中心議題：

• 直流傳感器回饋補償係統設計

解決方案：

• 建立磁勢自平衡回饋補償式直流傳感機理與方法
• 在電抗器鐵心的空腔內設置零安匝檢測鐵心和線圈

本ben課ke題ti建jian立li了le一yi種zhong磁ci勢shi自zi平ping衡heng回hui饋kui補bu償chang式shi直zhi流liu傳chuan感gan機ji理li與yu方fang法fa。磁ci勢shi自zi平ping衡heng回hui饋kui補bu償chang式shi直zhi流liu傳chuan感gan機ji理li與yu方fang法fa既ji具ju有you直zhi流liu閉bi環huan測ce量liang原yuan理li準zhun確que度du高gao、線性度好、抗幹擾能力強的優點，也具有開環測量原理電路結構調試簡單、消除大功率驅動的困惑
、且不存在係統振蕩向題的優點。這種測量方法在原理上表現了新穎的特征：由串聯型直流電流互感器工作原理可知
，同名端對接的兩個飽和電抗器在交流電源的正、負(fu)半(ban)周(zhou)內(nei)
，各(ge)自(zi)維(wei)持(chi)一(yi)次(ci)直(zhi)流(liu)被(bei)測(ce)電(dian)流(liu)與(yu)二(er)次(ci)電(dian)流(liu)之(zhi)間(jian)的(de)磁(ci)動(dong)勢(shi)平(ping)衡(heng)
，即(ji)在(zai)其(qi)半(ban)個(ge)周(zhou)期(qi)內(nei)由(you)一(yi)個(ge)鐵(tie)心(xin)和(he)線(xian)圈(quan)構(gou)成(cheng)的(de)一(yi)個(ge)電(dian)抗(kang)器(qi)就(jiu)可(ke)以(yi)自(zi)動(dong)建(jian)立(li)此(ci)時(shi)一(yi)
、二er次ci之zhi間jian的de直zhi流liu磁ci勢shi平ping衡heng。但dan這zhe種zhong磁ci勢shi平ping衡heng沒mei有you閉bi環huan係xi統tong磁ci勢shi平ping衡heng的de準zhun確que度du高gao，我wo們men就jiu用yong差cha值zhi電dian流liu補bu償chang的de方fang法fa實shi現xian檢jian測ce鐵tie心xin線xian圈quan的de直zhi流liu零ling安an匝za補bu償chang。此ci時shi因yin一yi次ci被bei測ce電dian流liu磁ci勢shi絕jue大da部bu分fen已yi被bei電dian抗kang器qi直zhi接jie由you交jiao流liu電dian源yuan提ti供gong的de電dian流liu自zi動dong平ping衡heng掉diao，由you剩sheng餘yu磁ci勢shi檢jian測ce回hui饋kui的de補bu償chang電dian流liu就jiu很hen小xiao，電dian子zi模mo塊kuai的de功gong率lv小xiao，可ke靠kao性xing高gao。且qie該gai回hui饋kui係xi統tong的de補bu償chang電dian流liu具ju有you閉bi環huan係xi統tong自zi動dong跟gen蹤zong補bu償chang的de特te性xing。雖sui然ran該gai直zhi流liu磁ci勢shi平ping衡heng回hui路lu是shi工gong作zuo在zai半ban個ge周zhou期qi的de情qing況kuang下xia
，但dan經jing濾lv波bo電dian感gan濾lv波bo後hou，再zai加jia上shang差cha值zhi電dian流liu回hui饋kui補bu償chang係xi統tong補bu償chang的de電dian流liu，即ji可ke得de到dao希xi望wang的de電dian流liu。

引 言

長期以來，由於監視、計量、控(kong)製(zhi)企(qi)業(ye)生(sheng)產(chan)用(yong)電(dian)的(de)大(da)電(dian)流(liu)直(zhi)流(liu)在(zai)線(xian)測(ce)量(liang)裝(zhuang)置(zhi)缺(que)乏(fa)可(ke)靠(kao)的(de)計(ji)量(liang)保(bao)證(zheng)，儀(yi)器(qi)的(de)指(zhi)示(shi)值(zhi)僅(jin)作(zuo)為(wei)參(can)考(kao)數(shu)值(zhi)，這(zhe)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)到(dao)這(zhe)類(lei)國(guo)營(ying)大(da)中(zhong)型(xing)企(qi)業(ye)的(de)節(jie)能(neng)降(jiang)耗(hao)、jingjixiaoyi。yaogaibianzhezhongzhuangkuang，guanjiandeshiyaojizhongxianyoujizhongceliangyuanlideyoudian，kefuqiquedian，congyuanlishangtansuochuyizhongxinxingqiangdianzhiliuchuanganlilunyufangfa。

