CN102866283B - 一种叠加大直流偏置的交流电流的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种叠加大直流偏置的交流电流的测量装置，目的是测量叠加在大直流偏置上的小交流电流，测量的频率范围宽，在存在大直流偏置的情况下，能够准确测量出小交流信号。包括电流互感器和直流电流测量器件，电流互感器的闭合磁芯上分别绕有匝数为N2的次级感应绕组以及匝数为N1的直流抵偿绕组，被测电流作为互感器的初级电流从磁芯中心穿过；直流抵偿绕组通过依次连接的直流电流驱动电路和低通滤波电路连接直流电流测量器件，直流电流测量器件把测得的电流信号转换成电压信号，通过低通滤波电路滤除交流成分后，再通过直流电流驱动电路给直流抵偿绕组输出一个能抵消直流偏置电流在电流互感器中产生的磁感应强度的直流电流。

Description

一种叠加大直流偏置的交流电流的测量装置

技术领域

本发明涉及电流测量技术领域，特别是涉及一种叠加大直流偏置的交流电流的测量装置。

背景技术

如何准确方便地测量电流，一直是电流测量领域努力追求不断探索的课题。在测量回路中串一个小电阻（分流器），测量分流器两端的电压，通过欧姆定律I=U/R，用测得的电压除以分流器的电阻值，就可以计算出所需的电流值。这种测量方法使用设备少，方便快捷，受到了普遍欢迎。但这种方法在需要测量叠加有大直流偏置的交流电流时，会有如下几个缺点，一是和测量回路不隔离，存在一定的安全隐患，如果另加隔离措施，则增加了成本和复杂性，代价比较大，二是根据P＝I_直流 ²*R（取样电阻功率），当直流电流变得很大的时候，取样电阻的功率将急速增长，只能被迫将取样电阻选的十分小，此时叠加在直流上的小交流电流的压降将非常小，不利于测量，误差也大。举个例子，如果直流偏置是50A，将分流电阻选为0.001欧姆，若交流电流为10mA（0.01A），则取样电阻的功率P=I²*R=2.5瓦，U_交流=RI_交流=0.001*0.01=0.00001V=10uV，交流电流的压降只有微伏级，基本无法测量，会造成较大误差。

霍尔电流传感器也是一种测量电流的方法，它能采用隔离的方式测量被测线路的电流。它是一种基于霍尔效应的电流传感器，原理是通过检测磁场及其变化来检测电流，被测电流在磁场中产生磁场强度，通过霍尔器件感应这种磁场强度，把霍尔器件放在铁芯的气隙中，当被测导线通过电流I时，在铁芯中产生垂直于霍尔器件表面的磁场B，根据霍尔效应原理，霍尔器件将产生霍尔电压V，经过电路放大最终输出的电压和被测的电流理论上呈线性的关系，由霍尔输出电压的数值即可得出被测电流值。霍尔传感器结构简单，测量结果的精度和线性度都较高，能够测量直流、交流和各种波形的电流，似乎能满足测量叠加有大直流偏置的小交流信号的测量的需求，但是分析起来它有以下几个缺点：①它的频带不够宽，现在市场上能买到的带宽比较宽的霍尔器件大概在0到200kHz左右；②霍尔传感器满量程一般都比较大（比如几十安培），对小幅度的电流（比如几毫安）分辨力不够，相对于大的直流，小的交流信号要小得多，所以测量出来的交流部分很不准确，误差很大。

电流互感器是测量电流的另一种方法。电流互感器的原理是依据电磁感应原理。电流互感器由闭合的铁心和绕组组成，它的初级绕组匝数很少，一般为一匝或几匝，串在需要测量的电流线路中，次级绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，通过电流互感器可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。因为磁性材料只能传递耦合交流的信号，不能传递直流的信号，因此只能测量交流电流。传统的电流互感器如果直接测量叠加有大直流偏置的小交流信号，则大直流会使磁芯饱和，丧失耦合交流信号的作用，因而无法达到测量叠加有大直流偏置的小交流信号的目的。

