CN101238378B - 三相电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于测量三相传导系统中的三个导体中流动的电流(I_PH1，I_PH2，I_PH3)的三相电流传感器，包括第一磁测量装置(D1)和第二磁测量装置(D3)。每个磁测量装置包括磁路(M)，所述磁路(M)包括至少两个插入间隙(E1，E2；E3，E4)，以及放置在磁路的每个间隙中的磁场检测器(C1，C2，C3，C4)。所述磁测量装置位于中间导体或腔的任何一端，从而以形成所述传导系统的三相的其中一相的方式，插入中间导体。

Description

三相电流传感器

技术领域

本发明涉及用于测量三相传导系统中的电流的传感器。 

本发明尤其被用于测量大振幅的三相电流。 

背景技术

有许多三相电流传感器用在工业领域中的应用，尤其用于控制或监视三相电机。典型地，在三相系统中，电流传感器包括一个软的磁路，其通常为带间隙的层压磁性材料，在间隙中放置磁场传感器，电流传感器围绕三个导体的每一个放置。一种非常普遍的磁场传感器是集成到ASIC中的霍尔(Hall)效应传感器，ASIC具有连接到印刷电路的端子，用于处理信号。假定电流之和为0，则通过将传感器围绕三相的其中两相放置，可以由此测量电流而且可以推断出电功率。然而，如果还想要检测可能的漏泄电流，特别是出于安全理由，则需要测量三相中的电流，而且将围绕每一相放置传感器。 

强电流的测量对现有传感器提出了问题而且要求特殊的、笨重且昂贵的测量。强电流产生强磁场，强磁场可能使得传感器的磁路饱和，导致非线性响应并因而导致测量误差。当三相的各导体相互靠近时，这种饱和问题更加严重，因为相邻导体的磁场加入到由相关的传感器围绕其放置的导体产生的磁场。 

为了避免磁路的饱和，可以增大磁路部分。在许多应用中(例如在汽车领域)，却在设法减小测量设备的庞大和重量。电流传感器的一个未来的应用恰恰是在用于电动汽车的控制电功率系统的领域，在那里电流可能非常的强，因为推进车辆所需的相对低的电压和大的功率。增大磁路部分将会增大传感器的成本。 

另一个已在考虑的解决方案是将磁场传感器的至少其中一个放 到在承载三相的导体的其中一个中形成的凹口内，以便降低磁路的数量并且限制这些电流的饱和问题。然而，在其中一个导体中制造一个凹口并在这个凹口内安装一个磁场传感器是一个昂贵的解决方案。此外，仍然不能解决由邻近的强电流导体产生的磁场的影响的问题，该问题限制了降低测量装置的笨重性的可能。 

发明内容

本发明的目的是提供一种紧凑却不是非常昂贵的三相电流传感器，特别是用于测量强电流。就“强电流”来说，指的是考虑了分隔三相的距离和传感器的笨重的高强度电流。 

提供一种可以容易地在诸如三相电机的电源系统的三相传导系统中安装和连接的三相电流传感器是有利的。 

提供一种对外部场，例如由位于传感器附近的电导体产生的场，不是十分敏感的三相电流传感器是有利的。 

提供一种在大电流幅度范围之上提供良好的电流测量精确度的三相电流传感器是有利的。 

本发明的目的是通过根据权利要求1的电流传感器和根据权利要求9用于测量电流的方法实现的。 

在本申请中，三相电流传感器被描述为用于测量三相传导系统内流动的电流，包括第一磁测量装置和第二磁测量装置，每个磁测量装置包括一个磁路，磁路包括至少两个间隙和在磁路的每个间隙中放置的磁场检测器。所述磁测量装置位于中间导体部分的任何一端，或者位于用于插入形成传导系统的三相的其中一相的中间导体的空腔的任何一端。 