1 差值電流回饋補償原理

磁勢自平衡回饋補償式直流傳感器原理如圖1，圖中

，D1
、D2、D3為二極管;e1
、e2為激勵電壓;L1為濾波電感;Us為檢測繞組的輸出電壓。為提高直流傳感器的精度，引入差值電流補償回路
，將磁勢自平衡回路輸出安匝I2sW2與一次被測直流安匝I1W2之差作為補償電流回路的輸入，對磁勢自平衡回路進行自動跟蹤補償，由檢測鐵心C2和C3、檢測繞組WD1和WD2、補償繞組We、差值電流檢測單元以及運算放大及驅動器A構成的補償回路，是用於對一、二次直流磁勢之差的跟蹤補償。 為保持相位同步，磁勢自平衡回路與差值電流補償回路的激勵電源可采用同一個交流輔助電源。當差值電流所產生的磁動勢為0時

，兩個鐵心的激磁狀態相同，其內部磁通也相同，因此在一個周期內兩檢測線圈的平均阻抗也相同，使得差值補償回路輸出電壓為0。當差值電流所產生的磁動勢(I1W1-I2sW2)>0時，在左邊的檢測鐵心C2中，由差值電流產生的磁動勢與激勵電流在檢測鐵心中產生的磁動勢iWD1反向疊加

，使該鐵心中的磁通遠離飽和。在右邊的檢測鐵心C3中
，差值電流產生的磁勢與激勵電流在檢測鐵心中產生的磁動勢iWD2同tong向xiang疊die加jia，使shi鐵tie心xin中zhong的de磁ci通tong趨qu於yu飽bao和he。於yu是shi在zai一yi個ge周zhou期qi內nei，兩liang個ge檢jian測ce鐵tie心xin線xian圈quan的de平ping均jun阻zu抗kang不bu相xiang等deng
，補bu償chang電dian路lu輸shu出chu一yi個ge電dian壓ya
，輸shu出chu的de電dian壓ya經jing運yun算suan放fang大da及ji驅qu動dong環huan節jie可ke得de所suo需xu的de補bu償chang電dian流liu磁ci勢shiI2eWe
，實現對一次被測電流和二次平衡電流磁勢差(I1W1-I2sW2)的補償。當(I1W1-I2sW2)<0時，左右鐵心的工作狀態正好相反
，使補償電路輸出一負電壓。
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2 差值電流回憤補償係統方塊圖

為wei了le更geng清qing楚chu地di表biao示shi一yi個ge自zi動dong控kong製zhi係xi統tong中zhong各ge組zu成cheng環huan節jie間jian的de相xiang互hu影ying響xiang和he信xin號hao聯lian係xi，便bian於yu係xi統tong的de分fen析xi研yan究jiu
，用yong方fang塊kuai圖tu來lai表biao示shi控kong製zhi係xi統tong的de組zu成cheng。差cha值zhi電dian流liu回hui饋kui補bu償chang係xi統tong的de方fang塊kuai圖tu如ru圖tu2所示。圖2中，K2為檢測繞組的傳遞函數;G2為功放增益;G3為補償繞組傳遞函數;G4為電導增益;G5為補償繞組增益。 2.1 差值電流補償回路的各級傳遞函數

2.1.1 檢測繞組的傳遞函數

檢測回路的輸入輸出特性見圖3。補bu償chang回hui路lu開kai環huan特te性xing隨sui著zhe直zhi流liu磁ci勢shi的de增zeng加jia趨qu於yu飽bao和he
，由you於yu一yi次ci被bei測ce直zhi流liu磁ci勢shi絕jue大da部bu分fen被bei二er次ci直zhi流liu磁ci勢shi自zi動dong平ping衡heng掉diao，剩sheng餘yu磁ci勢shi很hen小xiao

，補bu償chang回hui路lu的de開kai環huan特te性xing可ke近jin似si看kan成cheng一yi條tiao過guo原yuan點dian的de直zhi線xian。以yi(I1W1/W2-I2s)為橫坐標x

，以U為縱坐標y，可得：y=0.14461x。 2.1.2 PID控製係統

輸出的電流經過運算放大及驅動環節得到所需的補償電流磁勢I2eWe，運(yun)算(suan)放(fang)大(da)環(huan)節(jie)在(zai)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)屬(shu)於(yu)比(bi)例(li)控(kong)製(zhi)。比(bi)例(li)控(kong)製(zhi)的(de)最(zui)大(da)缺(que)點(dian)是(shi)存(cun)在(zai)餘(yu)差(cha)，當(dang)對(dui)控(kong)製(zhi)質(zhi)量(liang)有(you)更(geng)高(gao)要(yao)求(qiu)時(shi)，就(jiu)需(xu)要(yao)在(zai)比(bi)例(li)控(kong)製(zhi)基(ji)礎(chu)上(shang)，再(zai)加(jia)上(shang)能(neng)消(xiao)除(chu)餘(yu)差(cha)的(de)積(ji)分(fen)控(kong)製(zhi)作(zuo)用(yong)。微(wei)分(fen)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)即(ji)使(shi)偏(pian)差(cha)很(hen)小(xiao)，隻(zhi)要(yao)出(chu)現(xian)變(bian)化(hua)趨(qu)勢(shi)
，就(jiu)可(ke)馬(ma)上(shang)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)
，有(you)超(chao)前(qian)控(kong)製(zhi)的(de)特(te)點(dian)