发明内容

本发明根据现有技术存在的缺陷，提供一种叠加大直流偏置的交流电流的测量装置，测量的对象是叠加在大直流上的小的交流电流，测量的频率范围宽，测量准确度高。

本发明的技术方案是：

一种叠加大直流偏置的交流电流的测量装置，其特征在于，包括电流互感器和直流电流测量器件，所述电流互感器的闭合磁芯上分别绕有匝数为N2的次级感应绕组以及匝数为N1的直流抵偿绕组，被测电流作为互感器的初级电流从磁芯中心穿过；所述直流抵偿绕组通过依次连接的直流电流驱动电路和低通滤波电路连接直流电流测量器件，所述直流电流测量器件把测得的电流信号转换成电压信号，通过低通滤波电路滤除交流成分后，再通过直流电流驱动电路给直流抵偿绕组输出一个能抵消直流偏置电流在电流互感器中产生的磁感应强度的直流电流。

所述直流电流驱动电路包括由运算放大器、场效应管和反馈电阻组成的闭环控制回路，所述低通滤波电路输出的近似直流的电压信号输入至运算放大器的同相输入端，运算放大器的反相输入端连接至场效应管的负输出极，该输出级通过反馈电阻接地，运算放大器的输出端连接场效应管的控制极；所述直流抵偿绕组的一端连接场效应管的正输出极，直流抵偿绕组的另一端通过保护电阻连接供电电源。

所述次级感应绕组依次连接电流电压转换电路和信号调理及频率补偿电路，通过电流电压转换电路把感应的交流电流转换成电压信号，再通过信号调理和频率补偿电路最终输出与被测的交流电流成一定比例的电压信号。

所述电流电压转换电路包括运算放大器，运算放大器的输出端与反相输入端之间具有反馈电阻，运算放大器的两个输入端通过输入保护电路连接所述电流互感器的次级感应绕组输出端，所述输入保护电路包括两个反向并联连接的二极管。

当被测交流电流的频率范围在10Hz～1MHz时，所述磁芯选用高磁导率材料，所述高磁导率材料包括坡莫合金、非晶磁芯或纳米晶磁芯。

当被测交流电流的频率范围在10kHz～30MHz时，所述磁芯选用低磁导率材料，所述低磁导率材料包括铁氧体磁芯或铁硅铝磁芯。

所述直流电流测量器件为霍尔传感器。

所述直流偏置电流幅度的最大值大于50A；所述交流电流幅度的最小值大于1mA。

本发明的技术效果：

本发明提供的一种叠加大直流偏置的交流电流的测量装置，目的是测量叠加在大直流偏置上的小交流电流，测量的频率范围宽，能达到10Hz～30MHz，在存在大直流偏置的情况下，能够准确测量出小交流信号，测量的直流偏置幅度的最大值大于50A，交流信号幅度的最小值大于1mA。本发明的装置采用非接触的隔离的电流互感器的模式来进行交流电流测量，电流互感器的磁芯上分别绕有两个绕组：次级感应绕组和直流抵偿绕组，次级感应绕组起的作用是感应被测电流中的交流电流成分，通过电流电压转换电路把交流电流转换成电压信号，再经过信号调理和频率补偿电路最终输出与被测电流中交流电流成一定比例的电压信号，达到测量出被测电流中的交流信号的目的；直流抵偿绕组的作用是根据给它提供的一定大小的直流电流，使它在磁芯中所产生的磁感应强度大小与被测电流中的直流偏置电流在磁芯中产生的磁感应强度大小相等，方向相反，这样就可以保证磁芯不会因为直流偏置过大而饱和，保证互感器电路能正常工作；被测电流中的直流偏置电流可以通过直流电流测量器件，比如霍尔传感器等，来转换成电压信号，转换出的电压信号通过低通滤波器滤除被测频带内的交流信号，成为一个近似直流的信号，给直流电流驱动电路，使直流电流驱动电路输出一个直流反馈电流给直流抵偿绕组。