优选地，磁测量装置的每个磁路的至少两个间隙基本上位于同一平面内。 

优选地，与传感器交叉的三个导体部分的轴或者用于插入三个导体的三个空腔的轴基本上平行，并且位于间隙的所述平面内。 

优选地，位于间隙内的磁检测器为制成ASIC的霍尔效应传感 器。 

在优选实施例中，存在两个磁路而且每个磁路中有两个间隙，间隙与穿过传感器的初级导体部分或者与用于插入穿过传感器的初级导体的空腔的轴在同一个平面内布置，两个磁路均位于其中一相上的导体的任何一端或者位于用于插入其中一相的导体的空腔的任何一端。中间初级导体因此没有磁测量装置。 

优选地，磁测量装置安装在公共支承板上。该支承板可形成一个壁，该壁形成磁路安装于其中的传感器的外壳的一部分。该支承板还可以包括带有用于处理信号的电子组件的电路。 

在本申请中，还描述了一种借助于电流传感器用于测量三相传导系统中流动的电流的方法，该电流传感器包括第一磁测量装置和第二磁测量装置，该方法包括： 

-由第一磁装置根据由三相中的第一相的电流产生的磁场的测量，测量在该第一相内流动的所述电流， 

-由第二磁装置根据由三相中的第三相的电流产生的磁场的测量，测量在该第三相内流动的所述电流，以及 

-根据第一和第二磁装置上的第二相的电流产生的磁场的影响，测量三相中的第二相的该电流。 

附图说明

根据权利要求书、根据以下各实施例的详细说明以及附图，本发明的其它有利方面和目的将变得显而易见，其中： 

图1a是根据本发明的第一个实施例的三相电流传感器的透视图； 

图1b是不带任何外壳的图1a的传感器的透视图； 

图2a和2b是根据本发明的第二个实施例的三相电流传感器的透视图； 

图2c是不带任何外壳的图2a和2b的电流传感器部分的透视图； 

图3是用于解释其工作原理的根据本发明的电流传感器的简化示意图；以及

图4a-4c是用于解释其工作原理的根据本发明的电流传感器部分的简化框图。 

具体实施方式

参考附图，电流传感器1用于测量在对应于传导系统，即电源或发电系统的三相的三个导体Ph1、Ph2、Ph3中流动的电流，该电流传感器包括用于检测磁场的装置D1、D3，外壳4以及支架5。支架5可形成外壳4的其中一个外壁。在另一个实施例中，支架5包括诸如印刷电路的电路板，在其上可安置电子元件用于处理测量信号，甚至其它用于控制和监视传感器和/或传送数据到电机的显示或控制单元的功能。为此目的，有可能提供安装在电路板上、或者简单地连接到磁检测装置的电接头6，以便电路能够与外部电子设备互连。 

磁场测量装置D1、D3包括具有由间隙E1，E2、E3，E4分隔的至少两个电路部分M1、M2、M3、M4的磁路M以及位于每个间隙E1、E2、E3、E4内的磁场检测器C1、C2、C3、C4。优选地，磁场的检测器为集成到ASIC内的霍尔效应传感器，而且具备连接端子7。霍尔传感器是众所周知的，因此无需于此对其进行说明。 

也可以使用其它的磁场检测器替代霍尔效应检测器。 

可以使用层叠的柔软材料薄层形成磁路M，具有如图所示的基本上为环型的形状，但它们也可以具有诸如正方形、矩形、多边形形状的其它形状。磁场测量装置D1、D3安装到传感器的末端，以便围绕位于中间导体Ph2的两端的导体Ph1、Ph3。承载三个相的该三个导体因此基本上在它们与传感器交叉的位置的同一个平面内平行放置。 

在第一个实施例中(图1a、1b)，导体部分2a、2b、2c穿过传感器，可以直接集成到传感器内，并且包含用于连接三个导体Ph1、Ph2、Ph3的端子8。 

在图2a-2c所示的另一个实施例中，传感器可能有通孔9a、9b、 9c，三个外部导体插入到该通孔内以穿过传感器。在这个实施例中，还可能以由轴/中线平面A分隔的两个部分形成传感器，以便能够将传感器围绕三个导体安装而不会不得不插入导体或阻断它们。由于每个磁路M有位于三个初级导体2a、2b、2c的同一校准平面A的两个间隙E1，E2、E3，E4，因此易于以两部分制造传感器。 