，因(yin)此(ci)本(ben)文(wen)在(zai)差(cha)值(zhi)電(dian)流(liu)補(bu)償(chang)回(hui)路(lu)中(zhong)采(cai)用(yong)PID控製器。PID反饋電路如圖4所示，它既能快速進行控製，又能消除餘差，具有較好的控製性能。比例積分微分控製規律為： [page]
PID運算電路的工作過程如下：當輸入信號Ii有一階躍變化時，一開始CD、C1，相當於短路，輸入信號突跳至微分作用最大值。繼而隨著對CD的充電，負反饋電壓逐漸升高
，輸出電流I0逐漸衰減下來。與此同時，CI也被充電，隨著CI兩端電壓逐漸增加

，負反饋作用逐漸減小
，輸出電流I0又慢慢上升。在Ii階躍作用下，PID輸出特性曲線見圖5。
PID控製器的傳遞函數可表示為：G2(s)=KP(1+1/stI)(1+stD)
 
式中，比例作用KP=R2/R1=10，積分作用t1=R2C2，微分作用tD=R1C1。

2.1.3 反饋繞組傳遞函數

反饋繞組的傳遞函數用G3表示：G3=1/(Ls+R)=L=2.7418H

式中：R=25Ω，為反饋繞組回路總電阻;μ為鐵心導磁率
，H/m;A為鐵心截麵積，㎡;l為鐵心平均磁路長度，m;L=2.7418H

，為反饋繞組的自感;從為反饋繞組匝數。

阻抗增益：G4=1/R=0.06，反饋繞組的比例係數：G5=2000。

3 差值電流回饋補償係統的德定性分析

差值電流回饋補償係統的開環傳遞函數為：

閉環傳遞函數的特征方程為：

D(s)=sti(s+9.1)+264(1+st1)+(1+stD) =(264tDt1+t1)s2+(264(tD+t1)+9.1t1)s+264

差(cha)值(zhi)電(dian)流(liu)回(hui)饋(kui)補(bu)償(chang)係(xi)統(tong)是(shi)一(yi)個(ge)典(dian)型(xing)的(de)閉(bi)環(huan)係(xi)統(tong)。根(gen)據(ju)李(li)雅(ya)普(pu)諾(nuo)夫(fu)穩(wen)定(ding)性(xing)理(li)論(lun)，線(xian)性(xing)係(xi)統(tong)穩(wen)定(ding)的(de)充(chong)分(fen)必(bi)要(yao)條(tiao)件(jian)是(shi)閉(bi)環(huan)係(xi)統(tong)特(te)征(zheng)方(fang)程(cheng)的(de)根(gen)都(dou)具(ju)有(you)負(fu)實(shi)部(bu)，即(ji)閉(bi)環(huan)傳(chuan)遞(di)函(han)數(shu)的(de)極(ji)點(dian)均(jun)位(wei)於(yu)坐(zuo)標(biao)平(ping)麵(mian)左(zuo)半(ban)部(bu)(不包括虛軸)。但(dan)當(dang)係(xi)統(tong)階(jie)次(ci)較(jiao)高(gao)時(shi)
，在(zai)一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)，求(qiu)解(jie)其(qi)特(te)征(zheng)方(fang)程(cheng)會(hui)遇(yu)到(dao)較(jiao)大(da)的(de)困(kun)難(nan)。勞(lao)斯(si)及(ji)古(gu)爾(er)維(wei)茨(ci)穩(wen)定(ding)判(pan)據(ju)，可(ke)通(tong)過(guo)特(te)征(zheng)方(fang)程(cheng)的(de)根(gen)與(yu)各(ge)項(xiang)係(xi)數(shu)的(de)關(guan)係(xi)來(lai)判(pan)別(bie)係(xi)統(tong)的(de)特(te)征(zheng)根(gen)是(shi)否(fou)全(quan)部(bu)具(ju)有(you)負(fu)實(shi)部(bu)，從(cong)而(er)分(fen)析(xi)線(xian)性(xing)係(xi)統(tong)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)。

古爾維茨穩定判據求得係統穩定的充要條件：264tDt1+t1>0且264(tD+t1)+9.1t1>0，可見

，隻要tD>0，t1>0
，係統就是穩定的。

4 結 語

cishizipinghenghuikuibuchangshizhiliuchuanganqidecishipinghengyoutiexindejinsijuxingcihuaquxianjueding。qichazhidianliubuchangdianlu，zeshiliyongshuangxiangtiexincifangdaqidejibenyuanli，zaidiankangqitiexindekongqiangneishezhilinganzajiancetiexinhexianquan，yongyijiancegaibanzhouqineizhiliucishipinghengdeanzachayizidonggenzongbuchang。genjulaosizhenliedediyilieyuansufuhaojunweizhengzhikepanduanchazhihuikuibuchangxitongshiwendingde。