CN101120496B - 通过匹配外加交流电的频率来进行感应式直流电流检测及转换器导磁率的温度响应补偿的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对一直流电流(IDC)进行电感式检测的装置(1)。所述装置包括初级侧有一直流电流(IDC)通过的电感式互感器(2)与一开关电路(4)，所述开关电路具有一交变信号源(5)、所述互感器(3)的次级绕组(3)与一测量元件(6)。所述交变信号源(5)包含用于使所产生的交变信号(A)的一频率(f)发生与温度相关的变化的变频装置(9)。所述与温度相关的频率(f)与所述互感器(2)的相对磁导率(μr)的温度相关性相抵消。

Description

通过匹配外加交流电的频率来进行感应式直流电流检测及转换器导磁率的温度响应补偿的装置
技术领域
本发明涉及用于对一直流电流进行电感式检测的装置，所述装置特别根据可控电感原理而建构。
背景技术
这种装置例如用于一交直流敏感的差动电流保护开关设备或一交直流敏感的故障电流保护开关设备。其应用范围包括建筑工程和工业设备工程中的布线技术。在上述设备中，通过将在多个初级侧导线内流动的电流同相相加来进行差动电流检测。尽管所用互感器采用的是电感式工作原理，但除交流-差动电流和脉冲直流-差动电流外，交直流敏感设备也会对平稳的直流-差动电流进行检测。为此，总和电流互感器的次级侧接入一电子开关电路中。一交变信号源为一由次级绕组与一测量电阻器构成的分压器提供一交变信号。初级侧的直流电流/直流分量会对总和电流互感器的相对磁导率产生影响，因而也会对测量电阻器上的压降产生影响。对这一电压进行分析，并将其用于触发一开关指令。
这种分析在温度恒定情况下的效果很好。但当温度发生变化时，互感器的相对磁导率所具有的温度相关性就会导致出现测量误差，进而引起误触发。已知装置通过为互感器铁芯选择特殊材料、通过进行特殊的工作点调整和/或通过在分析测量信号时进行后续温度补偿来抑制相对磁导率的这种温度相关性。这些方案比较复杂，只能在一相对较小的温度范围内才能实现，且对测量信号分析的自由度有一定限制。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于对一直流电流进行电感式检测的装置，借助尽可能简单的装置在一定的温度范围内对电感式互感器的温度相关性进行补偿。
这个目的通过本发明的装置的特征而达成。本发明的装置包括：
一电感式互感器，具有一有直流电流通过的初级绕组与一个次级绕组，以及
一开关电路，其组成部分至少包括
所述次级绕组，
一用于为所述次级绕组提供一交变信号的交变信号源，以及
一与所述次级绕组串联、用于提取一测量信号的测量元件，
其中，所述交变信号源包含用于使所述交变信号的频率根据温度发生变化的变频装置。所述次级绕组具有一受频率和相对磁导率影响的阻抗值，其中频率的温度相关性设计为正好与相对磁导率的温度相关性相抵消。
本发明认识到，次级侧的互感器阻抗的频率相关性可有利地用于对相对磁导率的温度相关性进行补偿。因此，本发明的装置中设置有一交变信号源，其所产生的交变信号具有一与温度相关的频率。其中，所述频率的温度相关性如此选择，使得互感器阻抗的频率响应正好与相对磁导率的温度相关性相抵消。所述频率与相对磁导率均为互感器阻抗的影响量。
根据本发明，针对性地为所述交变信号的频率设置一温度相关性，从而至少在一相对较大的温度范围内对干扰所述相对磁导率的温度相关性进行大范围补偿。这一补偿直接在特别实施为总和电流互感器的电感式互感器中进行，因而特别有效。这样就无需再在分析测量信号时进行后续温度补偿。这样，所述分析方式就可按照其他标准设计，从而可以更简单、更清楚以及更灵活的方式实施这一分析。
根据一有利方案，变频装置包括一温度相关组件，所述温度相关组件特别为一温度相关电阻器。原则上可用一具有负温度系数(NTC热敏电阻器)或正温度系数(PTC热敏电阻器)的电阻器。根据具体用途，即根据电感式互感器待补偿的温度相关性进行选择。相对磁导率的温度相关性可由所用磁芯材料和相关温度范围决定。无论是温度系数为负的热敏电阻器，还是温度系数为正的热敏电阻器，其均是可用性较高的低价标准组件。
此外，变频装置还可包括一周期与温度相关的矩形波发生器。矩形波发生器可以简单的方式借助一反馈运算放大器而实现。这类多谐振荡器电路的实现成本较低。
根据一特别有利的方案，矩形波发生器在其反馈支路中包含一温度系数为负的电阻器，即一NTC热敏电阻器。为实现有利的与温度相关的频率特性，仅用一带有所述NTC电阻器的与温度相关的电阻器阵列取代原本设置在反馈支路中用于确定振动频率的电阻器。
如果所述温度系数为负的电阻器与其他电阻器相连，就可以灵活的方式特别有效地复制所述相对磁导率的温度相关性和电感式互感器的温度相关性。视相对磁导率的具体温度相关性而定，可设置一特殊电路。
根据另一方案，变频装置包括一低通滤波器。所述低通滤波器特别连接在矩形波发生器后面。在此情况下，被传输给电感式互感器次级绕组的大致为正弦形的交变信号基本仅具有一个频率。可特别选择这样一个频率，在这个频率下可以最有效地复制相对磁导率的温度相关性。在仅存在一个供给频率的情况下，可避免由于混合频率而导致的混淆，各个频率的温度特性可能彼此不同。
