A型地铁车辆的磁调制式差动电流传感器_图文

1、 52收稿日期：2007-12-19机 车 电 传 动ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES3, 2008May 10, 20082008年第3期 2008年5月10日城市轨道车辆 作者简介：蒋晓东（1967-），男，高级工程师，现主要从事电量传感器的研究和开发工作。摘要：分析了磁调制式差动电流传感器在A 型地铁车辆高压柜电路中的功能，阐述了高导磁环形镍铁合金铁心线圈构成的差动电流传感器的电路原理，并简要介绍了该差动电流传感器的外形结构和材料特点，列出了传感器的主要技术参数，运用证明该差动电流传感器工作性能可靠、稳定。关键词：逆变器；地铁车辆；差动电流传感器；接地保护中图

2、分类号：TP212.1文献标识码：A 文章编号：1000-128X(200803-0052-03Differential Current Sensor with Magnetic Modulation forA Type Metro VehicleJIANG Xiao-dong， LIAN Qi-xing(Electric Quantity Businiss Unit, Ningbo CSR Times Sensor Technology Co., Ltd., Ningbo, Zhejiang 315021, ChinaAbstract:The functions of the differe

3、ntial current sensor with magnetic modulation are analyzed when applied to the high voltagecabinet of A type metro vehicle. It is explained the circuit principle of the differential current sensor, which is composed of nickel-iron corewires with high-conductance magnetic ring. The external structure

4、 and material characteristics are introduced briefly for the current sensor.Main technical parameters are listed. Applications show that the differential current sensor is reliable and stable.Key words:inverter; metro vehicle; differential current sensor; ground pretection0引言目前国内上海、广州、深圳等大城市的A 型地铁车辆

5、大部分为4动2拖的6节编组方式，每节动车装有1台VVVF 牵引逆变器，向每节动车4台并联的牵引电机提供电源，并可根据电网电压实现再生或电阻制动。为了对牵引逆变器的各种接地故障进行检测和保护，广州地铁1号线ADTRANS-SIEMENS 公司联合生产的地铁车辆牵引逆变器及我国新研制的目前正在上海进行调试试验的国产化A 型地铁车辆牵引逆变器均采用了磁调制式差动电流传感器的检测方式，通过检测牵引逆变器输入和输出电路的电流差值来计算接地故障时的漏电流并采取相应的保护措施，以保证地铁车辆的正常运行。1差动电流传感器的功能广州地铁1号线地铁车辆及目前新研制成功的国产化A 型地铁车辆牵引逆变器电路分为高压柜

6、和牵引逆变器柜两大部分。其中高压柜的原理图见图1。A 1差动电流传感器；U 1电网网压检测电压传感器；K 1高速断路器；L 直流电抗器；C 1支撑电容器图1高压柜电路简图（虚框内）53在图1中，差动电流传感器A1用来对各种接地故障进行检测，并采取保护措施。该差动电流传感器有1A 和50A 2个电流差监测阀值，如果电流差值超过了对应的阀值1A ，继电器断开，并封锁逆变电路IGBT 的触发脉冲；如果牵引逆变器主电路接地或电机接地，则可能产生大于50A 的电流差，另一继电器也断开，联锁的保护信号将车辆的高速断路器断开，从而起到接地保护的作用。2磁调制式差动电流传感器的基本工作原理广州地铁1号线地铁车

7、辆及国产化A 型地铁车辆所使用的差动电流传感器工作原理与NCV1系列电压传感器相同，均为磁调制式，传感器内部由高导磁环形镍铁合金铁心线圈和电子电路构成其基本电路。高导磁镍铁合金（通称坡莫合金）具有极高的导磁率和矩形磁滞回线。关于高导磁铁心线圈的工作原理及其数学表达式在文献1中已经有详细论述，这里不再重复。图2为该磁调制式差动电流传感器的基本原理框图，此图中RC 电路、铁心线圈L1和N1组成了本差动电流传感器的自激振荡电路，通过电路N1产生正负半波对称的方波电压，该电压再作用于铁心的线圈L1，每当铁心进入饱和，线圈电流i L1的尖峰值促使N1翻转（见图3），改变输出电压的极性。方波电压频率为f

8、（S 为环形铁心截面积，B m 为饱和磁感应强度，环形铁心的2个线圈匝数 n 1=n 2n 。）。电路N2补偿铁心线圈产生的尖峰电流和励磁电流，使i L2与i n 的合成电流更接近于i 1。线圈L2中流过的电流i L2与电流i 1产生的磁势方向相同，因此铁心总处于饱和状态。放大器N3输出的电压信号与电流补偿环节产生的方波电压信号相迭加产生去除交流方波分量的直流电流i s1。i s1经过精密整流电路后统一成为正电流信号i 0，其相对于电源零线正电压信号u 0送到比较器1和比较器2，与比较器中设定的电压阀值进行比较，分别控制晶体管V1和V2的导通或关断，从而达到控制差动电流传感器外接的继电器线圈K

