Układy pomiarowe prądu do realizacji prądowych sprzężeń zwrotnych w energoelektronice

• Autorzy: Łastowiecki J.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Niniejsza rozprawa poświęcona jest praktycznym metodom poprawy właściwości dynamicznych układów pomiarowych prądu stosowanych w pętlach prądowych sprzężeń zwrotnych w szeroko pojętej energoelektronice. Wzrost mocy jednostkowych zaworów półprzewodnikowych i częstotliwości łączeń powodują wzrost wymagań co do właściwości dynamicznych układów pomiaru prądu, szczególnie przy pomiarach prądów o wartościach kilkudziesięciu amperów i większych. W rozprawie, oprócz metody pomiarowej opartej na zjawisku Faradaya skoncentrowano się na metodach, w których wykorzystuje się sprzężenie magnetyczne między obwodem prądu mierzonego i obwodem wyjściowym a zwłaszcza: - metodzie kompensacji biernej przepływu magnetycznego od prądu mierzonego; - metodzie kompensacji czynnej pola magnetycznego; - a przede wszystkim na opracowanej, oryginalnej metodzie częściowej kompensacji przepływu magnetycznego od prądu mierzonego, nazwanej różnicową. Do najważniejszych osiągnięć uzyskanych w pracy należy, zdaniem autora zaliczyć: - Przeprowadzenie analizy właściwości dynamicznych, powszechnie stosowanych w energoelektronice układów pomiarowych prądu z pełną, czynną kompensacją przepływu magnetycznego od prądu mierzonego i z zastosowaniem galwanomagnetycznych czujników pola magnetycznego. Analizę przeprowadzono przy zastosowaniu metody częstotliwościowej i wykorzystaniu specjalizowanego programu symulacyjnego PSI. Określono podstawowe parametry pomiarowych układów kompensacyjnych, które mają największy wpływ na opóźnienie odpowiedzi tych układów na sygnał wyjściowy w postaci prądu mierzonego. - Opracowanie nowej, oryginalnej metody częściowej kompensacji przepływu magnetycznego od prądu mierzonego, nazwaną różnicową, pozwalającą na polepszenie właściwości dynamicznych - zwiększenie zakresu częstotliwości prądu mierzonego i skrócenie czasu odpowiedzi układu pomiarowego na skok sygnału wejściowego. - Przeprowadzenie analizy rozkładu pola magnetycznego w rozgałęzionym obwodzie magnetycznym i wykazanie liniowości zmian indukcji magnetycznej w punkcie jej pomiaru przez czujnik pola, w funkcji zmian prądu mierzonego, magnesującego dany obwód. Analiza została przeprowadzona przy zastosowaniu metody elementów skończonych i programu komputerowego PC OPERA. Uzyskanie w obwodzie magnetycznym wspomnianej liniowości stanowi podstawę metody różnicowej pomiaru prądu. - Opracowanie dwóch typów oryginalnych obwodów magnetycznych, nazwanych obwodami przestrzennymi X i H, do stosowania metody różnicowej pomiaru prądu. - Wyznaczenie zależności opisujących pracę i parametry dwóch typów układów pomiarowych prądu, zbudowanych na przestrzennych obwodach magnetycznych X i H. Oparte na wyznaczonych zależnościach podane zostały wytyczne do projektowania różnicowych układów pomiarowych prądu. Wyznaczona została zależność (106) na podstawie, której można ocenić stopień polepszenia właściwości dynamicznych układu różnicowego w odniesieniu do odpowiadającego mu układu pomiarowego z pełną kompensacją pola magnetycznego. - Wykonanie kilkunastu modeli różnicowych układów pomiarowych prądu, z wykorzystaniem rdzeni magnetycznych płaskich i przestrzennych, zbudowanych z materiałów magnetycznych ferrytowych i amorficznych. Badania eksperymentalne wykazały słuszność założeń nowej metody pomiarowej opartej na częściowej kompensacji przepływu magnetycznego od prądu mierzonego. We wszystkich modelowych układach pomiarowych uzyskano znaczące polepszenie ich właściwości dynamicznych.

