A型地鐵車輛的磁調(diào)制式差動電流傳感器_圖文

1、 52收稿日期：2007-12-19機 車 電 傳 動ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES3, 2008May 10, 20082008年第3期 2008年5月10日城市軌道車輛 作者簡介：蔣曉東（1967-），男，高級工程師，現(xiàn)主要從事電量傳感器的研究和開發(fā)工作。摘要：分析了磁調(diào)制式差動電流傳感器在A 型地鐵車輛高壓柜電路中的功能，闡述了高導(dǎo)磁環(huán)形鎳鐵合金鐵心線圈構(gòu)成的差動電流傳感器的電路原理，并簡要介紹了該差動電流傳感器的外形結(jié)構(gòu)和材料特點，列出了傳感器的主要技術(shù)參數(shù)，運用證明該差動電流傳感器工作性能可靠、穩(wěn)定。文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-128X(2008

2、03-0052-03Differential Current Sensor with Magnetic Modulation forA Type Metro VehicleJIANG Xiao-dong， LIAN Qi-xing(Electric Quantity Businiss Unit, Ningbo CSR Times Sensor Technology Co., Ltd., Ningbo, Zhejiang 315021, ChinaAbstract:The functions of the differential current sensor with magnetic mod

3、ulation are analyzed when applied to the high voltagecabinet of A type metro vehicle. It is explained the circuit principle of the differential current sensor, which is composed of nickel-iron corewires with high-conductance magnetic ring. The external structure and material characteristics are intr

4、oduced briefly for the current sensor.Main technical parameters are listed. Applications show that the differential current sensor is reliable and stable.Key words:inverter; metro vehicle; differential current sensor; ground pretection0引言目前國內(nèi)上海、廣州、深圳等大城市的A 型地鐵車輛大部分為4動2拖的6節(jié)編組方式，每節(jié)動車裝有1臺VVVF 牽引逆變器，向每節(jié)

5、動車4臺并聯(lián)的牽引電機提供電源，并可根據(jù)電網(wǎng)電壓實現(xiàn)再生或電阻制動。為了對牽引逆變器的各種接地故障進(jìn)行檢測和保護，廣州地鐵1號線ADTRANS-SIEMENS 公司聯(lián)合生產(chǎn)的地鐵車輛牽引逆變器及我國新研制的目前正在上海進(jìn)行調(diào)試試驗的國產(chǎn)化A 型地鐵車輛牽引逆變器均采用了磁調(diào)制式差動電流傳感器的檢測方式，通過檢測牽引逆變器輸入和輸出電路的電流差值來計算接地故障時的漏電流并采取相應(yīng)的保護措施，以保證地鐵車輛的正常運行。1差動電流傳感器的功能廣州地鐵1號線地鐵車輛及目前新研制成功的國產(chǎn)化A 型地鐵車輛牽引逆變器電路分為高壓柜和牽引逆變器柜兩大部分。其中高壓柜的原理圖見圖1。A 1差動電流傳感器；U

6、1電網(wǎng)網(wǎng)壓檢測電壓傳感器；K 1高速斷路器；L 直流電抗器；C 1支撐電容器圖1高壓柜電路簡圖（虛框內(nèi)）53在圖1中，差動電流傳感器A1用來對各種接地故障進(jìn)行檢測，并采取保護措施。該差動電流傳感器有1A 和50A 2個電流差監(jiān)測閥值，如果電流差值超過了對應(yīng)的閥值1A ，繼電器斷開，并封鎖逆變電路IGBT 的觸發(fā)脈沖；如果牽引逆變器主電路接地或電機接地，則可能產(chǎn)生大于50A 的電流差，另一繼電器也斷開，聯(lián)鎖的保護信號將車輛的高速斷路器斷開，從而起到接地保護的作用。2磁調(diào)制式差動電流傳感器的基本工作原理廣州地鐵1號線地鐵車輛及國產(chǎn)化A 型地鐵車輛所使用的差動電流傳感器工作原理與NCV1系列電壓傳感