9、1和K2导通或关断的目的。由于差动电流传感器的铁心线圈与NCV1系列电压传感器相比有很大的不同，一次侧的输入电流情况也不一样，故根据上述公式f 对传感器的工作频率进行了调整，降低了整个系统的方波频率，以提高传感器电路系统工作的稳定性。传感器的工作电源为±24V ，而该±24V 电源经过传感器内部的三端稳压电路模块，变成供给整个传感器系统稳定的±15V 电源，以保证系统的可靠运行。在图4中的TVS 二极管V01和电容C01组成的浪涌吸收电路可对工作电源的浪涌电压进行吸收，使传感器内部电路的器件不受损坏。3外形结构及材料特点图2中传感器的一次侧电流i 1实际上是图1中

10、传感器A1的两电流i x 和i y 的差值，即i 1=i x -i y 。图1中的电流i x 和i y 实际分别流过如图5所示长度为358mm 和206mm 的方母排产生电流差信号i 1。这2个母排分别接到1500V 和0V 的输入电源上。传感器内部工作电源的三端稳压器件被安装在传感器上部的散热器上，传感器二次侧的对外接线则通过AMP 公司的标准9芯连接器完成。传感器底脚的4个安装孔可用M8的螺钉来固定整个传感器。图3传感器各点电流电压波形 图图4差动电流传感器内部工作电源图5磁调制式差动电流传感器外形结构 图蒋晓东，连奇幸：A 型地铁车辆的磁调制式差动电流传感器第3期图2磁调制式差动电流传感

11、器原理框图54自2003年韩国大邱地铁失火事件后，国内城市轨道交通车辆对该传感器电器配件的非金属材料提出了阻燃特性的要求。按国产化A 型地铁车辆为“常在隧道中运行的车辆”这一特征，根据NFF 16-101/102“RailwayRolling Stock Fire Behavior Choice of Materials”的标准，结合磁调制式差动电流传感器的外形尺寸和质量大小，传感器的非金属材料阻燃特性的最低要求为I3 F2级。故对于传感器外壳，可按要求选择美国GE 高新材料集团生产的PPO 塑料材料；而对于内部的灌封材料，由于由国内的厂家生产，必须按要求对材料进行取样，并送法国相关的铁路材料

12、实验室化验，符合要求才能使用。用于本传感器内部灌封的硅胶材料经过法国方面的检验，阻燃特性达到了I1 F0级，远高于前面所提到的I3 F2级，故完全符合国产化A 型地铁车辆电器关于配件的非金属材料阻燃特性的要求。4 性能参数和运用分析国产化A 型地铁车辆的差动电流传感器适用于对流过电流传感器一次侧的电流方向相反的电流进行差值检测，一次侧电路和二次侧电路完全隔离，其特性参数见表1。从图6可知，差动电流传感器的±24V 工作电源经AMP 连接器的第1、2、3插针输入，其7、8、9插针分别接继电器线圈。按照表1中传感器输出电流小于33mA 的要求，连接器的第7脚插针分别对第8和第9脚的电压约

13、为24V ，则继电器的功率应不大于0.8W ，否则会使图1中相关的V1、R1和V2、R2元件耗散功率过大而导致整个传感器长期工作的可靠性降低。该差动电流传感器在研制初期就考虑了与国外同类产品的兼容性。研制成功后，为考核其工作性能，于2005年11月在广州地铁1号线ADTRANZ-SIEMENS 地铁车辆1314的1B13车上装车运行考核，证明该产品的性能及可靠性完全符合当初的设计要求。目前，该传感器已经开始在上海地铁1号线的直流车交流改造项目中批量使用，其改造完成的102号地铁列车已经完成调试，并开始在正线进行载客运行。5 结语上海地铁1号线原有的16列直流斩波车上采用的差动电流传感器为霍尔磁

14、平衡式，输出为直流模拟信号，需要在车辆的DCU 控制系统中进行后续处理。该型差动电流传感器的缺点是输出精度和抗干扰能力的局限性。而磁调制式差动电流传感器对漏电流检测的精度较高，抗干扰能力强。由于传感器内部已经集成了对采样信号的处理部分，故可简化车辆DCU 控制部分的电路，提高整个系统的稳定性。参考文献：1蒋晓东. 新型N CV1系列电压传感器J . 机车电传动, 2001(5.2胡引娥，程有平. 广州地铁1号线车辆的牵引逆变器J . 机车电传动，2003（1）.表1 磁调制式差动电流传感器主要技术参数数据2×1125A 2×4.5kA基准1：1A; 基准2：50A±10%（-25+70）I PDT =1A ，约1s; I PDT =50A ，约200ms<33mA约24V±