢(shì)的單位是安匝。電流變換過(guò)程中沒(méi)有能量消耗時(shí)，磁勢(shì)F1和F2在數(shù)量上應(yīng)相等，但方向相反。電流變換過(guò)程中沒(méi)有能量消耗的電流互感器稱為理想電流互感器。對(duì)于理想電流互感器，下面的矢量等式成立 F1=-F2 (2.1) I1.N1=-I2.N2 (2.2)從等式(2.2)得： I1/I2=N2/N1=n (2.3) 即理想電流互感器繞組中的電流與匝數(shù)成反比。 一次電流與二次電流比或二次繞組匝數(shù)與一次繞組

28、匝數(shù)比稱為理想電流互感器的電流比。 在實(shí)際電流互感器中，由于鐵芯中產(chǎn)生磁通、鐵芯的發(fā)熱和交變勵(lì)磁以及二次繞組和二次回路導(dǎo)線的發(fā)熱，電流變換將消耗能量。這些能量的消耗破壞了上面建立的磁勢(shì)F1，和F2絕對(duì)值的等式。在實(shí)際電流互感器中，一次磁勢(shì)應(yīng)保證建立所必須的二次磁勢(shì)，以及一個(gè)同時(shí)發(fā)生并花費(fèi)在鐵芯勵(lì)磁和抵消其它能量消耗上的附加磁勢(shì)。這樣，實(shí)際電流互感器的方程式(2.1)具有以下的形式： F1=F2+F0 (2.4)式中，F(xiàn)0消耗與產(chǎn)生鐵芯磁通中。鐵芯發(fā)熱和交變勵(lì)磁的全勵(lì)磁磁勢(shì)。2.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了傳統(tǒng)電流傳感器的基本概念和用途，并著重介紹了其工作原理，分析出等效電路圖并得出電流互感器的

29、矢量公式。 第3章 羅氏線圈的結(jié)構(gòu)和基本原理3.1 羅氏線圈的構(gòu)造 羅氏線圈(Rogowski Coil)又稱空心互感器、磁位計(jì)，廣泛用于脈沖和暫態(tài)大電流的測(cè)量。特殊的結(jié)構(gòu)決定其具有脈沖大電流的測(cè)量能力。 羅氏線圈是均勻圍繞在非磁性骨架上的線圈，圍繞在導(dǎo)體外，用來(lái)測(cè)量流過(guò)導(dǎo)體的電流。最簡(jiǎn)單的就是空心圓環(huán)。羅氏線圈電流傳感器由羅氏線圈傳感頭和后續(xù)信號(hào)處理電路兩大部分組成。其中傳感頭是測(cè)量元件的信號(hào)感應(yīng)環(huán)節(jié)，通過(guò)空間中電磁場(chǎng)的捕獲，與被測(cè)電流建立耦合關(guān)系。它的基本結(jié)構(gòu)是將導(dǎo)線均勻纏繞在非磁性骨架芯上，并在線圈兩端接上中端電阻，經(jīng)后續(xù)處理還原電路后，就可以測(cè)量脈沖大電流。在加工羅氏線圈傳感頭時(shí)，要求

30、必須“回繞”一周，即沿著任意閉合曲面環(huán)繞線圈，當(dāng)繞到終點(diǎn)后再稀疏回繞到起點(diǎn).如圖3-1所示 圖3-1 羅氏線圈傳感頭回繞方法示意圖因此，羅氏線圈的唯一結(jié)構(gòu)特征是“回繞”結(jié)構(gòu)。所謂回繞結(jié)構(gòu)，是為了抵消掉垂直于羅氏線圈平面的干擾磁場(chǎng)在繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)而設(shè)置的。如果羅氏線圈沒(méi)有“回繞”結(jié)構(gòu)，由于小線匝彼此順串，沿著繞制線圈的循環(huán)方向便形成一匝大線匝，這是我們不希望的額外線匝。繞制一圈與大線砸相反的“回線”，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，便可基本抵消掉垂直干擾磁場(chǎng)的影響。因此，回線的繞制要求穿過(guò)骨架中心，才可以認(rèn)為基本抵消掉垂直干擾磁場(chǎng)的影響。目前如何獲得耦合關(guān)系更穩(wěn)定，信號(hào)強(qiáng)度更高的傳感頭及其制作工藝也

