基于Multisim的磁通门式电流互感器解调电路的仿真研究.pdf

第2 6 卷第4期2023年文章编号2095-0020(2023)04-0220-06上海电机学院学报JOURNAL OF SHANGHAI DIANJI UNIVERSITYVol.26 No.42023基于Multisim 的磁通门式电流互感器解调电路的仿真研究杨钰炜，迟长春，卢志军（上海电机学院电气学院，上海2 0 130 6)摘要为滤除剩余电流中的高频信号，提高剩余电流的检测精度，研究了一种基于Multisim的磁通门式电流互感器的解调电路。通过五阶巴特沃斯低通滤波器对电流信号进行滤波解调，滤除高频信号，并进一步采用平均值间接测量法求得电流信号的有效值。五阶巴特沃斯低通滤波器由多端反馈的二阶低通滤波器构成，省去了放大电路。通过Multisim仿真验证了该解调电路的可行性，对各种典型的剩余电流进行了检测实验。结果表明：该解调电路能有效滤除剩余电流中的高频分量，降低生产成本，提高检测精度。关键词电流互感器；剩余电流检测；间接测量；巴特沃斯低通滤波器中图分类号TM561Simulation research of demodulation circuit of fluxgate current文献标志码Atransformer based on MultisimYANG Yuwei,CHI Changchun,LU Zhijun(School of Electrical Engineering,Shanghai Dianji University,Shanghai 201306,China)Abstract In order to filter the high-frequency signal and improve the detection accuracy ofresidual current,a demodulation circuit of fluxgate current transformer based on Multisim isstudied.The current signal is filtered and demodulated by the fifth-order Butterworth low-passfilter,and the high-frequency signal is filtered out.The effective value of the current signal isobtained by using the indirect measurement method of average value.The fifth-order Butterworthlow-pass filter consists of second-order low-pass filters with multi-terminal feedback,and theamplifier circuit can be ignored.The feasibility of the demodulation circuit is verified by theMultisim simulation,and the detection experiments of various typical residual currents are carriedout.The results show that the demodulation circuit can effectively filter the high-frequencycomponents of the residual current,reduce production costs,and improve detection accuracy.Key wordslow-pass filtercurrent transformer;residual current detection;indirect measurement;Butterworth收稿日期：2 0 2 3-0 4-12作者简介：杨钰炜（2 0 0 0），男，硕士生，主要研究方向为电力系统自动化，E-mail:指导教师：迟长春（196 6 一），女，教授，博士，主要研究方向为电机与智能电器，E-mail:2023年第4期目前，剩余电流保护器的应用环境越来越复杂，电网中由于急剧增加的电力电子设备而产生了高低次谐波、直流分量等问题，因此对剩余电流的滤波解调有了更高的要求。为了滤除磁通门式电流互感器所检测的剩余电流中的高频信号，需要对剩余电流进行滤波解调。然而，针对剩余电流的滤波解调方法存在一定的局限性。例如，基于快速傅里叶变换的真有效值计算法存在频谱泄露等问题2 ，需要引人加窗函数，导致计算任务更加复杂，对微处理器有了更高的要求，成本过高。而基于低通滤波的硬件解调方法，由于滤波器的种类繁多,对解调信号的要求也不同。其中，有限长冲激响应滤波器在设计阶段就需要明确其相应的频率特征，不适用于低频段。无限长冲激响应滤波器的测量功能很大程度受制于采样频率，并且成本更高。无源滤波器所需要的电感元件过大,实际使用场合受到较为严重的限制3。为此，本文选用有源低通滤波器，通过五阶巴特沃斯低通滤波器对剩余电流进行滤波解调，滤出所需的低频分量，并进一步通过平均值间接测量法求得所测电流的有效值。同时五阶巴特沃斯低通滤波器由多个低通滤波器串联而成，省去了放大电路的使用。实验结果验证了该解调电路的可行性，能够滤除高频信号，降低生产成本，提高剩余电流的检测精度。1基于低通滤波的平均值间接测量法平均值间接测量法是利用剩余电流的平均值与有效值之间的确定关系，结合AC/DC转换器获得平均值电压，再经过换算处理后得到被测信号的有效值1。单片机经过T个采样周期所采集的电流信号平均值为Iaver=1TNn=0式中：I为电流有效值；N为一个周期内的采样点数量。在实际操作中，根据电流信号平均值Iaver与峰值Ipc之间的关系，计算得到对应剩余电流的波形识别系数为K=Iaver/I pe通过波形识别系数K来判断剩余电流的类型，剩余电流波形识别标准，如表1所示。杨钰炜，等：基于Multisim的磁通门式电流互感器解调电路的仿真研究表1剩余电流波形识别标准剩余电流类型实际标准平滑直流3/4K正弦交流1/2K3/4滞后角0 的脉动直流1/4K1/2滞后角90 的脉动直流1/8K1/4滞后角135的脉动直流K(10)R,=4xfiecC.C,R.1式中：K。为信号放大倍数。由上述条件设计的电路结构，可有效衰减高频信号。