EN

The monograph is concerned with practical methods for the enhancement of the dynamic properties of current measuring systems, based on magnetic coupling and magnetic field compensation. The fast increase of nominal power and switching frequency of power electronic devices causes higher demands as regards the dynamic propeties of current measuring systems. The problem becomes significant in the case of current measurements higher than tens amps. Besides the current measuring method based on the Faraday phenomenon the focus attention has been given to magnetically coupled measuring systems with field sensor usage. The main concenration is related to the following methods: - a method of passive compensation of MMF produced by the measured current; - a method of active compensation of MMF produced by the measured current; - but principally to the author's original, differential method based on partial compensation of MMF produced by the measured current; Besides theoretical considerations, experimental and simulation results are presented. As the main results of the work - in the author's opinion - the following should be mentioned: - The analysis of the dynamic properties of the well known current measuring systems with fully compensated MMF produced by measured current and galvano-magnetic field sensor application widely used in power electronics. The analysis is done with applying frequency method and particular simulation programme - PSI. The basic parameters of the fully compensated current measuing systems which have a superior influence on their dynamic properties have been determined.- A new, original method (patented) based on the partial compensation of MMF produced by the measured current, called differential method has been worked out. The differential method results in a significant shortening of current measuring system response time. - For the differential method application, two original types of spatial magnetic circuits (patented) have been developed and named type X and H. - A mathematical description of the two types of current measuring systems, based on spatial magnetic circuits type X and H has been done. Based on determined relationships the main design instructions are given. The basic mathematical formula [109] for the dynamic property evaluation of differential current measuring systems in relation to fully compensated systems has been drawn. - A number of differential current measuring system models with flat and spatial magnetic circuits, also with ferrite and amorphous magnetic circuit usage were built and examined. The main conclusion of the elaboration is: the possibility of achieving significant dynamic property enhancements of current measuring systems, applying the new differential, compensation method and new type of spetial magnetic circuits for these system realisation.

Słowa kluczowe

PL

energoelektronika; obwody magnetyczne; układy pomiarowe

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektryka
• Rocznik: 2002
• Tom: z. 118
• Strony: 3--122
• Opis fizyczny: Bibliogr. 93 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Łastowiecki J.

• Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej

• Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej

Bibliografia

• [1] Allied Signal Inc-Technical Bulletin, METGLAS - Magnetic Alloy- karty katalogowe.
• [2] Amorphous Metals Vitrovac Alloys and Applications. PV -006 Vacuumschmetze.
• [3] Balorda Z., Curk J., Suhel P., Opresnik A.: Current sensors using analogue optical data transfer. Proceedings of the 12th International Conference on Power System Protection. PSP 2000. Lubljana, Sep. 2000.
• [4] Baranecki A., Niewiadomski H., Rygał R., Soiński M.: Wykorzystanie taśm nanokrystalicznych w transformatorach do zasilaczy impulsowych - VII Sympozjum Podstawowe problemy energoelektroniki i elektromechaniki. Ustroń, ID 1995.
• [5] Barlik R.: Technika tyrystorowa. WNT, Warszawa 1997.
• [6] Biancki N., Cervaro S., Malesari K.: Current shapes for minimising torque ripple in SPM motors. ICEM- Proceedings, 28-30 August 2000, Espoo-Finland.
• [7] Bittani S., Cuzzola F.A., Lorito F., Poncia G.: Compensation of nonlinearities in a current transformer for the reconstruction of the primary current. IEEE Transactions on Control Systems Technology. Vol. 9 no 4, July 2001.
• [8] Blasko V., Kaura V., Niewiadomski W.: Sampling method for discontinuous voltage and current signall and their influence on bendwidth of control loops of electrical drives. IEEE, APEC Conference Rec. 1997, p. 520-526.
• [9] Campbell P.: Permanent magnet materials and their application. University Press, Cambridge 1994.
• [10] Canova A., Repetto M.: lntegral solution of nonlinear magnetostatic field problems. IEEE Transactions on Magnetics. Vol. 37, no 3, May 2001.
• [11] Carter C.H., Lee E., Wilson L.: Electronic transformers and circuits. J. Villey, New York 1988.
• [12] Cattaneo F., Cattaneo P., Vuillermoz G.: Electric Current Pick-Up Shoe. Patent WO 99/01773, 14.01.1999.
• [13] Cattaneo P., Huber H.D.: New generation of current transducers with modified Operating principle. PCIM 2000. Europe Official Proceedings of the Forty-First International Power Conversion Conference. Nurnberg, Jun 2000.
• [14] Cattaneo P., Huber H.D.: New generation of current transducers with modified operating principle, PCIM 2000.
• [15] Chari M.V.K., Salon S.: Modified scalar potential finite element solution for electrical machine field problems. IEEE Transactions on Magnetics. Vol. 31, p. 1468-1471, May 1995.
• [16] Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna. WNT, Warszawa 2000.
• [17] Costa F., Poulichet P., Mazaleyrat F., Laboure: The current sensors in power electronics, a review. EPE Journal. Vol. 11, no l , February 2001.
• [18] Costa F., Laboure E.: Method and device for measuring the dynamic components of on electric current in the presence of a continuous component. Patent WO 94128429, 8.12.1994.
• [19] Dallago E., Passoni M., Sassone G., Venchi G.: Novel current transducer in a single-phase active power factor correction system. IEEE Transaction on Power Electronics. Vol. 15, no 3, May 2000.
• [20] Dallago E., Passoni G., Sassone: Lossless current sensing in low-voltage high-current DC/DC Modular Supplies. IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 47, no 6, Dec. 2000.
• [21] Dallago E., Venchi G.: Analytical and experimental approach to high-frequency transformer simulation. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 14, no 3, May 1999.
• [22] Elbaum I.: Obwody magnetyczne. PW Tech., Warszawa 1959.
• [23] Etter M., Friot M.: Wide bandwith, accurate current and voltage transducers. PCIM Europe Nov./Dec. 1993.
• [24] Etter M.: Current sensor with magnetic field detector. Patent EP 0738894 A2 European Patent Office 23.10.1996 Bulletin 1996/43.
• [25] Etter M.: Bidirectional electric current sensor supplied by a unipolar source. Patent WO 95/12819, 11.05.1995.
• [26] Etter M.: A current sensor device. Patent WO 92/12432, 23.07.1992.
• [27] Etter M.: Current transformer for measuring a variable electrical current. Patent EP 0392439, 17.10.1990 Bulletin 90/42.
• [28] Etter M.: Device for measuring currents. Patent EPO 499 589 Al, 13.02.1992.
• [29] Ferch M.: Vitroperm shrinks power transformers. Vacuumschmelze - Components 3/97, Vacuumschmelze GMBH, Germany.
• [30] Ghislanzoni L.: Magnetic coupled current sensing techniques for spacecraft power systems. European Space Agency, European Space Research and Technology Centre. Nordwijk, the Netherlands - Proceedings of the European Space Power Conference, Madrid, 2-6 October 1989.
• [31] Ghislanzoni L., Carrasco J .A.: A DC current transformer for large bandwidth and high common-mode rejection. IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 46, no 3, June 1999.
• [32] Groenenboom H., Lisser J.: The zero-flux current transformer a high precision wide-band measuring devices. IEEE Transaction ou Nuclear Science - 1977.