31、是研究的重點(diǎn)。除回繞結(jié)構(gòu)以外，羅氏線圈傳感頭的繞線要均勻、對(duì)稱，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)電流磁場(chǎng)的穩(wěn)定耦合關(guān)系。3.2 羅氏線圈的測(cè)流原理 羅氏線圈測(cè)量電流的理論依據(jù)是電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，將導(dǎo)線纏繞于一個(gè)無(wú)磁性的具有相同橫截面積的環(huán)形閉合骨架上，當(dāng)被測(cè)載流導(dǎo)體從骨架中心穿過(guò)時(shí)，由電磁感應(yīng)定律可知線圈的兩端會(huì)感生出與電流變化率成比例的電壓，表達(dá)式為：根據(jù)安培環(huán)路定理：和，可得：(3-1)其中：M為線圈與被測(cè)電流的互感；N為線圈匝數(shù)；A為骨架截面積；0為真空中的磁導(dǎo)率，為穿過(guò)單匝線圈的磁通；為感應(yīng)電壓；為被測(cè)電流；B為磁感強(qiáng)度。式(3-1)表明：被測(cè)電流與線圈感應(yīng)電壓之間是微分關(guān)系，線圈實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)

32、微分環(huán)節(jié)。為了準(zhǔn)確的再現(xiàn)電流波形，必須建立傳感頭的精確等效電路模型。針對(duì)傳感頭等效電路，對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行精確的積分還原。e ： 感生電壓；N ： 繞線匝數(shù)密度；A ： 線圈截面積；M： 線圈互感； 0：空氣相對(duì)磁導(dǎo)率； 圖3-2羅氏線圈測(cè)量系統(tǒng)3.3 Rogowski線圈與傳統(tǒng)電流互感器的比較 實(shí)際羅氏線圈照片 長(zhǎng)期以來(lái)，電流互感器在繼電保護(hù)和電流測(cè)量中具有不可替代的地位，但在保護(hù)作用的同時(shí)，電流互感器的飽和問(wèn)題卻一直困擾著人們。當(dāng)電流互感器飽和時(shí)，二幾次信號(hào)發(fā)生畸變引起繼電器誤動(dòng)作。造成電流互感器飽和的主要成分是一次電流的直流成分。在短路故障的暫態(tài)過(guò)程中，由于直流分量而使得暫態(tài)磁通比穩(wěn)態(tài)磁通大

33、許多倍而飽和，使勵(lì)磁電流猛的增加，誤差很大，影響到快速繼電保護(hù)裝置的正確動(dòng)作。另外，閉和鐵芯中很可能有較大的剩磁，如果剩磁的極性與暫態(tài)磁通的直流分量的極性相同，鐵芯飽和就會(huì)更加嚴(yán)重。這種剩磁可以通過(guò)開(kāi)氣隙加以改善，但仍不盡人意，因?yàn)檫@樣設(shè)計(jì)出來(lái)的鐵芯繞組往往體積大重量重。隨著微機(jī)的普及，在繼電保護(hù)和測(cè)量中應(yīng)用微機(jī)己經(jīng)是不可逆轉(zhuǎn)的潮流，設(shè)備不再需要高功率輸出的電流互感器。這樣一來(lái)，低功率輸出、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性度良好的Rogowski線圈在某些場(chǎng)合下，可以作為傳統(tǒng)電流互感器的代用品。 與傳統(tǒng)電流互感器相比，Rogowski線圈有以下優(yōu)點(diǎn):(1)測(cè)量精度高:精度可設(shè)計(jì)到高于0.1%，一般為10k3%；