由表2 可得系数b为1.6 18 0 34，c为1,则根据式（7)可知，第二节截止频率为1.618 0342fm2=1500/1-2选定C4为2 2 nF，为了让C3有实数解，需满6C4足 C.4a(KC+1,此处选取放大倍数为6.则可杨钰炜，等：基于Multisim的磁通门式电流互感器解调电路的仿真研究622223及以下的正弦交流信号、滞后角为0、90 和135的脉动直流信号、平滑直流信号等典型的剩余电(7)流信号来模拟被测电流15。该平台能满足对磁通门式B型电流互感器进行剩余电流检测的需求。(8)直流电源(9)剩余电流互感器通过Multisim对解调电路的截止频率以及放大倍数进行仿真验证，确保设计参数的准确性，如图4所示。由图可知，所设计的解调电路放大功能正常，模型正确，设计的电路可行。1550(a)输出截止频率为1.5kHz 834(11)32示波器SHOF剩余电流检测模块图3实验现场0.51.0J/kHz1.52.0选取Cs为1 nF。将其代人式（10),可得R，=7.3k2,R。=43.7 k 2,Rz=37.9 k 2。取实际值R，=6.6 k 2,R=43 k 2,R=3 9 k 2。同理查表2可得fm3=1.35kHz,C,=22 nF,C。=1 n F,R:=Rg=28k2,R10=14 k2。3实验检测磁通门式电流互感器的优劣将影响整个保护器的性能，其安全性、可靠性影响着保护器的正常运行，因此必须对磁通门式B型电流互感器进行性能测试，确保能够达到设计要求。实验现场如图3所示，外接任意信号发生器，输出1kHz102(b)6倍放大图4Multisim仿真验证解调电路设计参数结果磁通门式互感器将被测剩余电流耦合到激励电流中，经过采样电阻形成调制电压信号输出，因此激励电流波形可用采样电阻电压表示。在检验互感器性能时，以任意信号发生器产生实验电流i来模拟被测信号。当实验电流i分别为0，土2 0 0 mA时，互感器输出波形如图5所示。图中,UcHI 为示波器探头1测得的采样电阻电压。4J/Hz68224上海电机学院学报2023年第4期6表3有效值为2 0 0 mA的正弦交流、脉动直流检测结果543HO210-100.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5(a）i,为0 时采样电阻电压波形654A/Hn3210-100.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5(b）i,为2 0 0 mA时采样电阻电压波形6543210-100.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5(c)i,为-2 0 0 mA时采样电阻电压波形图5i为直流时互感器输出波形由图5可知，当平滑直流信号产生变化时，对应采样电阻的电压波形也随之发生变化，说明磁通门式B型电流互感器能够对平滑直流信号进行检测，并通过测量采样电压的变化计算被测电流大小。当被测电流为1kHz及以下的交流电流信号、滞后角为0 90 以及135脉动直流信号时，施加有效值为2 0 0 mA时，各电流实测结果以及检测误差如表3、表 4 所示。由表4可知，当频率一定时，磁通门式B型电流互感器检测方法对交流信号最有效，同时能够对脉动直流信号进行有效检测；当波形一定时，频率越高，检测精度随之降低。通过本次设计的B型电流互感器对不同频率的脉动直流信号进行检测交流实测0脉动直流90 脉动直流135脉动直流f/Hz值/mA实测值/mA实测值/mA实测值/mA50198.2100197.6200196.2300195.5400194.8t/ms5006007008001000190.3表4有效值为2 0 0 mA的正弦交流、脉动直流检测误差交流0脉动直流90 脉动直流135脉动直流f/Hz误差/%误差/%t/ms501002003004005003.056003.257003.558003.9510004.85t/ms分析可知，在50 6 0 0 Hz范围内，对滞后角0 的脉动直流信号的检测误差在7%以内，检测精度最高；对滞后角90 的脉动直流信号的检测误差在12%以内；对滞后角135的脉动直流信号的检测误差在18%以内，精度相对较差，但仍满足电流保护器对脉动直流信号的检测标准。这进一步说明了此解调电路的可行性，能够滤除电流信号中的高频分量，达到滤波要求的同时降低了成本，并提高了剩余电流的检测精度。4结论本文通过五阶巴特沃斯低通滤波器对电流信号进行滤波解调，滤除高频分量，使用多端反馈二阶低通滤波器，省去了放大电路，并采用平均值间接测量法计算得到电流信号的有效值。结果表明：基于Multisim的磁通门式电流互感器的解调电路193.4192.4191.4191.0190.2193.9188.7193.5186.4192.9183.2192.1180.6176.60.903.301.203.801.904.302.254.502.604.905.656.808.409.7011.7191.6189.8188.4188.1187.6186.2177.4169.2162.7148.3误差/%4.205.105.805.956.206.9011.3015.4018.6425.87186.2183.0180.6179.1178.2172.9164.2153.3146.5138.6误差/%6.908.509.7010.4510.9013.5517.9023.3526.7430.682023年第4期能够滤除剩余电流中的高频分量，并使电流互感器对1kHz及以下正弦交流信号、滞后角0、9 0 和135脉动直流信号、平滑直流信号等典型的剩余电流有较好的检测精度,对电流互感器的检测具有一定的使用价值。参考文献1宁建行.智能型自适应剩余电流动作保护器的研究D.上海：上海电机学院，2 0 16.2陈锐，林枫，沈习波.电能质量监测中频谱泄露检测方法研究J.测控技术，2 0 19,38（8）：99-10 2.3INOUE H,OMURA T,YAMAGUCHI H,et al.In-fluence of interlaminar flux between cores on ironloss in three-legged wound transformer core J.Electrical Engineering in Japan,2021,214(3):9-16.4】XIN H C,LI B Z,BAI X.A novel 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