• [33] Gudel C.: Electric current sensor with wide passband. Patent WO 99/64874, 16.12.1999.
• [34] Gilemes A.J.A.: Modeling and design of smoothing reactances. Application to air gap length calculation. ICEM 2000 Proceedings International Conference on Electrical Machines, 28-30 August 2000, Espoo-Finland.
• [35] Gilemes J.A., Vilella J.G.: Determination of inductance and flux density in relation to air gap length and current in smoothing reactances, using the finit elements method. International Conference on Electrical Machines, Vigo 1996.
• [36] Harada T.: Technical trends on impulse voltage and current measuring systems. Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan, part B, vol. 114-B, no l, Jan. 1994.
• [37] High Common Mode Rejection Amplifier, Hewlet Packard Co. Polo Alto, CA, HCPL - 7800 A; 7800 B Tech. Data- 1992.
• [38] Huber H.D., Melvin J., Mortier F.: Core-less Hall sensor monitors magnetics curent. Powercoversion & Intelligent Motion. Vol. 27, no l, Jan. 2001. Adams/lntertec International, USA.
• [39] Irigoyen A., Gomez-Polo C., Perez-Conde J.: New current transformer device based on nonmagnetostrictive amorphous ribbons. Sensors & Actuators A-Physical, vol. A91, no 1-2, June 2001. Switzerland.
• [40] Isolated Current and Voltage Transducers Characteristics - Applications - Calculations LEM Corporate Communications, LEM Geneva 1999.
• [41] Jiankun Hu, Sullivan Ch.: AC resistance of planar power inductions and the quasi-distributed gap technique. IEEE Transsactions on Power Electronics. Vol. 16, no 4, luty 2001.
• [42] Karrer N., Hofer-Noser P.: Device with wide pass band for measuring electric current intensity in a conductor. Patent WO 98/48287, 20.10.1998.
• [43] Kaźmierkowski M.P., Matysik J.: Podstawy elektroniki i energoelektroniki. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1996.
• [44] Kaźmierkowski M.P., Tunia H.: Automatic control of converter-fed drives. Elsevier, PWN, Warszawa 1994.
• [45] Koroarov J., Podoltsev A., Kucheryavaya I., Lebedev B.: High-frequency, high-voltage DC isolation transformer - rectifying module for power supply of technological equipment. EPE Journal, vol. 11, no l, Feb. 2001.
• [46] Korcz K.: Nowe serie przetworników pomiarowych LEM. Elektronizacja nr 2/97.
• [47] Krykowski K.: Energoelektronika. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Gliwice 1996.
• [48] Kuśmierek Z.: Pomiary mocy i energii w układach elektroenergetycznych. WNT, Warszawa 1994 .
• [49] Labouse E., Costa F.: Current measurement in static conveters and realization of high frequency passive courent probe. EPE'93, Brighton, p. 4478-4483.
• [50] Łastowiecki J.: Dynamic properties of compensative current measuring systems enhancement. Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics. Warsaw, June 1996.
• [51] Łastowiecki J.: Elementy i podzespoły półprzewodnikowych układów napędowych. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1999.
• [52] Łastowiecki J.: Elementy magnetyczne w układach napędowych. WNT, Warszawa 1982.
• [53] Łastowiecki J.: New approach to the current measuring system solution. First International Caracas Conference on Devices, Circuits and System. Caracas, Dec. 1995 - Conference Proceedings.
• [54] Łastowiecki J.: New differential, compensative current measuring system based on amorphous magnetic circuit. Proceedings of the ,.Second IEEE International Caracas Conference on Devices, Circuits and Systems" - Margarita, March 1998.
• [55] Łastowiecki J.: Obwód magnetyczny do stosowania metody pomiaru prądu z częściową kompensacją przepływu magnetycznego od prądu mierzonego. Zgłoszenie patentowe z 27.02.1998 Nr P. 325077.
• [56] Łastowiecki J.: Obwód magnetyczny układu do pomiaru prądu z częściową kompensacją przepływu magnetycznego od mierzonego prądu. Zgłoszenie patentowe nr P 343184 z dnia 31.10.2000 r.
• [57] Łastowiecki J.: Sposób kompensacji przepływu magnetycznego przy pomiarach prądu i obwód magnetyczny do realizacji tego sposobu. Patent P. 310311, udzielony 4.05.1999.
• [58] Łastowiecki J., Przywara G., Duszczyk K., Ruda A.: Load current sensor based on amorphons magnetic ribbon. PEMC'90 Proceedings of the 6th Conference on Power Electroriers and Motion Control, Vol. 2, Budapest, 1.;.3 Oct. 1990.
• [59] LEM Coporate Communications - Industrial Transducers Catalogue, Edition 98/99. LEM Geneva 1998.
• [60] Lemme H., Friedrith A.P.: The universal current sensor - Sensors (Peterborough, Nh), vol. 17, no 5, May 2000. Advanstar Communications, USA.
• [61] Leung-Pong Wong., Yim-Shu Lee, Ki-Wai Cheng: Bi-directional pulse - current sensors for bi-directional PWM DC-DC converters. Proceedings of the 2000 Power Electronics Specialist Conference. Galway, Ireland. June 2000.