7、器相同，均為磁調(diào)制式，傳感器內(nèi)部由高導(dǎo)磁環(huán)形鎳鐵合金鐵心線圈和電子電路構(gòu)成其基本電路。高導(dǎo)磁鎳鐵合金（通稱坡莫合金）具有極高的導(dǎo)磁率和矩形磁滯回線。關(guān)于高導(dǎo)磁鐵心線圈的工作原理及其數(shù)學(xué)表達(dá)式在文獻(xiàn)1中已經(jīng)有詳細(xì)論述，這里不再重復(fù)。圖2為該磁調(diào)制式差動電流傳感器的基本原理框圖，此圖中RC 電路、鐵心線圈L1和N1組成了本差動電流傳感器的自激振蕩電路，通過電路N1產(chǎn)生正負(fù)半波對稱的方波電壓，該電壓再作用于鐵心的線圈L1，每當(dāng)鐵心進(jìn)入飽和，線圈電流i L1的尖峰值促使N1翻轉(zhuǎn)（見圖3），改變輸出電壓的極性。方波電壓頻率為f （S 為環(huán)形鐵心截面積，B m 為飽和磁感應(yīng)強度，環(huán)形鐵心的2個線圈匝數(shù) n

8、 1=n 2n 。）。電路N2補償鐵心線圈產(chǎn)生的尖峰電流和勵磁電流，使i L2與i n 的合成電流更接近于i 1。線圈L2中流過的電流i L2與電流i 1產(chǎn)生的磁勢方向相同，因此鐵心總處于飽和狀態(tài)。放大器N3輸出的電壓信號與電流補償環(huán)節(jié)產(chǎn)生的方波電壓信號相迭加產(chǎn)生去除交流方波分量的直流電流i s1。i s1經(jīng)過精密整流電路后統(tǒng)一成為正電流信號i 0，其相對于電源零線正電壓信號u 0送到比較器1和比較器2，與比較器中設(shè)定的電壓閥值進(jìn)行比較，分別控制晶體管V1和V2的導(dǎo)通或關(guān)斷，從而達(dá)到控制差動電流傳感器外接的繼電器線圈K1和K2導(dǎo)通或關(guān)斷的目的。由于差動電流傳感器的鐵心線圈與NCV1系列電壓傳感

9、器相比有很大的不同，一次側(cè)的輸入電流情況也不一樣，故根據(jù)上述公式f 對傳感器的工作頻率進(jìn)行了調(diào)整，降低了整個系統(tǒng)的方波頻率，以提高傳感器電路系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。傳感器的工作電源為24V ，而該24V 電源經(jīng)過傳感器內(nèi)部的三端穩(wěn)壓電路模塊，變成供給整個傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定的15V 電源，以保證系統(tǒng)的可靠運行。在圖4中的TVS 二極管V01和電容C01組成的浪涌吸收電路可對工作電源的浪涌電壓進(jìn)行吸收，使傳感器內(nèi)部電路的器件不受損壞。3外形結(jié)構(gòu)及材料特點圖2中傳感器的一次側(cè)電流i 1實際上是圖1中傳感器A1的兩電流i x 和i y 的差值，即i 1=i x -i y 。圖1中的電流i x 和i y 實際分別

10、流過如圖5所示長度為358mm 和206mm 的方母排產(chǎn)生電流差信號i 1。這2個母排分別接到1500V 和0V 的輸入電源上。傳感器內(nèi)部工作電源的三端穩(wěn)壓器件被安裝在傳感器上部的散熱器上，傳感器二次側(cè)的對外接線則通過AMP 公司的標(biāo)準(zhǔn)9芯連接器完成。傳感器底腳的4個安裝孔可用M8的螺釘來固定整個傳感器。圖3傳感器各點電流電壓波形 圖圖4差動電流傳感器內(nèi)部工作電源圖5磁調(diào)制式差動電流傳感器外形結(jié)構(gòu) 圖蔣曉東，連奇幸：A 型地鐵車輛的磁調(diào)制式差動電流傳感器第3期圖2磁調(diào)制式差動電流傳感器原理框圖54自2003年韓國大邱地鐵失火事件后，國內(nèi)城市軌道交通車輛對該傳感器電器配件的非金屬材料提出了阻燃特