参考图3和4a-4c，我们现在将解释根据本发明的传感器的工作原理。 

参考图3，三相传感器将三相电流分组为将测量的I_PH1、I_PH2、I_PH3，以及磁测量装置D1、D3。在某些应用中，应该减小机械尺寸以便考虑到小型化的要求。这就引起了磁扰的问题(电流棒相互之间靠近)，其将产生非常大的测量误差。 

在本发明中，磁扰被用作参与精心设计的测量的元件而不是干扰元件。 

优选地，三个电流相位I_PH1、I_PH2、I_PH3在导体部分2a、2b、2c(相位Ph1、Ph2、Ph3)流动而且位于同一平面上。相位Ph1和Ph2以及相位Ph2和Ph3之间的距离(L1，L3)可以是任何的值，但是优选L1＝L3以便简化算法。还希望L1和L3尺寸足够的小以便从本系统的优点获益。 

测量元件包括用于感应测量的四个霍尔单元C1、C2、C3、C4和用于集中磁场的四个磁路部分M1、M2、M3、M4。霍尔单元和由磁路形成的间隙E1，E2、E3，E4位于与电流棒2a-2c的同一个轴/平面A之上。 

第一磁测量装置D1允许测量第一相的电流I_PH1。其包括相位Ph1(棒总线)，两个霍尔单元(单元C1，单元C2)，以及由间隙E1、E2分隔的两个磁路部分(M1，M2)。 

磁测量装置D3允许测量第三相的电流I_PH3。其包括相位Ph3(棒总线)，两个霍尔单元(单元C3，单元C4)，以及由间隙E3、E4分隔的两个磁路部分(M3，M4)。 

围绕相位Ph2没有磁测量装置。其包括相位Ph2(棒总线)。磁 测量装置D1、D3用于构成第二相的电流I_PH2的测量。 

图3中假定当电流进入装置时(由一个交叉线示意)各相位中的电流的方向为负。在这些条件下，磁场H1、H2、H3以顺时针方向流动。 

系统提供的输出信号由一个量来定义，该量表示在电流相位中流动的电流的镜像。这些信号S1、S2、S3例如可以是电压或电流的连续的电信号，例如串行线或射频链路协议的数字信号。可以使用任何类型的传输链路。 

S1＝系统的输出信号，示意了I_PH1的镜像； 

S2＝系统的输出信号，示意了I_PH2的镜像； 

S3＝系统的输出信号，示意了I_PH3的镜像。 

为了利于论证，我们假定霍尔单元C1、C2、C3、C4在现场被校准，使得四个元件的灵敏度是相同的。由霍尔单元提供的信号对于如图3中的由上至下的感应为负。在下面的关系中，我们认为： 