• [62] Lipo T.A.: Electric drives technology - part way to where? IEEE International Electric Machines and Drives Conference IEMDC'99, Seattle, May 9-12, 1999.
• [63] Lu S., Liu Y., De La Ree J.: Harmonics generated from a DC biased transformer. IEEE transaction on Power Delivery 2 (1993).
• [64] Lyra R., Cardoso Filho B., Vinod J., Lipo T.A.: Coaxial current transformer for test and characterization of high - power semiconductor devices under hard and soft switching. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 36, no 4, July/August 2000.
• [65] Mazaleyrat F., Costa F.: A survey of nanocrystalline applications in power electronics. EPR'97 Trondhein 1997, p. 2032-2037.
• [66] Mertens A., Eckardt D.: Voltage and current sensing in power electronic converters using sigma-delta A/D conversion. IEEE-IAS Annual Meeting Conf. Rec. 1996, p. 1092-1098.
• [67] Mikołajuk K.: Podstawy analizy obwodów energoelektronicznych. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1998.
• [68] Niewczas P., Michie W.C., Madden W.I.: Field evaluation of PRS glass optical current transducer. Proceedings of SPIE - the International Society for Optical Engineering, vol. 4074, 2000.
• [69] Pankan J., Leggate D., Schlegel D., Kerkman R., Skibiński G.: High-frequency modeling of current sensors. IEEE Transaction on lndustry Applications, Nov./Dec., 1999, vol. 3S, no. 6.
• [70] Popovic R.S., Randjelovic Z., Marie D.: Intergrated Hall-effect magnetic sensors. Proceedings of 3rd Buropean Conference on Magnetic Sensors and Actuators. EMSA 2000. Dresden, July 2000.
• [71] Rawa H.: Podstawy elektromagnetyzmu. WPW, Warszawa 1996.
• [72] Ray W.F., Hewson C.R.: High performance Rogowski current transducers. Proceedings of World Congres on lndustrial Applications of Electrical Energy and Meeting. Rome, Oct. 2000.
• [73] Savary P., Laforet M.: Electrical current sensor. Patent WO 96130773 - 3.10.1996.
• [74] Schott T.C., Blanchard H., Popovic E.S., Racz R., Husja J.: High-accuracy analog Hall probe. IEEE Transactions ou Instrumentation and Measurement 2- 1997.
• [7S] Selcuk A.: Current sensor including magnetic sensors. Patent WO 9S/20167, 27.07.199S.
• [76] Semicron lnternational, Dr. Fritz Martin GmbH & Co. KG - "Power Electronics - Leistungselektronik - '99".
• [77] Skibiñski Gary L., Russel J., Karkman, Schlegel D.: EMI emmisions of modern PWM AC drives. lndustry Applications, vol. S, no 6, Nov./Oct. 1999.
• [78] Soft Magnetic Materials and Semi-Finished Products. Vacuumschmeltze PHT-001.
• [79] Soiński M.: Materiały magnetyczne w technice. Centralny Ośrodek Szkolenia i Wydawnictw SEP, Warszawa 2001.
• [80] Souders M.: Wide-band two-current transformers of high accuracy. IEEE Instrumentation and Measurement 4, 1972.
• [81] Strtibin P.: Power supply comprising a current sensor. Patent EPO 933649 A2, 4.08.1999. Bulletin 1999/31.
• [82] Surosa I.: Analitical calculation formulas for an air-gapped inductor. Proceedings of lnternational Conference on Electrical Machines- ICEM-2000, 29-30 August 2000.
• [83] Szczygłowski J., Roman A.: Przenikalność magnetyczna rdzeni złożonych z różnych materiałów. II Krajowa konferencja - Postępy w elektrotechnice stosowanej PES-2; 14-18. VI.1999 r. Oddział Warszawski PTETiS; Ośrodek Promocji Badań z zakresu Energoelektroniki PW.
• [84] Toshikatsu S., Veda R., Koga K.: Ab AC and OC current sensor of high accuracy. IEEE Transaction on lndustry Applications 5.
• [85] Tumański S.: Cienkowarstwowe czujniki magnetorezystancyjne. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1997.
• [86] Tumański S.: Thin film magnetoresistive sensors. lnstitute of Physics Publishing, IOP, London 2001.
• [87] Tunia H.: Energoelektronika. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1996.
• [88] Tunia H.: Teoria przekształtników. WPW, Warszawa 1997.
• [89] Vector Field Limited. PC OPERA Software for Electromagnetic Designe, 24 Bankfide, Kidlington-Oxford OX5/1JE, 1994.
• [90] Weizhong Zhao: Magneto-optic properties and sensing performance of garnet YbBi:YIG. Sensors & Actuators A-Physical, vol. A89, no 3, Elsevier, April 2001.
• [91] Wong Yuk, Lee Yim, Cheng David Ki-Wai: - Synthesis of a wide - bandwidth current sensor using a current transformer for active power filter applications. Proceedings of the 2000 Power Electronics Specialist Conference. Galway, June 2000.
• [92] Yim-Shu Lee, Wong K.C., Ng C.K.: Behavior modeling of magnetizing currents in switch - mode DC-DC converters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 47, no 1, February 2000.
• [93] Yoshino T., Minegishi K., Nitta M.: A very sensitive Faraday effect current sensor using YIG/ring-core transformer in a transverse configuration. Measurement Science & Technology, vol. 12, no 7, July 2001.