11、性的要求。按國產(chǎn)化A 型地鐵車輛為“常在隧道中運行的車輛”這一特征，根據(jù)NFF 16-101/102“RailwayRolling Stock Fire Behavior Choice of Materials”的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合磁調(diào)制式差動電流傳感器的外形尺寸和質(zhì)量大小，傳感器的非金屬材料阻燃特性的最低要求為I3 F2級。故對于傳感器外殼，可按要求選擇美國GE 高新材料集團生產(chǎn)的PPO 塑料材料；而對于內(nèi)部的灌封材料，由于由國內(nèi)的廠家生產(chǎn)，必須按要求對材料進(jìn)行取樣，并送法國相關(guān)的鐵路材料實驗室化驗，符合要求才能使用。用于本傳感器內(nèi)部灌封的硅膠材料經(jīng)過法國方面的檢驗，阻燃特性達(dá)到了I1 F0級，遠(yuǎn)高

12、于前面所提到的I3 F2級，故完全符合國產(chǎn)化A 型地鐵車輛電器關(guān)于配件的非金屬材料阻燃特性的要求。4 性能參數(shù)和運用分析國產(chǎn)化A 型地鐵車輛的差動電流傳感器適用于對流過電流傳感器一次側(cè)的電流方向相反的電流進(jìn)行差值檢測，一次側(cè)電路和二次側(cè)電路完全隔離，其特性參數(shù)見表1。從圖6可知，差動電流傳感器的24V 工作電源經(jīng)AMP 連接器的第1、2、3插針輸入，其7、8、9插針分別接繼電器線圈。按照表1中傳感器輸出電流小于33mA 的要求，連接器的第7腳插針分別對第8和第9腳的電壓約為24V ，則繼電器的功率應(yīng)不大于0.8W ，否則會使圖1中相關(guān)的V1、R1和V2、R2元件耗散功率過大而導(dǎo)致整個傳感器長期

13、工作的可靠性降低。該差動電流傳感器在研制初期就考慮了與國外同類產(chǎn)品的兼容性。研制成功后，為考核其工作性能，于2005年11月在廣州地鐵1號線ADTRANZ-SIEMENS 地鐵車輛1314的1B13車上裝車運行考核，證明該產(chǎn)品的性能及可靠性完全符合當(dāng)初的設(shè)計要求。目前，該傳感器已經(jīng)開始在上海地鐵1號線的直流車交流改造項目中批量使用，其改造完成的102號地鐵列車已經(jīng)完成調(diào)試，并開始在正線進(jìn)行載客運行。5 結(jié)語上海地鐵1號線原有的16列直流斬波車上采用的差動電流傳感器為霍爾磁平衡式，輸出為直流模擬信號，需要在車輛的DCU 控制系統(tǒng)中進(jìn)行后續(xù)處理。該型差動電流傳感器的缺點是輸出精度和抗干擾能力的局限性。而磁調(diào)制式差動電流傳感器對漏電流檢測的精度較高，抗干擾能力強。由于傳感器內(nèi)部已經(jīng)集成了對采樣信號的處理部分，故可簡化車輛DCU 控制部分的電路，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)：1蔣曉東. 新型N CV1系列電壓傳感器J . 機車電傳動, 2001(5.2胡引娥，程有平. 廣州地鐵1號線車輛的牽引逆變器J . 機車電傳動，2003（1）.表1 磁調(diào)制式差動電流傳感器主要技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)基準(zhǔn)1：1A; 基準(zhǔn)2：50A10%（-25+70）I PDT =1A ，約1s; I PDT =50A ，約200ms33m