基于MATLAB-Simulink的零磁通电流传感器仿真模型

基于MATLAB/Simulink的零磁通电流传感器仿真模型摘要：本文根据零磁通传感器原理，在MATLAB/Simulink的软件环境下，对零磁通电流传感器的整体模块进行了建模、仿真与分析。根据仿真后得到的数据证明了零磁通原理与仿真模型的正确性，同时为零磁通电流传感器的研制提供了一种新思路。关键字：电流传感器；零磁通；MATLAB仿真0引言MATLAB作为一个强大的数学计算与分析软件，提供了一个高效的动态仿真环境—Simulink，其在建模、仿真和分析动态系统等方面有着突出表现，主要特色是建模方便，模块丰富，仿真环境可视化，再配合上MATLAB强大的运算功能，使其工程设计与仿真中有着广泛的运用。在高压电气设备绝缘状态监测系统中，泄露电流的测量是分析设备绝缘状态的重要手段。然而在实际工程应用中，普通电流传感器的精度不足以满足一些重要设备的测量要求。大量实际应用表明，基于“零磁通”原理的电流传感器以其高精度，强抗干扰性更适用于监测系统，因而零磁通电流传感器的研究有着很大价值。本文创新性地在Simulink环境中建立了零磁通电流传感器模型，并对其进行研究，为实际的研制提供了一种新思路，新工具。1零磁通电流传感器的基本原理电流传感器的误差很大程度上来自激磁电流I0，在I0=0即所谓“零磁通”状态下无角差、比差，然而它是理想化的，如无I0，则铁心中无磁通，一、二次能量无法传递，电流传感器不能工作。但正确选择补偿方法可将铁心中磁通降到极低的近似“零磁通”的状态，这就是零磁通电流互感器。零磁通电流互感器因为几乎没有激磁电流这个误差源，因此可以使电流传感器达到非常高的精度。下图为零磁通电流传感器原理图;图1零磁通电流传感器原理图Fig1Schematicofzerofluxcurrentsensor图中N1,N2为原边及副边匝数，Ne为检测线圈匝数，N3为补偿线圈匝数，u为检测电压。无补偿时，T1和T2的磁动势平衡方程为1012211NININI1022211NININI式中I01,I02为激磁电流。补偿启动后，T1和T2的磁动势平衡方程变为：1'01'211NIINI1'02332'211NINININI其中，''22'2III，''2I为补偿电流3I在二次侧感应的附加电流。调节3I，即调整''2I的大小和相位，使得112'2NINI,则两个磁芯的磁势平衡方程变为：01'01NI1'0233NINI此时1N与2N构成一个无励磁误差的电流传感器，即2211NINI。补偿后的相量图见下图，图中相量均为磁动势。可见，原角差为，补偿后22NI变为2'2NI，11NI与2'2NI处于同一直线，角差和比差为0。图2补偿后相位角Fig2Compensatedphaseangle2传感器模型的建立Step1：模块的选择在Matlab（R2012a）软件的Simulink环境中建立模型如图3所示：图3零磁通电流传感器的Simulink模型Fig3Modelofzerofluxcurrentsensor其中主要模块所在的模块库表1所示：表1主要模块所在的模块库Tab1LibraryofmainmodulesStep2：模块参数设置在Simulink环境下，双击器件设置参数，以交流电压源的参数设置举例说明如下：双击交流电源，出现如图4所示界面，例如设置幅值为100V，频率为50Hz图4模块参数设置Fig4Settingsofmoduleparameters其他模块也根据情况同理操作。Step3：仿真参数设置模块中文名模块英文名所在模块库放大器GainCommonlyUsedBlocks时钟ClockSources交流电源ACVoltagesourceElectricalSources电流测量CurrentMeasurementMeasurements电压测量VoltageMeasurementMeasurements方均根值RMSMeasurements（Ex_lib）总线BusCreatorSignalRouting变压器LinearTransformerElements电阻SeriesRLCbranchElements显示器DisplaySinks输出到工作表ToWorkspaceSinks在Simulink中，需根据具体情况，选择合适Solver，并设定充分的仿真时间。本文中设置仿真参数如图5所示：图5仿真参数设置Fig5Settingsofsimulationparameters4传感器模型的仿真4.1与普通传感器对比仿真为更好的验证原理，本文在电路参数设置相同的情况下，对普通传感器与零磁通传感器进行对比性仿真实验。测试结果如表2所示。表2对比性仿真实验结果Tab2Resultsofcomparativesimulationtests次序普通传感器(A/’)零磁通传感器(A/’)幅值/误差相位差/误差幅值/误差相位差/误差10.97/3.0%89.34/4.1%0.99/1%80.08/1.9%20.88/2.2%73.45/4.3%0.89/1%65.90/2.2%30.78/2.5%58.42/3.9%0.80/0%54.88/2.4%40.67/4.3%39.97/4.5%0.70/0%37.45/2.1%50.58/3.3%30.53/4.3%0.60/0%30.92/2.9%4.2结果分析从表2中的数据我们可以看出，零磁通传感器较普通传感器，在相角及幅值的测量上都更精确，同时也证明了本文模型的正确性。通过反复实验，我们可以发现，当电路基本参数变化不大时，电路的性能基本保持稳定，这也说明Simulink仿真环境较为理想化，在进行工程仿真时，要注意参数的设置应尽量与实际相符。5结束语本文深入研究了零磁通传感器的原理与应用；创新性地在MATLAB的Simulink环境下建立起了零磁通电流传感器模型；与普通传感器进行了对比性仿真实验，证明了零磁通原理及模型的正确性。本文未对电路参数的设置进行深入研究；在补偿电路的设计中，本文以大量经验值建立起S函数，并通过S函数建立起检测线圈与补偿线圈的联系，从而达到补偿目的；这些方面都是值得继续研究的；本文通过建立零磁通传感器的Simulink模型为其研究提供了一种新思路。6参考文献［1］刘君,吴广宁,周利军,等.零磁通传感器的研究[J].电力自动化设备,2009,8:018.［2］吴广宁，电气设备状态监测的理论与实践［M］，北京：清华大学出版社，2005.［3］李维波.MATLAB在电气工程中的应用[M].中国电力出版社,2007.