C1＝霍尔单元C1的信号 

C2＝霍尔单元C2的信号 

C3＝霍尔单元C3的信号 

C4＝霍尔单元C4的信号 

相位Ph1和Ph3由以下关系表征： 

S1＝S(I_PH1)＝(C2-C1)＊K1 

其中K1＝磁测量装置D1的灵敏度(增益)。 

S3＝S(I_PH3)＝(C4-C3)＊K3 

其中K3＝测量装置D2的灵敏度(增益)。 

系数K1和K3是将在霍尔单元的信号上应用，以便获得输出信号S(x)的物理量的变换率。在具有相同灵敏度的装置的保留假设之下，我们可以得到： 

K1＝K3＝K 

关系S1和S3变成： 

S1＝S(I_PH1)＝(C2-C1)＊K 

S3＝S(I_PH3)＝(C4-C3)＊K 

其中K＝装置D1和D3的灵敏度(增益)。 

通过借助磁测量装置D1和D3，系统可以提供计算信号S2的可能性而无需中间磁测量装置。I_PH2的测量值可根据以下关系来计算： 

S2＝S(I_PH2)＝(C4+C3)＊K23-(C2+C1)＊K21 

其中： 

K21＝相位2的电流对相位1的磁装置的影响的灵敏度(增益)； 

K23＝相位2的电流对相位3的磁装置的影响的灵敏度(增益)。 

系数K21和K32是将应用在来自霍尔单元的信号上，以便获得输出信号S(I_PH2)的物理量的变换率。在具有相同灵敏度的装置的保留假设之下，我们可以得到： 

K21＝K23＝K2 

S2＝S(I_PH2) 

其中 

K2＝相位2的电流对相位1和3的磁装置的影响的灵敏度(增益)。 

以上关系在以下条件下是有效的： 

-三个电流相位I_PH1、I_PH2、I_PH3是位于同一平面上而且位于一条直线上的轴上； 

-这些相位之间的距离是相等的(I1＝I3)； 

-磁路部分M1、M2、M3、M4具有相同形状而且对称地位于相位Ph1和Ph3的周围； 

-分隔这些磁路的磁隙相同(E1＝E2＝E3＝E4)； 

-磁测量元件(霍尔单元)在现场被校准使得每个元件的灵敏度是已知的而且为相同值，即S_C1＝S_C2＝S_C3＝S_C4。 

该校准校正了磁测量装置D1和D3的所有元件的尺寸、位置、对称性和灵敏度误差。 

这些布置提供对信号S1、S2和S3的计算的简化，以便仅对S2保持单个增益系数K2和对S1和S3保持增益系数K。 

磁测量装置的其它布置也是可能的，例如三相不在同一个轴/平面上，而且允许计算这三个相位的输出信号。然而，在此情况下，必须使用的更多的灵敏度系数以便获得精确的结果。 

在以上的论证中，我们已经假设使用有限初级电流棒，因此，没有电源电路的电流回路的磁场的影响。将传感器集成到功率子组件中可能对计算输出信号S2引入误差，这将仅对漏泄电流的计算的精度产生影响。 

电源电路的过程是已知的而且是可控的，因此有可能将来自回路电流的磁扰结合到灵敏度系数的计算中。传感器的校准系统应考虑这种磁环境以调整每个霍尔单元的灵敏度，以便获得期望的灵敏度系数K。 

在测量装置D1和D3的对称磁扰的情况下，简化的系数K和K2足以用于计算输出信号。如果磁扰是对称的，则必须引入多个系数(K21，K23)。 

总之，以上关系允许用两个磁测量装置D1和D3来计算三个相位的电流。利用磁测量装置的设计，有可能在相位Ph1和Ph3上获得极佳的测量精度而无论中间相位Ph2的接近程度。 

在缺乏不受控的扰动磁场的情况下，中间相位Ph2的测量具备良好的精度。在此情况下，我们可以考虑将信号S2用于测量I_PH2。 

在强扰动磁场以及不受测量系统控制的情况下，出现I_PH2测量误差。如果I_PH2测量精度不足，我们可以应用以下关系式： 

S2＝-(S1+S3) 

在此情况下，信号S2可有利地用于验证以下关系： 

I_PH1+I_PH2+I_PH3＝0 

这使得漏泄电流能够以足够的精度来检测并触发一个以降质模式工作的程序。 

系统为以有限数量的霍尔单元进行测量提供了足够的冗余度，从而为处理降质模式提供了足够的冗余度。 

如果四个磁场测量单元C1、C2、C3、C4的其中一个故障，则 可执行降质模式下的操作的触发。理论上，当霍尔效应单元故障时，其不再传送输出信号。这在用于控制三相电机的系统中是很容易检测到的。事实上，控制计算机控制这些相位中的电流并且期望读出霍尔单元的输出信号中的变化。在来自单元的信号中没有任何变化的情况下，计算机可以断定该单元未工作，并且以降质模式触发一个操作。 

