工频磁场下智能电表锰铜分流器仿真分析与优化

发布时间：2020-03-29 22:29

【摘要】：锰铜分流器以其温度系数小和成本低的优点被广泛应用于电流测量中。作为单相电能表电流采样电路的关键元器件,锰铜分流器电流采样的准确性将直接影响电能表计量精度。实际应用中,电能表极易受到工频磁场的干扰,使得分流器采样端产生感应电动势,从而严重影响电能表电流采样的准确性。本文以单相电能表的锰铜分流器为研究对象,对其电磁仿真模型、感应电流近似建模以及优化设计进行深入研究,从而减小工频磁场对锰铜分流器感应电流的影响。首先,研究工频磁场作用下锰铜分流器感应电流的仿真分析方法。基于电磁感应理论,对规则导体在工频磁场下的感应电流进行理论计算与仿真分析,其方法作为后续分流器仿真的参考;采用Flux软件,建立分流器的仿真模型,得到工频磁场作用下通孔位置对感应电流的影响;采用Helmholtz线圈产生工频磁场,测试分流器通孔位置与感应电流的关系,实现仿真结果的试验验证。其次,基于仿真模型研究分流器尺寸参数对感应电流的影响,确定关键尺寸参数,建立近似模型实现感应电流的快速计算。采用单因素法初步分析各尺寸参数对感应电流的影响,而后利用正交试验设计进行多因素分析,确定分流器的关键尺寸参数。基于克里金和径向基分别建立感应电流的快速计算模型,通过误差比较,最终确定径向基模型作为感应电流的快速计算模型。然后,基于Taguchi方法对锰铜分流器进行多目标稳健参数设计。以关键尺寸参数作为可控因素,设计公差作为误差因素,通过内外表直积法构建试验设计方案,利用径向基近似模型对感应电流进行快速计算,通过信噪比方差分析和综合平衡法确定四组实验方案。采用正交表对四组方案进行外表设计,最后通过均值和标准差比较得到设计参数的最优水平组合。最后,基于粒子群优化算法对锰铜分流器进行进一步全局寻优。基于RBF近似模型建立锰铜分流器的全局寻优模型,利用多目标粒子群优化算法进行求解,得到优化后的设计参数组合。对比Taguchi方法和粒子群算法的优化结果,验证粒子群算法在分流器多目标优化设计中的有效性。
【图文】：

锰铜,分流器,交变磁场

频磁场的干扰下会产生较大的感应电流，因此提出了一种新型结构的锰铜分流器，这种结构能够相互抵消来自不同方向的磁场干扰，在一定程度上提高了电能表的计量精度，新结构如图1-1(a)所示。张德伟等人为了避免电能表周围的交变磁场对采样电缆两端产生感应电压，通过在锰铜分流器上罩设交变磁场屏蔽罩，，以此降低磁场对电流采样的影响，如图1-1(b)所示。朱永虎通过将其中一侧信号线拉至另一侧，把锰铜电阻体平均分成两块面积相同的区域来防止交变磁场对分流器的干扰，如图1-1(c)所示。湖南大学吴涛为了克服锰铜电流分流器易受温度和磁场等因素影响的缺点，设计了一种基于PCB的Rogowski线圈并通过试验验证了其抗磁场干扰能力[32-34]。- 4 -

锰铜,分流器,工频磁场,感应电流

本课题的研究内容是工频磁场下智能电表锰铜分流器仿真分析与优化设计。本课题的研究目的是为了减小锰铜分流器在工频磁场干扰下产生的感应电流，提高单相智能电能表的计量精度。图1-2为整体研究内容，首先在Flux软件中搭建锰铜分流器的仿真模型，并通过实验验证仿真模型的准确性，为后面的单因素、多因素仿真分析提供模型基础。然后对锰铜分流器的尺寸参数进行单因素和多因素仿真分析，确定关键尺寸参数，为搭建快速计算模型提供数据基础；分别建立感应电流的Kriging和RBF近似模型，并进行误差评估，确定了分流器感应电流的快速计算方法。而后通过Taguchi稳健参数设计对锰铜分流器进行优化设计，确定稳健参数设计的最优水平组合。最后，利用多目标粒子群优化算法对分流器进行全局寻优。- 7 -
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM933.4

【参考文献】