Design ottimale della doppia aria

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 239 (2023) Citare questo articolo

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La tecnologia avanzata dei sensori fornisce informazioni precise per un monitoraggio trasparente e un controllo in tempo reale della rete elettrica. Gli elementi di magnetoresistenza a tunnel (TMR) con elevata sensibilità e linearità forniscono un nuovo mezzo tecnico per la misurazione della corrente nei sistemi di distribuzione dell'energia CC a media tensione. Questo articolo propone un sensore di corrente TMR a doppio traferro e ad anello chiuso e il suo metodo di progettazione ottimale basato sul coefficiente minimo di uniformità del campo magnetico. La struttura a doppio traferro riduce l'errore di misurazione causato dall'eccentricità del filo, mentre la teoria e la modellazione del coefficiente minimo di uniformità del campo magnetico ottimizzano i parametri chiave, come il raggio interno del nucleo magnetico, la distanza dell'aria -gap e la dimensione dell'area del lato della sezione. Infine è stato sviluppato un prototipo di sensore con una corrente di misura nominale di ± 50 A. I risultati dell'esperimento mostrano che l'errore relativo del sensore di corrente TMR proposto è inferiore allo 0,2% rispetto alla corrente nominale. Si può trarre la conclusione che il sensore proposto con il design ottimizzato migliora effettivamente la precisione della misurazione.

La tecnologia avanzata dei sensori fornisce informazioni precise per il monitoraggio e il controllo del sistema di alimentazione. Negli ultimi anni, con lo sviluppo di dispositivi elettronici di potenza, le fonti di energia distribuita e i carichi con elementi elettronici di potenza, come il fotovoltaico, gli accumulatori di batterie e le pile di ricarica dei veicoli elettrici, sono stati sempre più collegati ai sistemi di distribuzione dell'energia. Di conseguenza, nella rete vengono immesse numerose forme d’onda transitorie e ciò rende più difficile la misurazione e il rilevamento della corrente. Vengono proposti requisiti più elevati per i sensori di corrente con capacità di misurazione accurata della corrente continua elevata, caratteristiche di ampia frequenza e poco costosi1,2.

Una possibile soluzione sono i sensori di corrente con sensore magnetico, come la magnetoresistenza Hall o Tunnel (TMR). Il sensore ad effetto Hall esiste da decenni ed è ampiamente applicato. Tuttavia, il sensore ad effetto Hall presenta difetti intrinseci, come sensibilità debole, bassa linearità ma sensibile alla temperatura3,4. L'elemento sensibile magnetico di quarta generazione TMR ha caratteristiche avanzate in termini di sensibilità, consumo energetico e temperatura5,6,7. I sensori di corrente con elementi TMR rappresentano una scelta nuova e migliore per la misurazione della corrente con forme d'onda complesse, ma è necessario risolvere alcuni problemi tecnici, come la struttura del sensore, le impostazioni dei parametri, ecc.

I sensori di corrente TMR basati su struttura ad anello aperto senza ferro sono stati il ​​primo sviluppo alcuni anni fa. Xu et al. ha progettato un sensore magnetico differenziale ultraminiaturizzato, in grado di misurare la corrente di ± 150 A e l'errore sperimentale è inferiore a ± 2% nell'intervallo di temperatura da −40 °C a 105 °C2. Shao et al. ha applicato il sensore di corrente TMR alla protezione da sovracorrente del transistor bipolare a gate isolato (IGBT) e ha proposto un sensore di corrente TMR ad array ad anello per misurare la corrente IGBT. Il sensore di corrente progettato può rilevare la sovracorrente di 120 A entro 604 ns8. Tuttavia, il sensore di corrente TMR basato su struttura ad anello aperto presenta due difetti principali: in primo luogo, l'intervallo di misurazione del sensore di corrente è limitato dall'intervallo di linearità dell'elemento sensore TMR, pertanto la corrente nominale di questo tipo di sensore di corrente è limitata entro circa un cento ampere. In secondo luogo, questo tipo di sensore di corrente è sensibile al cambiamento di temperatura e anche all'eccentricità del conduttore percorso da corrente.

Per aumentare l'intervallo di misurazione corrente e migliorare le caratteristiche della temperatura, gli studiosi hanno integrato la tecnologia a flusso zero nella misurazione corrente9,10. Yang ha proposto un sensore di corrente a circuito chiuso basato sul principio del flusso zero11, utilizzando un nucleo magnetico e un avvolgimento di feedback per formare una struttura a circuito chiuso per migliorare la sensibilità del sensore e ridurre notevolmente gli errori causati dalla temperatura e dall'isteresi. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, il conduttore percorso da corrente talvolta non si trova al centro del circuito magnetico. Il sensore di corrente ad anello chiuso non è molto resistente a questo errore di eccentricità12. Cheng et al. analizzato sistematicamente varie caratteristiche del nucleo magnetico per studiare i fattori che influenzano il nucleo magnetico del sensore di corrente a circuito chiuso13. Risolvendo il problema della saturazione del nucleo magnetico, Li propose un circuito ad anello chiuso senza nucleo magnetico, che avvolgeva direttamente il solenoide composto dalla bobina di retroazione sull'elemento sensore14. Roland et al. ha proposto un nuovo sensore di corrente senza nucleo basato su una matrice di sensori di campo magnetico circolare e ha applicato il principio ad anello chiuso a una matrice circolare. Tuttavia, questa struttura senza nucleo è suscettibile alle interferenze del campo magnetico esterno. È necessario garantire rigorosamente l'uniformità delle bobine avvolte sulla schiera anulare15, cosa difficile da ottenere nella produzione di massa a basso costo. Inoltre, la presenza di conduttori interferenti nelle vicinanze e il posizionamento dell'elemento sensore porteranno a cambiamenti nell'intensità dell'induzione magnetica misurata nel traferro, che influenzeranno anche la precisione di misurazione del sensore16. La fonte specifica dell'errore di misurazione deve ancora essere analizzata in modo approfondito e si dovrebbe determinare un metodo migliore per l'errore.