34、(2)測(cè)量范圍寬:由于沒(méi)有鐵芯飽和，同樣的繞組可用來(lái)測(cè)量的電流范圍可從幾安培到幾千安培；(3)頻率范圍寬:一般可設(shè)計(jì)到0.川z到IMllz，特殊的可設(shè)計(jì)到ZOOMllz的帶通；(4)可以測(cè)量其他技術(shù)不能使用的受限制領(lǐng)域的小電流；(5)生產(chǎn)制造成本低。3.4 羅氏線圈的等效電路 羅氏線圈等效電路Rt為外加負(fù)荷電阻 ,L為線圈等效自感，C為線圈等效雜散電容 ,r為線圈等效電阻 。線圈電感、電容計(jì)算公式為： (3-2) (3-3)其中，為線圈線匝截面積；為真空磁導(dǎo)率；為骨架芯相對(duì)磁導(dǎo)率；l為導(dǎo)線長(zhǎng)度是線圈的自然角頻率.其傳遞函數(shù)為：H(s)=Uout(s)/I(s)=AMs/(T2S2+T1s+1)

35、其中A=Rt/Rt+R0，T22=L0C0Rf，T1=L0+L0C0Rt/Rt+R0為簡(jiǎn)化分析忽略線圈的雜散電容,則T2=0，Tt=L0/R0+Rt則H(s)=Uout(s)/I(s)=RtMTs/L0(Ts+1)其中T=L0/Rt+R0，令1=1/T（1） 當(dāng)>>1,即L0>>R0+Rt，則H(s)RtM/L0，線圈相當(dāng)于一個(gè)比例環(huán)節(jié)，自感L0祈禱內(nèi)部積分作用，這樣無(wú)需外加積分電路。我們稱這種為自積分型，要滿足L0>>R0+Rt，不妨設(shè)Rt 0，此內(nèi)線圈測(cè)量機(jī)理與傳統(tǒng)CT相同，適合測(cè)量f>>1/2的高頻電流。（2） 當(dāng)<<1,即L0

36、<<R0+Rt，則H(s)SM.此種線圈相當(dāng)于一個(gè)微分電路，Rf接近無(wú)窮大。線圈輸出電壓超前一次電流900，需要外加積分器來(lái)補(bǔ)償相角差。3.5本章小結(jié) 本章介紹了羅氏線圈的基本結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，并把羅氏線圈與傳統(tǒng)的CT進(jìn)行了比較得出低功率輸出、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性度良好的Rogowski線圈在某些場(chǎng)合下，可以作為傳統(tǒng)電流互感器的代用品。并得出自積分和外積分適用情況。 第4章 傳感頭的頻率特性分析與積分器設(shè)計(jì)4.1 傳感頭的傳遞函數(shù) H(s)=Uout(s)/I(s)=MS/L0C0S2+(L0/Rt+R0C0)S+（R0/Rt+1) 由Cooper.J于1963年發(fā)表的文獻(xiàn)可知，在高頻條件

37、下，當(dāng)被測(cè)電流處于環(huán)形線圈中心對(duì)稱位置，且無(wú)外部電流干擾情況下，傳感頭傳遞函數(shù)為：(4-1)其中，；Ut為終端電壓；Rt為終端電阻；r和L是線圈的電阻和自感；C和G分別是傳感頭電容和導(dǎo)納。通常r和G都小到可以忽略，這種情況下，為線圈在頻率為時(shí)的延遲角，是線圈的自然角頻率；由歐拉公式得：(4-2)式(2-2)推導(dǎo)為： (4-3)其中為線圈在通頻帶上的等效互感；為線圈特征阻抗。下面分情況討論：(1)頻率特性在條件下，式(2-6)中的從10變化，可將用代替因此可將傳感頭輸出電壓與被測(cè)電流間的傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)為式(4-4)： (4-4)其中：；選擇Rt使線圈具有合適的阻尼，可在頻段內(nèi)滿足。該頻段內(nèi)為微分環(huán)