本发明的装置还在直流抵偿的方法上有创新，本发明的直流抵偿的特点在于它是使用一个独立的器件去测量直流，跟测量交流的电流互感器保持独立。这样做有两个好处，一是测量直流的器件选择品种多，可以相互替换，不需要把测量直流的部分和测量交流的两个部分进行严格工艺设计组合在一起，降低了工艺成本；二是虽然直流抵偿的目的是抵消直流偏置的影响，但是本装置并不是十分严格意义的闭环控制，（严格的闭环控制会要求磁芯中的磁通量直流分量始终为0，这样容易产生震荡，并且工艺水平要求很高），本装置中反馈的抵偿直流有一些小偏差，但不影响最终的测试数据，整个电路容易稳定，不容易产生震荡。

附图说明

图1是本发明的一种叠加大直流偏置的交流电流的测量装置的结构示意图。

图2是本发明测量装置中给直流抵偿绕组提供直流反馈电流的电路实施例示意图。

图3是本发明测量装置中的电流电压转换电路实施例示意图。

附图标记列示如下：1－被测电流，2－电流互感器磁芯，3－次级感应绕组，4－直流抵偿绕组，5－直流电流驱动电路，6－低通滤波电路，7－直流电流测量器件，8－电流电压转换电路，9－信号调理及频率补偿电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

如图1所示，为本发明的叠加大直流偏置的交流电流的测量装置的结构示意图。包括电流互感器，电流互感器的闭合磁芯2上分别绕有匝数为N2的次级感应绕组3以及匝数为N1的直流抵偿绕组4，被测电流1作为互感器的初级电流从磁芯中心穿过，直流抵偿绕组4通过依次连接的直流电流驱动电路5和低通滤波电路6连接直流电流测量器件7，直流电流测量器件7把测得的电流信号转换成电压信号，通过低通滤波电路6滤除交流成分后，再通过直流电流驱动电路5给直流抵偿绕组2输出一个能抵消直流偏置电流在电流互感器中产生的磁感应强度的直流电流。次级感应绕组3依次连接电流电压转换电路8和信号调理及频率补偿电路9，通过电流电压转换电路8把感应的交流电流转换成电压信号，再通过信号调理和频率补偿电路9最终输出与被测的交流电流成一定比例的电压信号。次级感应绕组起的作用是感应被测电流中的交流电流成分，通过电流电压转换电路把交流电流转换成电压信号，再经过信号调理和频率补偿电路最终得到与被测电流中交流电流成一定比例的电压信号，达到测量出被测电流中的交流信号的目的；直流抵偿绕组起的作用是抵偿被测电流中的直流偏置电流，根据给它提供的一定大小的直流电流，使它在磁芯中所产生的磁感应强度大小与被测电流的直流偏置电流在磁芯中产生的磁感应强度大小相等，方向相反，这样就可以保证磁芯不会因为直流偏置过大而饱和，保证互感器电路能正常工作，提供给直流抵偿绕组的直流电流，是根据测得的被测电流中直流偏置电流，反馈给直流抵偿绕组的直流反馈电流，大小为直流偏置电流的1/N1。

如图2所示，为给直流抵偿绕组提供直流反馈电流的电路实施例结构示意图。本装置通过直流电流测量器件7，例如霍尔传感器，测量被测电流中的直流偏置电流，被测电流从霍尔传感器中间穿过，霍尔传感器感应出来的是与被测电流成比例的电流信号，从S端输出，经过电阻R1转换成电压信号，输入给低通滤波电路，低通滤波电路可以选择的种类很多，例如LC滤波，RC滤波等，图2中低通滤波电路包括一个与电感L1串联的π型RC滤波电路，经过低通滤波电路滤除高频分量，得到一个近似直流的控制信号V1，输入给直流电流驱动电路，直流电流驱动电路包括由运算放大器A1、场效应管Q1、电阻R3组成的闭环控制回路，低通滤波电路输出的近似直流的电压信号V1输入至运算放大器A1的同相输入端，运算放大器A1的反相输入端连接至场效应管Q1的负输出极，该输出级通过电阻R3接地，运算放大器A1的输出端连接场效应管Q1的控制极，直流抵偿绕组的一端连接场效应管Q1的正输出极，直流抵偿绕组的另一端通过电阻R4连接供电电源VCC；直流电流驱动电路根据V1的大小，通过运放A1、场效应管Q1、电阻R3组成的闭环控制回路，使V2点的电压等于V1，这样就能得到一个反馈直流电流If从VCC流出，穿过直流抵偿绕组，再穿过Q1和R3，If与V1成正比例关系，这样就得到一个可以调节的直流反馈电流，合理选择霍尔传感器的变比，以及R1、R3的大小，就可以控制If的大小，使If等于1/N1。

