듀얼에어 최적 설계

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 239(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

첨단 센서 기술은 전력망의 투명한 모니터링과 실시간 제어를 위한 정확한 정보를 제공합니다. 높은 감도와 선형성을 갖춘 터널 자기저항(TMR) 소자는 중전압 DC 배전 시스템의 전류 측정을 위한 새로운 기술 수단을 제공합니다. 본 논문에서는 자기장의 최소 균일계수를 기반으로 한 이중 에어갭 폐루프 TMR 전류 센서와 최적 설계 방법을 제안한다. 듀얼 에어 갭 구조는 와이어의 편심으로 인한 측정 오류를 줄이고 최소 자기장 균일성 계수의 이론 및 모델링을 통해 자기 코어의 내부 반경, 공기의 거리 등 주요 매개변수를 최적화합니다. -단면 측면의 간격 및 면적 크기. 마지막으로 정격 측정 전류가 ± 50A인 센서 프로토타입이 개발되었습니다. 실험 결과, 제안된 TMR 전류 센서의 상대 오차는 정격 전류 이하에서 0.2% 미만인 것으로 나타났다. 최적화된 디자인을 갖춘 제안된 센서가 측정 정확도를 효과적으로 향상시킨다는 결론을 내릴 수 있습니다.

첨단 센서 기술은 전력 시스템의 모니터링 및 제어를 위한 정확한 정보를 제공합니다. 최근에는 전력 전자 장치의 개발로 인해 광전지, 배터리 저장 장치 및 전기 자동차 충전 파일과 같은 전력 전자 요소가 포함된 분산 전원 및 부하가 배전 시스템과 점점 더 연결되고 있습니다. 결과적으로 많은 과도 파형이 그리드에 주입되어 전류 측정 및 감지가 더욱 어려워집니다. 정확한 DC 고전류 측정 기능, 넓은 주파수 특성 및 저렴한 가격을 갖춘 전류 센서에 대한 요구 사항이 더욱 높아졌습니다1,2.

홀 또는 터널 자기 저항(TMR)과 같은 자기 센서가 있는 전류 센서가 가능한 솔루션입니다. 홀 효과 센서는 수십 년 동안 사용되어 왔으며 널리 적용되었습니다. 그러나 홀 효과 센서에는 약한 감도, 낮은 선형성, 온도에 민감한 등의 고유한 결함이 있습니다3,4. 4세대 자기 감지 요소 TMR은 감도, 전력 소비 및 온도 특성5,6,7에서 고급 특성을 가지고 있습니다. TMR 소자가 있는 전류 센서는 복잡한 파형 전류 측정을 위한 새롭고 더 나은 선택이지만 센서 구조, 매개변수 설정 등과 같은 일부 기술적 문제를 해결해야 합니다.

철이 없는 개방형 루프 구조 기반의 TMR 전류 센서는 몇 년 전에 처음으로 개발되었습니다. Xu et al. ±150A의 전류를 측정할 수 있는 차동 초소형 자기 센서를 설계했으며, 실험 오차는 -40°C ~ 105°C2의 온도 범위에서 ±2% 미만입니다. Shaoet al. IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터) 과전류 보호에 TMR 전류 센서를 적용하고 IGBT 전류를 측정하기 위한 링 어레이 TMR 전류 센서를 제안했습니다. 설계된 전류 센서는 604ns8 내에서 120A의 과전류를 감지할 수 있습니다. 그러나 오픈 루프 구조 기반 TMR 전류 센서에는 두 가지 주요 결함이 있습니다. 첫째, 전류 센서 측정 범위는 TMR 센서 소자의 선형성 범위에 의해 제한됩니다. 따라서 이러한 유형의 전류 센서의 정격 전류는 약 1m 이내로 제한됩니다. 백 암페어. 둘째, 이러한 유형의 전류 센서는 온도 변화와 전류 전달 도체 편심에도 민감합니다.

전류 측정 범위를 늘리고 온도 특성을 개선하기 위해 학자들은 제로 플럭스 기술을 전류 측정에 통합했습니다9,10. Yang은 센서 감도를 향상시키고 온도 및 히스테리시스로 인한 오류를 크게 줄이기 위해 자기 코어와 피드백 권선을 사용하여 폐쇄 루프 구조를 형성하는 제로 플럭스 원리11에 기반한 폐쇄 루프 전류 센서를 제안했습니다. 그러나 실제 응용에서는 전류가 흐르는 도체가 자기 회로의 중심에 있지 않은 경우가 있습니다. 폐쇄 루프 전류 센서는 이러한 편심 오류에 대한 저항력이 그다지 크지 않습니다12. Cheng et al. 폐쇄 루프 전류 센서의 자기 코어에 영향을 미치는 요인을 연구하기 위해 자기 코어의 다양한 특성을 체계적으로 분석했습니다. 자기 코어가 포화될 수 있다는 문제를 해결하기 위해 Li는 피드백 코일로 구성된 솔레노이드를 센서 요소에 직접 감는 자기 코어가 없는 폐쇄 루프 회로를 제안했습니다. Rolandet al. 원형 자기장 센서 어레이를 기반으로 한 새로운 코어리스 전류 센서를 제안하고 원형 어레이에 폐쇄 루프 원리를 적용했습니다. 그러나 이 코어리스 구조는 외부 자기장 간섭에 취약합니다. 환형 어레이15에 권선된 코일의 균일성을 엄격하게 보장해야 하는데, 이는 저비용 대량 생산에서는 달성하기 어렵습니다. 또한 근처에 간섭하는 도체의 존재와 센서 요소의 배치로 인해 공극에서 측정된 자기 유도 강도가 변경되고 이는 센서의 측정 정확도에도 영향을 미칩니다16. 측정 오류의 구체적인 원인은 여전히 ​​심층적으로 분석되어야 하며 오류에 대한 개선된 방법이 결정되어야 합니다.