Оптимальная конструкция двойного воздуха

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 239 (2023) Цитировать эту статью

909 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Усовершенствованная сенсорная технология предоставляет точную информацию для прозрачного мониторинга и управления энергосистемой в реальном времени. Элементы туннельного магнитосопротивления (TMR) с высокой чувствительностью и линейностью представляют собой новые технические средства измерения тока в системах распределения электроэнергии постоянного тока среднего напряжения. В данной статье предлагается датчик тока TMR с двойным воздушным зазором и замкнутым контуром и метод его оптимального проектирования, основанный на минимальном коэффициенте однородности магнитного поля. Структура с двойным воздушным зазором уменьшает ошибку измерения, вызванную эксцентриситетом провода, а теория и моделирование минимального коэффициента однородности магнитного поля оптимизируют ключевые параметры, такие как внутренний радиус магнитного сердечника, расстояние до воздуха. -зазор и размер площади стороны сечения. В итоге был разработан прототип датчика с номинальным измерительным током ±50 А. Результаты эксперимента показывают, что относительная погрешность предлагаемого датчика тока ТМР составляет менее 0,2% при номинальном токе. Можно сделать вывод, что предложенный датчик оптимизированной конструкции эффективно повышает точность измерений.

Усовершенствованная сенсорная технология предоставляет точную информацию для мониторинга и управления энергосистемой. В последние годы с развитием устройств силовой электроники распределенные источники питания и нагрузки с силовыми электронными элементами, такие как фотоэлектрические элементы, аккумуляторные батареи и зарядные устройства для электромобилей, все чаще связаны с системами распределения электроэнергии. В результате в сеть попадает большое количество переходных сигналов, что затрудняет измерение и распознавание тока. Более высокие требования выдвигаются к датчикам тока с возможностью точного измерения больших токов постоянного тока, широкими частотными характеристиками и недорогой ценой1,2.

Возможными решениями являются датчики тока с магнитным датчиком, например Холла или туннельного магнитосопротивления (TMR). Датчик Холла существует уже несколько десятилетий и широко применяется. Однако датчику Холла присущи недостатки, такие как слабая чувствительность, низкая линейность, но чувствительность к температуре3,4. Магнитный чувствительный элемент TMR четвертого поколения имеет улучшенные характеристики по чувствительности, энергопотреблению и температурным характеристикам5,6,7. Датчики тока с элементами TMR — это новый и лучший выбор для измерения тока сложной формы, но необходимо решить некоторые технические проблемы, такие как структура датчика, настройка параметров и т. д.

Датчики тока TMR с разомкнутой структурой без железа были первой разработкой несколько лет назад. Сюй и др. разработал дифференциальный сверхминиатюрный магнитный датчик, способный измерять ток ± 150 А и погрешность эксперимента менее ± 2 % в диапазоне температур от − 40 °С до 105 °С2. Шао и др. применил датчик тока TMR для защиты от перегрузки по току биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) и предложил датчик тока TMR с кольцевой матрицей для измерения тока IGBT. Разработанный датчик тока может обнаружить перегрузку по току 120 А за время 604 нс8. Однако датчик тока TMR на основе разомкнутой структуры имеет два основных недостатка: во-первых, диапазон измерения датчика тока ограничен диапазоном линейности сенсорного элемента TMR, поэтому номинальный ток датчика тока этого типа ограничен в пределах примерно сто ампер. Во-вторых, этот тип датчика тока чувствителен к изменению температуры, а также к эксцентриситету токоведущего проводника.

Чтобы увеличить диапазон измерения тока и улучшить температурные характеристики, ученые интегрировали технологию нулевого потока в измерение тока9,10. Ян предложил датчик тока с обратной связью, основанный на принципе нулевого потока11, использующий магнитный сердечник и обмотку обратной связи для формирования структуры с обратной связью для улучшения чувствительности датчика и значительного уменьшения ошибок, вызванных температурой и гистерезисом. Однако в практических приложениях проводник с током иногда не находится в центре магнитной цепи. Датчик тока с обратной связью не очень устойчив к этой ошибке эксцентриситета12. Ченг и др. систематически анализировал различные характеристики магнитопровода для изучения факторов, влияющих на магнитопровод датчика тока замкнутого контура13. Стремясь решить проблему насыщения магнитного сердечника, Ли предложил схему с обратной связью без магнитного сердечника, которая непосредственно наматывает соленоид, состоящий из катушки обратной связи, на сенсорном элементе14. Роланд и др. предложил новый датчик тока без сердечника на основе матрицы датчиков кругового магнитного поля и применил принцип замкнутого контура к круговой матрице. Однако эта конструкция без сердечника чувствительна к помехам внешнего магнитного поля. Необходимо строго обеспечивать однородность витков, намотанных на кольцевую решетку15, чего трудно добиться при малозатратном массовом производстве. Кроме того, наличие поблизости мешающих проводников и размещение сенсорного элемента приведут к изменению интенсивности магнитной индукции, измеряемой в воздушном зазоре, что также повлияет на точность измерений сенсора16. Конкретный источник ошибки измерения все еще требует глубокого анализа и определения улучшенного метода устранения этой ошибки.