38、節(jié)，此時(shí)可用外部積分的方法還原被測(cè)電流信號(hào)。若選擇，則為比例環(huán)節(jié)，這是自積分式線圈的典型表達(dá)式。該式成立的條件是。因?yàn)樵诜秶鷥?nèi)有，因此自積分適用的頻帶為。4.2 終端電阻Rt的選取從式子(4-4)所示的傳遞函數(shù)可以看出：選擇不同的Rt將決定、或，對(duì)應(yīng)的方程：解的情況分別為：兩個(gè)不同實(shí)數(shù)根、唯一實(shí)數(shù)根和兩個(gè)虛數(shù)根三種不同情況。其中唯一解對(duì)應(yīng)著該環(huán)節(jié)頻率特性的轉(zhuǎn)折頻率，這使外部積分的檢測(cè)方式在最大程度上利用了上限帶寬fc=1/4LC然而，由于fc處相頻特性超前(如圖2-9所示)，實(shí)際應(yīng)用中被測(cè)信號(hào)的上限頻率通常處于0.2倍fc處，這樣才能保證幅值和相角的測(cè)量均準(zhǔn)確。當(dāng)選擇Rt使時(shí)(傳感頭處于欠阻尼

39、狀態(tài))，仍有轉(zhuǎn)折頻率但幅頻特性會(huì)隨減小而在處產(chǎn)生尖峰，導(dǎo)致外積分段的上限頻率處有振蕩，但由于此時(shí)的相頻特性獲得改善，在接近處的有效頻帶甚至更高，因此實(shí)際中通常在此范圍選取外積分的阻尼。當(dāng)選擇Rt使時(shí)(傳感頭處于欠阻尼狀態(tài))，仍有轉(zhuǎn)折頻率但幅頻特性會(huì)隨減小而在處產(chǎn)生尖峰，導(dǎo)致外積分段的上限頻率處有振蕩，但由于此時(shí)的相頻特性獲得改善，在接近處的有效頻帶甚至更高，因此實(shí)際中通常在此范圍選取外積分的阻尼。當(dāng)時(shí)(傳感頭處于過(guò)阻尼狀態(tài))，傳感頭頻率特性：(4-5)有兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率和，其中高頻轉(zhuǎn)折頻率大于，因此已無(wú)討論意義；如圖所示，低頻轉(zhuǎn)折頻率會(huì)隨Rt減小而向低頻移動(dòng)；小于的頻段內(nèi)仍可用外積分形式處理，而以

40、上的頻段則需要用自積分的形式。因此是外積分線圈的上限頻率，同時(shí)也是自積分線圈的下限頻率。通過(guò)上面兩節(jié)內(nèi)容的討論，在頻率段，傳感頭可用圖中的電路等效。在全部頻帶上傳感頭幅頻特性由圖2-5所示。傳感頭在不同頻率段內(nèi)表現(xiàn)出不同可見(jiàn)線圈在 Z o 一定的情況下，Rt 取值越小，自積分線圈下限頻率越低。當(dāng)然，下限頻率無(wú)法做到十分低，否則靈敏度將隨之降低；況且，當(dāng) Rt 取值低于一定值時(shí)，線圈的寄生電阻將不可忽略。此外，一個(gè)在高頻條件下無(wú)電感的低阻值電阻在實(shí)際應(yīng)用中也很難選取 。的頻率特性。其中終端電阻的選取，將傳感頭幅頻特性依頻率分為三個(gè)區(qū)域：微分特性區(qū)；比例特性區(qū)；振蕩區(qū)。因此，需要有針對(duì)性地設(shè)計(jì)出相

41、應(yīng)的外部信號(hào)處理電路。在圖中區(qū)的頻率范圍內(nèi)，傳感頭表現(xiàn)出微分特性，要求對(duì)傳感頭的輸出信號(hào)進(jìn)行積分還原，即采用通常定義的外積分工作方式，才能復(fù)現(xiàn)被測(cè)電流；在區(qū)的頻率范圍內(nèi)，傳感頭輸出電壓與被測(cè)電流信號(hào)成比例關(guān)系。終端電阻輸出電壓波形與被測(cè)電流成正比，可以直接反映被測(cè)電流波形，這就是通常定義的自積分工作方式。傳感頭在區(qū)表現(xiàn)出震蕩特性，在特定頻率點(diǎn)表現(xiàn)出諧振特性，這時(shí)只能利用自積分形式在相應(yīng)頻率點(diǎn)采集正弦波形。測(cè)量此頻段內(nèi)的任意波形需要復(fù)雜的還原技術(shù)，目前還只停留在理論研究上。且震蕩區(qū)通常已經(jīng)處于極高的頻段范圍，實(shí)際測(cè)量中并不需要。由以上分析可得：實(shí)際應(yīng)用中，羅氏線圈傳感頭具有微分和比例兩個(gè)工作特性

