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MA TLAB/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；MA TLAB仿真
0 引言
MA TLAB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
Fig 1 Schematic of zero flux current sensor
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
1
01
2
2
1
1
N
I
N
I
N
I=
+
1
02
2
2
1
1
N
I
N
I
N
I=
+
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
'
2
1
1
N
I
I
N
I=
+
1
'
02
3
3
2
'
2
1
1
N
I
N
I
N
I
N
I=
+
+
其中，''
2
2
'
2
I
I
I+
=，''
2
I为补偿电流
3
I在
二次侧感应的附加电流。

调节
3
I，即调整''
2
I
的大小和相位，使得
1
1
2
'
2
N
I
N
I-
=,则两个
磁芯的磁势平衡方程变为：
1
'
01
=
N
I
1
'
02
3
3
N
I
N
I=
此时1N 与2N 构成一个无励磁误差的电流传感器，即2211N I N I -=。

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δ，补偿后22N I 变为2'
2
N I ，11N I 与2'2
N I 处于同一直线，角差和比差为0。

图2 补偿后相位角
Fig 2 Compensated phase angle
2 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 Fig 3 Model of zero flux current sensor 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 Tab 1 Library of main modules
Step2：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
Fig 4 Settings of module parameters 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 Gain Commonly Used Blocks 时钟 Clock Sources 交流电源 AC V oltage source Electrical Sources 电流测量 Current Measurement Measurements 电压测量 V oltage Measurement
Measurements 方均根值 RMS Measurements （Ex_lib ） 总线
Bus Creator Signal Routing 变压器 Linear Transformer Elements 电阻 Series RLC branch Elements 显示器 Display Sinks 输出到工作
表
To Workspace
Sinks
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
Fig 5 Settings of simulation parameters
4 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
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
1 0.97/3.0% 89.34/4.1% 0.99/1% 80.08/1.9%
2 0.88/2.2% 73.45/4.3% 0.89/1% 65.90/2.2%
3 0.78/2.5% 58.42/3.9% 0.80/0% 54.88/2.4%
4 0.67/4.3% 39.97/4.5% 0.70/0% 37.45/2.1%
5 0.58/3.3% 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.。