附图说明
下面借助附图所示的实施例对本发明的特征、优点和细节作进一步说明，其中：
图1为一用于进行温度补偿式直流电流检测的装置的实施例；
图2为在不同温度情况下，图1所示装置使用的电感式互感器的相对磁导率的测量曲线；以及
图3为用于图1所示装置的交变信号源的实施例，所述交变信号源所产生的交变信号具有与温度相关的频率。
具体实施方式
相同部件在图1和图3中均用相同参考符号表示。
图1显示的是一温度补偿式直流电流检测装置1的实施例。该装置1为一未详细图示的交直流敏感故障电流保护开关的一组成部分。该装置1包括一总和电流互感器2，所述总和电流互感器的初级侧有一待检直流电流IDC通过，次级侧具有一个次级绕组3。装置1的其他组成部分为一开关电路4。所述开关电路包含一交变信号源5、由次级绕组3与一测量电阻器6构成的一串联电路和一分析单元7。为对初级侧交流电流或交流分量进行检测，有一电容器8与次级绕组3并联，就纯粹的直流电流检测而言，原则上也可以不使用这一电容器。
交变信号源5包含由一正弦源9、一放大器10与一可选串联电阻器11构成的一串联连接。所述交变信号源产生一频率f与温度
Figure GA20181206200680005082201D00031
相关的正弦询问信号A。
连接在测量电阻器6上的分析单元7包括一整流器12、一放大器13、一比较器14与一吸持磁体形式的开关脱扣器15。
下面借助图1所示的简图对装置1的工作方式进行说明。
交变信号源5产生的询问信号A被送入次级绕组3与测量电阻器6的串联电路中。在初级侧流动的一直流电流IDC对总和电流互感器2的相对磁导率μr产生影响，进而影响到测量电阻器6上用作测量信号M的一压降。测量信号M经分析单元7整流后被放大器13放大至一电压电平，这一电压电平可在连接在后面的比较器14中与比较输入端上的一基准电压UR相比较。根据比较结果向开关脱扣器15发送一开关指令。如果在总和电流互感器2的初级侧上流动的直流电流IDC大于一预定阈值，开关脱扣器15就会将初级电路中的一未详细图示的开关断开。
次级绕组3的一复阻抗Z也会对测量电阻器6上的压降产生决定性影响。这一复阻抗的计算方式为：
|Z|＝2·π·f·L                                  (1)，
其中，f表示询问信号A的当前频率，L表示次级绕组3的一电感。计算电感L时需用到各种取决于总和电流互感器2的特殊构造的不同参数。其中，电感L与相对磁导率μr之间的比例关系为：
Figure GA20181206200680005082201D00041
相对磁导率μr取决于总和电流互感器2的磁芯所用的材料。相对磁导率μr与温度
Figure GA20181206200680005082201D00042
相关，因而当环境温度发生变化时，会导致出现测量误差，进而引起误触发。
从图2所示的测量曲线中可以看出相对磁导率μr的温度特性。这些测量曲线分别表示当环境温度
Figure GA20181206200680005082201D00043
Figure GA20181206200680005082201D00044
和
Figure GA20181206200680005082201D00045
以及初级侧直流电流IDC＝30mA(下方曲线)和IDC＝0(上方曲线)时相对磁导率μr的变化情况。从前两个简图中可以看出，在IDC＝30mA和
Figure GA20181206200680005082201D00046
的情况下，当温度下降至-25℃时，磁导率值会从40000上升至80000。这表示在温度
Figure GA20181206200680005082201D00047
的情况下，只有当初级侧直流电流IDC的值超过85mA时，比较器14才会发出一脱扣指令，其中，比较器14的基准电压UR是在环境温度
Figure GA20181206200680005082201D000410
情况下对应于30mA的初级侧直流电流IDC而设定的。这种触发阈值上升现象会给装置1的使用者带来危害，不再有确保安全的功能。
为避免此种情形，正弦源9产生一频率f与温度
Figure GA20181206200680005082201D000411
相关的输出信号。从等式(1)可以看出，对阻抗值|Z|产生影响的不仅有电感L和相对磁导率μr，还有频率f。频率f的温度相关性
Figure GA20181206200680005082201D000412
设计为正好与相对磁导率μr的温度相关性相抵消，并至少在一较大的温度范围内对相对磁导率μr的温度相关性进行很大程度上的补偿。
图3显示的是正弦源9的电路实现方案的一实施例。正弦源9包括一矩形波发生器16与一连接在后面的二阶低通滤波器17。这两个单元均借助一与其他组件相连的运算放大器18和19而建构。运算放大器18配有一与其正输入端反馈相连的电阻器20以及一个与其负输入端反馈相连的温度相关电阻器阵列21。此外，正输入端和负输入端分别通过一其他电阻器22与一电容23连接在一工作电压UB2上。运算放大器18可用另一工作电压UB1工作(运算放大器19也同样如此)。运算放大器18的正输入端与接地之间还连接有一振荡电容24。