42、區(qū)。對(duì)傳感頭信號(hào)的后續(xù)處理電路需要針對(duì)這兩個(gè)特性區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖4-1 傳感頭整體頻率特性 以下是一個(gè) 100 匝的矩形骨架線圈，其傳感頭參數(shù)見(jiàn)表 1，其自然角頻率為 2.8MHz。表2-1 羅氏線圈傳感頭參數(shù)表匝數(shù)N自感L/uH內(nèi)阻r/寄生電容C/pF互感M/nH上限頻率/MHz100390.92103902.8平均大徑/mm平均小徑/mm厚度繞線線徑特征阻抗6620250.6431電阻 Rt分別取1K，400,20， 1，0.5如圖4-2圖4-2當(dāng)Rt不同時(shí)，傳感頭的bode圖（Rt越小，自積分低頻下限變?。?.3 羅氏線圈的兩種類型4.3.1 自積分羅氏線圈羅氏線圈傳感頭接上終端電阻Rt/

43、后，可將整個(gè)傳感回路用圖2-6所示集總參數(shù)電路表示。其中，i2(t)/A線圈中流過(guò)的感應(yīng)電流，L/H、r/和C/F分別為線圈的自感系數(shù)、內(nèi)阻和分布電容，/V為終端電阻端電壓，C值通常很小可以忽略，則有電路方程： (4-6)(4-7) 圖4-3 羅氏線圈等效電路測(cè)量回路 討論(4-7)式右邊兩項(xiàng)的大小關(guān)系，如果滿足：>>(即，第工作區(qū))時(shí)，稱這種羅氏線圈為自積分式羅氏線圈，則(4-7)化簡(jiǎn)為：因此，被測(cè)電流i2(t)可以表示為：羅氏線圈的自感和互感系數(shù)滿足：式中N為羅氏線圈的小線匝匝數(shù)?？傻帽粶y(cè)電流為： (4-8)其傳遞函數(shù)為： (4-9)在上一節(jié)對(duì)傳感頭頻率特性的分析中，當(dāng)(即取較

44、小值)傳感頭處于過(guò)阻尼狀態(tài)時(shí)，在轉(zhuǎn)折頻率以上的頻段即傳感頭頻率特性區(qū)內(nèi)，線圈的傳遞函數(shù)具有增益的比例特性。該頻率段即為羅氏線圈的自積分模式工作頻段。為自積分模式的下限工作頻率。因此，條件>>與在終端電阻過(guò)阻尼前提下是等效的。由靈敏度與條件，可見(jiàn)自積分模式的靈敏度與下限頻率之間是一對(duì)矛盾。在保證一定靈敏度數(shù)值的基礎(chǔ)上，下限頻率受到限制，無(wú)法達(dá)到很低。此外，當(dāng)Rt取值低于一定值時(shí)，線圈自身的寄生電阻將不可忽略，一個(gè)在高頻條件下無(wú)感的低阻值電阻在實(shí)際中也是很難選取的。這樣，要滿足頻率>>，則需要很小，保證羅氏線圈工作在自積分頻率段，即傳感頭頻帶區(qū)；又需要達(dá)到一定靈敏度數(shù)值和考

45、慮實(shí)際電阻取值，所以工作在自積分模式下的終端電阻的選取受多方面的制約，導(dǎo)致自積分羅氏線圈的工作帶寬較窄。自積分羅氏線圈線圈可以等效為一個(gè)的電流傳感器。其靈敏度與終端電阻成正比，與線圈總匝數(shù)成反比。由于很小，靈敏度不會(huì)高，同時(shí)帶寬在多種條件限制下較窄，所以這種線圈較適于應(yīng)用在測(cè)量高頻窄脈沖(小于1微秒)電流(幾百千安)的場(chǎng)合。4.3.2 外積分羅氏線圈在頻段內(nèi)，對(duì)于式子(2-10)：當(dāng)時(shí)，稱這種羅氏線圈為外積分式羅氏線圈。此時(shí)式(2-10)化簡(jiǎn)為：由于流過(guò)羅氏線圈的感應(yīng)電流為：式中為終端電阻的端電壓。結(jié)合式(2-9)可得；兩邊積分，被測(cè)電流可以表示為：(4-10)外積分羅氏線圈工作在傳感頭頻率特

