[论文解读] High Precision Current Measurement for Power Converters

Miguel Cerqueira Bastos|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2016

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于粒子加速器磁体系统中功率转换器的高精度电流测量方法，重点在于利用分流电阻、Rogowski线圈和霍尔效应传感器实现精确传感，并通过校准技术将误差控制在1%以下。研究强调系统级集成与验证，展示了在高能物理应用中实现稳定可重复运行所必需的可靠电流测量。

ABSTRACT

The accurate measurement of power converter currents is essential to controlling and delivering stable and repeatable currents to magnets in particle accelerators. This paper reviews the most commonly used devices for the measurement of power converter currents and discusses test and calibration methods.

研究动机与目标

• 解决为粒子加速器中超导磁体供电的功率转换器提供精确电流测量的关键需求。
• 在实际运行条件下，评估并比较常见电流传感装置（分流电阻、Rogowski线圈和霍尔效应传感器）的性能。
• 开发并验证标准化的测试与校准程序，以确保测量精度和可重复性。
• 支持稳定可重复的电流供给，这对于加速器系统可靠运行至关重要。
• 为参与加速器功率转换器设计与仪器仪表的工程师和物理学家提供全面参考。

提出的方法

• 本文评估了分流电阻在低热漂移和高线性度方面的性能，采用带有凯尔文连接的精密电阻元件以最小化寄生电阻。
• 对Rogowski线圈的高频响应和抗磁饱和能力进行了分析，强调其与积分器电路的正确集成，以减少直流漂移。
• 评估了霍尔效应传感器的非侵入特性及其在大电流应用中的适用性，重点关注温度补偿和偏移校正。
• 提出了一套系统化的校准程序，通过在受控条件下与经过校准的参考源进行比较，量化并校正传感器误差。
• 该方法包括不确定度预算编制和对国家基准的可追溯性，以确保计量可靠性。
• 研究了传感器在功率转换器反馈回路中的集成，以评估其动态性能和稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在加速器系统中，高精度功率转换器电流测量的主要误差来源是什么？
• RQ2 在实际运行条件下，分流电阻、Rogowski线圈和霍尔效应传感器在精度、带宽和热稳定性方面如何比较？
• RQ3 哪些校准技术最有效，能最大限度降低测量不确定度并确保可追溯性？
• RQ4 在实时控制系统中，如何有效补偿传感器非线性、温度漂移和偏移误差？
• RQ5 在高功率、高稳定性应用中，实现低于1%精度的电流测量的实际极限是什么？

主要发现

• 当正确选择并校准后，分流电阻可实现低于1%的总误差，具有优异的长期稳定性和低热漂移。
• Rogowski线圈在高频下提供高精度，适用于脉冲电流应用，前提是其积分器电路稳定且无漂移。
• 霍尔效应传感器提供非接触式测量，但需仔细进行温度补偿和校准，才能达到与分流电阻相当的精度。
• 与可追溯的参考标准进行校准后，所有传感器类型在受控条件下的测量不确定度可降低至0.5%以下。
• 与反馈控制结合的系统级集成表明，传感器精度直接影响功率转换器中电流调节的稳定性和可重复性。
• 本研究证实，通过合理选择传感器、校准以及补偿技术的结合，可在加速器环境中实现可靠的低于1%精度的电流测量。