该降质模式将考虑仍然工作的这三个单元并且根据一个新的公式计算信号S1、S2和S3。依赖于故障的霍尔单元，存在以下四种降质操作模式： 

C1故障：

S1＝S(I_PH1)＝C2＊K11+(C4+C3)＊K111 

K11＝S1灵敏度//C1故障 

K111＝S1校正系数//C1故障 

S3＝S(I_PH3)＝(C4-C3)＊K31 

K31＝S3灵敏度//C1故障 

S2＝S(I_PH2)＝(C3-C2)＊K21 

K21＝S2校正系数//C1故障 

C2故障.

S1＝S(I_PH1)＝C1＊K12+(C4+C3)＊K121 

K12＝S1灵敏度//C2故障 

K121＝S1校正系数//C2故障 

S3＝S(I_PH3)＝(C4-C3)＊K32 

K32＝S3灵敏度//C2故障 

S2＝S(I_PH2)＝(C3-C1)＊K22 

K22＝S2校正系数//C2故障 

C3故障：

S1＝S(I_PH1)＝(C2-C1)＊K13 

K13＝S1灵敏度//C3故障 

S3＝S(I_PH3)＝C4＊K33+(C1+C2)＊K331 

K33＝S3灵敏度//C3故障 

K331＝S3校正系数//C3故障 

S2＝S(I_PH2)＝(C4-C1)＊K23 

K23＝S2校正系数//C3故障 

C4故障：

S1＝S(I_PH1)＝(C2-C1)＊K14 

K14＝S1灵敏度//C4故障 

S3＝S(I_PH3)＝C3＊K34+(C1+C2)＊K341 

K34＝S3灵敏度//C4故障 

K341＝S3校正系数//C4故障 

S2＝S(I_PH2)＝(C3-C2)＊K24 

K24＝S2校正系数//C4故障 

由于之前已经选择了流入参数(相等和对称)，我们可以简化关系： 

X1＝K11＝-K34 

X2＝K111＝K341 

X3＝K12＝K33 

X4＝K121＝-K331 

X5＝K21＝K24 

X6＝K22＝K23 

X7＝K13＝K14＝K31＝K32 

放大的关系式变为： 

信号S1：

C1故障：S1＝S(I_PH1)＝C2＊X1+(C4+C3)＊X2 

C2故障：S1＝S(I_PH1)＝C2＊X3+(C4+C3)＊X4 

C3或C4故障：S1＝S(I_PH1)＝(C2-C1)＊X7 

信号S2：

C1或C4故障：S2＝S(I_PH2)＝(C4-C1)＊X5 

C2或C3故障：S2＝S(I_PH2)＝(C4-C1)＊X6 

信号S3：

C1或C2故障：S3＝S(I_PH3)＝(C4-C3)＊X7 

C3故障：S3＝S(I_PH3)＝C4＊X3-(C1+C2)＊X4 

C4故障：S3＝S(I_PH3)＝(C1+C2)＊X2-C3＊X1 

利用降质模式，如果四个单元中至多一个不工作，则有可能维持传感器的工作。传感器的性能不像有关对外部磁场(寄生场，回路电流)的抗扰性那样显著，但是降质模式提供了一种可接受的临时紧急解决方案，直到下一维修操作。 

当使用开环类型的装置时，该系统尤其适合于测量具有较高值的三相电流，例如几千安培的幅度等级(1,000A到2,000A或更大)。 

优点如下： 

-低成本开环技术； 

-测量高于1,000A的电流而不会引起磁路的任何饱和； 

-紧凑的机械设计； 

-仅用两个磁测量装置测量三个电流相位； 

-对均匀的外部磁场不敏感； 

-对三个电流相位的平面中流动的回路电流不敏感。 

图4a示出了外部磁场对传感器的影响。外部磁场He在单元B上产生正信号且在单元A上产生正信号。因此可以获得以下关系： 

S(He)＝k＊(B-A)＝0 

该装置由此能够防护外部均匀磁场。 

图4b示意了回路电流的影响。Ir是回路电流，Hr是由Ir产生 的磁场。磁场Hi在单元B上产生正信号而在单元A上产生负信号，因此可以获得以下关系： 

S(Ip)＝k＊(B-A) 