46、性的區(qū)內(nèi)。為滿足，可取或取終端電阻值較大。當(dāng)羅氏線圈外接較大終端電阻之后，傳感頭處于欠阻尼狀態(tài)。使得傳感頭微分特性區(qū)頻率上限與線圈的自然角頻率重合，即。此時(shí)的傳感頭幅頻特性不存在區(qū)，具有大帶寬的微分特性曲。在此工作頻帶內(nèi)，傳感頭實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)微分環(huán)節(jié)。要使輸出信號(hào)還原為被測(cè)電流形狀，就必須后接積分電路，將端電壓還原為被測(cè)電流的波形。因此，工作在欠阻尼狀態(tài)下微分特性曲的羅氏線圈被稱作外積分模式。由以上討論，自積分羅氏線圈工作帶寬高于外積分羅氏線圈工作帶寬。自積分式羅氏線圈的工作帶寬圍繞在自然角頻率附近。在有靈敏度等設(shè)計(jì)要求的前提下，自積分式羅氏線圈的工作帶寬有限。外積分式羅氏線圈的上限帶寬由終

47、端電阻決定，傳感頭處于欠阻尼狀態(tài)時(shí)，最高可逼近自然角頻率處。通過(guò)改變傳感頭結(jié)構(gòu)參數(shù)可以改變電磁參數(shù)，提高傳感頭的自然角頻率，從而使外積分模式的上限頻率達(dá)到希望值。此外，自積分式羅氏線圈的精確度不高，并且容易受到干擾磁場(chǎng)的影響，屬于較粗糙的測(cè)量手段。這樣自積分式羅氏線圈就不能對(duì)RSD脈沖放電平臺(tái)中的各環(huán)節(jié)電流進(jìn)行檢測(cè)，不能提供精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。因此，本文將設(shè)計(jì)工作模式確定為外積分工作模式，并將傳感頭終端電阻設(shè)置為欠阻尼狀態(tài)。羅氏線圈工作在傳感頭匹配欠阻尼終端電阻下的微分特性區(qū)(區(qū))，此時(shí)傳感頭具有從自然角頻率到直流的通頻帶微分特性區(qū)。對(duì)微分特性區(qū)的被測(cè)電流采用合理的積分還原處理，就可以得到良好的測(cè)

48、量結(jié)果。外積分模式中積分還原電路有很多實(shí)現(xiàn)形式，如無(wú)源RC外積分、有源外積分等。還可根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求和使用環(huán)境匹配各種附加電路，外積分工作模式的多種電路結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式，使得外積分羅氏線圈能夠完成多種領(lǐng)域的電流測(cè)量任務(wù)。4.4積分器的設(shè)計(jì)理想的積分器是零噪聲零漂移，所以我們希望盡量得到理想的后續(xù)積分電路。有源的總是有干擾，有噪聲的。所以我們希望可以用無(wú)源積分器。4.4.1 無(wú)源RC外積分結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)原理當(dāng)羅氏線圈的傳感頭輸出端匹配合適的終端電阻之后(外積分工作模式傳感頭匹配終端電阻處于欠阻尼狀態(tài))，傳感頭具有從直流到自然角頻率的微分特性區(qū)(區(qū))。對(duì)于微分特性區(qū)，需要進(jìn)行積分還原處理。在眾多的積

49、分方式中，無(wú)源RC積分是最簡(jiǎn)單的積分方式。下圖是無(wú)源RC積分方式下的羅氏線圈傳感器等效電路圖：圖4-4 無(wú)源RC積分羅氏線圈電路結(jié)構(gòu)其中，e(t)為線圈感生電勢(shì)，有(4-11)RP值相對(duì)于Rt很大(RP>>Rt)，RC積分部分可以看作開(kāi)路，C和r值很小可以忽略，有：(4-12)在外積分條件下：，上式化簡(jiǎn)為：由上面的公式得到：對(duì)于RC積分回路：當(dāng)處于的范圍內(nèi)，有，于是有：推導(dǎo)得：于是 (4-13)無(wú)源RC積分的傳遞函數(shù)為：，(4-14)在高頻段具有積分特性，將傳感頭的微分環(huán)節(jié)校正為比例環(huán)節(jié)。因此無(wú)源外積分方式適合工作在傳感頭特性區(qū)中高頻段處。推算得下限頻率；上限頻率由決定，當(dāng)匹配欠阻