温度相关电阻器阵列21由一串联电阻器25、一并联电阻器26、一其他串联电阻器27与一NTC电阻器28构成，其中，其他串联电阻器27与NTC电阻器28串联，这一串联连接与并联电阻器26并联，这一并联连接与串联电阻器25串联。电阻器25至27的大小及其所采取的布置方式使得NTC电阻器28受到尽可能小的电负荷。此外，电阻器25至27确定电阻器阵列21的一整体温度相关性，这一整体温度相关性以有利的方式与相对磁导率μr的温度相关性相抵消。
运算放大器19与电阻器29、30和31以及电容32和33相连，从而形成二阶低通滤波器17。
在图3所示的实施例中，各组件的规格分别为：运算放大器18是型号为LMC6762，运算放大器19是型号为LPC682。电阻器20和电阻器22的值均为576kΩ。电容23的值为10nF。振荡电容24的值为3.3nF。构成电阻器阵列21的电阻器25至28的规格分别为：电阻器25的值为453kΩ，电阻器26的值为549kΩ，电阻器27的值为51.1kΩ，NTC电阻器28的值为100kΩ。低通滤波器的电阻器29、30和31的值分别为402kΩ、806kΩ和549kΩ。电容32和33的值分别为2.2nF和10nF。工作电压UB1和UB2分别为12V和6V。
下面对正弦源9的工作方式进行说明。矩形波发生器16在运算放大器18的输出端上产生一周期为T的矩形信号，
Figure GA20181206200680005082201D00051
其中，R1表示电阻器22的值，R2表示电阻器20的值，C2表示电容23的值，
Figure GA20181206200680005082201D00052
表示电阻器阵列21与温度相关的值。根据等式(3)，周期T与所述与温度相关的电阻器阵列21的值成比例。
矩形波发生器16的矩形输出信号在连接在后面的低通滤波器17中接受滤波处理，从而在正弦源9的输出端上产生一基本为正弦形的信号，这一信号仅具有一个与温度相关的频率
Figure GA20181206200680005082201D00053
频率f为周期T的倒数。根据这一与温度相关的频率
Figure GA20181206200680005082201D00054
可算出总和电流互感器2的阻抗值：
Figure GA20181206200680005082201D00055
从等式(4)可以看出，计算阻抗值|Z|时，对频率f的温度相关性有决定性影响的电阻器阵列21的温度相关性与相对磁导率μr的温度相关性是相逆的。电阻器阵列21的温度特性取决于具有负温度系数的NTC电阻器28。相应地，电阻器阵列21低温时所具有的电阻值也高于温度较高时的电阻值。如上文中借助图2所示的前两个测量曲线所说明的那样，当温度从
Figure GA20181206200680005082201D00056
Figure GA20181206200680005082201D00057
下降至
Figure GA20181206200680005082201D00058
时，相对磁导率会上升。也就是说，电阻器阵列21和相对磁导率μr的温度曲线至少在这一温度范围内是同向的，根据等式(4)，计算阻抗值时用的是电阻器阵列21的倒数，而相对磁导率μr则是以分子形式出现的。借此可实现对各温度相关性的补偿。

Claims (6)

1.用于对一直流电流(IDC)进行电感式检测的装置，所述装置根据可控电感原理而建构，包括
一电感式互感器(2)，具有一个有直流电流(IDC)通过的初级绕组与一个次级绕组(3)，以及
一开关电路(4)，其组成部分至少包括
所述次级绕组(3)，
一用于为所述次级绕组(3)提供一交变信号(A)的交变信号源(5)，以及
一与所述次级绕组(3)串联、用于提取测量信号(M)的测量元件(6)，
其中，所述交变信号源(5)包含变频装置(9)，该变频装置用于使所述交变信号(A)的一频率(f)根据温度发生变化；且所述次级绕组(3)具有一受频率(f)和相对磁导率(μr)影响的阻抗值|Z|，其中频率(f)的温度相关性设计为正好与相对磁导率(μr)的温度相关性相抵消。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述变频装置(9)包括一温度相关组件。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，
所述变频装置(9)包括：矩形波发生器(16)，其周期(T)与温度相关。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述矩形波发生器(16)在其反馈支路中包含一温度系数为负的电阻器(28)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，
为复制所述电感式互感器的温度相关性，所述温度系数为负的电阻器(28)在一电阻器阵列(21)中与其他电阻器(25，26，27)相连。
6.根据上述权利要求1和2中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，
所述变频装置(9)包括一低通滤波器(17)。
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