磁场Hr在单元B上产生正信号且在单元A上产生正信号。 

S(Ip)＝k＊(B-A)＝0 

因此可以获得以下关系： 

S＝S(Ip)+S(Hr)＝k＊(B-A) 

根据本发明的传感器因此能够比具有单个间隙的装置更好地防护外部磁场。 

图4c示意了垂直于这些间隙的轴的回路电流的影响。如同前一情形中的那样，磁场Hr对信号S没有影响： 

S＝S(Ip) 

该装置在磁路中产生了显著的感应电平。由磁路集中的磁场Hr将被加入到磁场Hi中，磁路的饱和可以被保持以产生该测量系统的非线性。根据图4c的配置的电流回路的定位于是比前面所讨论的其它配置稍差。 

Claims (10)

1.一种用于测量对应于传导系统的三相的三个导体(Ph1，Ph2，Ph3)中流动的电流(I_PH1，I_PH2，I_PH3)的三相电流传感器，包括第一磁测量装置(D1)和第二磁测量装置(D3)，每个磁测量装置包括具有两个间隙(E1，E2；E3，E4)的磁路(M)以及放置在磁路的每个间隙中的磁场检测器(C1，C2，C3，C4)，所述第一磁测量装置(D1)围绕对应于所述三相中的第一相的导体，所述第二磁测量装置(D3)围绕对应于所述三相中的第三相的导体。

2.根据权利要求1的三相电流传感器，其特征在于，每个磁测量装置的磁路的所述两个间隙位于同一平面(A)内。

3.根据权利要求2的三相电流传感器，其特征在于，用于插入对应于所述三相的三个导体的三个空腔的轴平行，并且位于间隙的所述平面(A)内。

4.根据权利要求1的三相电流传感器，其特征在于，位于间隙内的磁场检测器为霍尔效应传感器。

5.根据权利要求1的三相电流传感器，其特征在于，所述第一磁测量装置(D1)的磁路围绕对应于所述三相中的第一相的导体，所述第二磁测量装置(D3)的磁路围绕对应于所述三相中的第三相的导体。

6.根据权利要求1的三相电流传感器，其特征在于，第一磁测量装置(D1)和第二磁测量装置(D3)安装在公共支承板(5)上。

7.根据权利要求6的三相电流传感器，其特征在于，公共支承板形成一个壁，所述壁是第一磁测量装置(D1)和第二磁测量装置(D3)安装于其中的三相电流传感器的外壳(4)的一部分。

8.根据权利要求6的三相电流传感器，其特征在于，公共支承板包括其上安装有用于处理测量信号的电子元件的电路板。

9.一种借助于三相电流传感器测量对应于传导系统的三相的三个导体(Ph1，Ph2，Ph3)中流动的电流(I_PH1，I_PH2，I_PH3)的方法，所述三相电流传感器包括第一磁测量装置(D1)和第二磁测量装置(D3)，每个磁测量装置包括磁路(M)，所述第一磁测量装置(D1)的磁路围绕对应于所述三相中的第一相的导体，所述第二磁测量装置(D3)的磁路围绕对应于所述三相中的第三相的导体，所述方法包括：

-由第一磁测量装置(D1)根据对三相中的第一相的电流所产生的磁场的测量，测量在所述第一相内流动的电流(I_PH1)，

-由第二磁测量装置(D3)根据对三相中的第三相的电流所产生的磁场的测量，测量在所述第三相内流动的电流(I_PH3)，以及

-根据所述第一和第二磁测量装置上的第二相的电流产生的磁场的影响，测量三相中的第二相的电流(I_PH2)。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于，使用了根据权利要求1到8中的任何一项的三相电流传感器。

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