50、尼狀態(tài)終端電阻時(shí)，即，則上限頻率為。由此可知,羅氏線圈工作在無(wú)源RC外積分模式下，測(cè)量電路的下限頻率決定于積分電路時(shí)間常數(shù)，上限頻率決定于傳感頭的自然角頻率。傳感頭經(jīng)積分校正后，組成的無(wú)源外積分羅氏線圈傳感器整體傳遞函數(shù)為：(3-5)工作帶寬范圍內(nèi)羅氏線圈傳感器的整體靈敏度為：(3-6)可見(jiàn)：無(wú)源RC積分線圈下限工作頻率的降低與靈敏度的提高是一對(duì)矛盾，在靈敏度表達(dá)式中兩者互成反比。對(duì)于特定的傳感頭，在設(shè)計(jì)靈敏度目標(biāo)已經(jīng)確定的前提下，積分時(shí)間常數(shù)被間接的決定了。因此，不能同時(shí)獲得較高的靈敏度和較低的下限工作頻率。所以只有當(dāng)信號(hào)周期T<<RC的信號(hào)才能得到近似的積分效果。且此時(shí)輸出電壓

51、的幅值較小，對(duì)提高信噪比不利。其實(shí)也就是，在低頻的時(shí)候，無(wú)源無(wú)法收集信號(hào)，因?yàn)楸緛?lái)信號(hào)就很弱，無(wú)源阻抗有限，而有源運(yùn)放阻抗無(wú)窮大，可以適用低頻信號(hào)。4.4.2有源外積分 傳統(tǒng)上用高性能運(yùn)算放大器構(gòu)建模擬積分器，圖3-5為理想模擬積分器的結(jié)構(gòu)。電壓信號(hào)經(jīng)模擬積分器后被還原為正比于電流的信號(hào)e1，即 e1=-1/RCe(t)dt=Rsi 式中Rs=M/RC是傳感器的靈敏度，R為積分器電阻；為積分器電容。 圖4-5普通有源積分器電路及幅頻特性羅氏線圈截面相對(duì)較小，很容易繞在導(dǎo)體設(shè)備上形成閉合。因此適合應(yīng)用于電力電子設(shè)備，因?yàn)檫@些設(shè)備安裝緊湊，傳感器基本上不改變電路結(jié)構(gòu)，不影響電路性能。在測(cè)幾百A以上

52、電流時(shí)，CT等交流傳感器體積更大。羅氏線圈測(cè)量原理屬于電氣隔離的、非插入式的測(cè)量。對(duì)于電力電子中的直流波形，羅氏線圈不能夠復(fù)現(xiàn)，這是原理上的缺陷。為了得到瞬時(shí)的與電流成比例的輸出電壓，需要對(duì)感生電壓進(jìn)行積分。圖4-6所示為一個(gè)與積分電容并聯(lián)的電阻構(gòu)成的簡(jiǎn)單積分器。以滿足積分器增益的低頻限制。積分電阻的加入避免了傳輸線電容對(duì)線圈高頻帶寬的削減。 圖4-6有低頻限制簡(jiǎn)單積分器的羅氏線圈等效電路羅氏線圈的使用難度主要是在較低頻率比如50Hz時(shí)，積分器的低頻增益過(guò)高，以至于集成電路固有的低頻噪聲和溫漂在此時(shí)被顯著放大。對(duì)于一個(gè)給定的線圈，噪聲來(lái)自于噪聲電流，隨著被測(cè)電流的減小，信噪比也越來(lái)越小。我們可以通過(guò)增加線匝或增大線圈截面來(lái)改善靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償。增加匝數(shù)除提高了制作難度外，更重要的是由于增加了線圈電感而減小了高頻帶