如图3所示，是本发明测量装置中的电流电压转换电路实施例示意图。电流互感器次级感应绕组感应的被测电流中的交流电流，需要通过电流电压转换电路把交流电流转换成电压信号进行采集测量，电流互感器的电流转换成电压的方法很多，不同的方法带来的误差不同。本实施例的电流电压转换电路包括运算放大器A，运算放大器A的输出端与反相输入端之间具有反馈电阻R，运算放大器A的两个输入端通过输入保护电路连接所述电流互感器的次级感应绕组输出端，其中输入保护电路包括两个二极管D1和D2，将D1和D2反向并联后连接至次级感应绕组的输出端；这种方法所带来的误差是最小的，因为电流互感器次级感应绕组的输出端接到运放的两个输入端，在工作时这两端的电压几乎为0，次级电流流过电阻R，得到的输出电压Vo与次级电流及被测电流成比例关系。

本装置测量的频率范围宽，能达到10Hz～30MHz，装置上分为两个频段档，当被测交流电流的频率范围在10Hz～1MHz时，磁芯选用高磁导率的材料，所述高磁导率材料包括坡莫合金、非晶磁芯或纳米晶磁芯等；当被测交流电流的频率范围在10kHz～30MHz时，磁芯选用低磁导率、频率特性好的材料，如铁氧体磁芯或铁硅铝磁芯等。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种叠加大直流偏置的交流电流的测量装置，其特征在于，所述测量装置测量的是叠加在大直流偏置上的小交流电流，所述大直流偏置电流幅度的最大值大于50A；所述小交流电流幅度的最小值大于1mA；所述测量装置包括电流互感器和直流电流测量器件，所述电流互感器的闭合磁芯上分别绕有匝数为N2的次级感应绕组以及匝数为N1的直流抵偿绕组，被测电流作为互感器的初级电流从磁芯中心穿过；所述直流抵偿绕组通过依次连接的直流电流驱动电路和低通滤波电路连接直流电流测量器件，所述直流电流测量器件把测得的电流信号转换成电压信号，通过低通滤波电路滤除交流成分后，再通过直流电流驱动电路给直流抵偿绕组输出一个能抵消直流偏置电流在电流互感器中产生的磁感应强度的直流电流。

2.根据权利要求1所述的叠加大直流偏置的交流电流的测量装置，其特征在于，所述直流电流驱动电路包括由运算放大器、场效应管和反馈电阻组成的闭环控制回路，所述低通滤波电路输出的近似直流的电压信号输入至运算放大器的同相输入端，运算放大器的反相输入端连接至场效应管的负输出极，该输出级通过反馈电阻接地，运算放大器的输出端连接场效应管的控制极；所述直流抵偿绕组的一端连接场效应管的正输出极，直流抵偿绕组的另一端通过保护电阻连接供电电源。

3.根据权利要求1所述的叠加大直流偏置的交流电流的测量装置，其特征在于，所述次级感应绕组依次连接电流电压转换电路和信号调理及频率补偿电路，通过电流电压转换电路把感应的交流电流转换成电压信号，再通过信号调理和频率补偿电路最终输出与被测的交流电流成比例的电压信号。

4.根据权利要求3所述的叠加大直流偏置的交流电流的测量装置，其特征在于，所述电流电压转换电路包括运算放大器，运算放大器的输出端与反相输入端之间具有反馈电阻，运算放大器的两个输入端通过输入保护电路连接所述电流互感器的次级感应绕组输出端，所述输入保护电路包括两个反向并联连接的二极管。

5.根据权利要求1至4之一所述的叠加大直流偏置的交流电流的测量装置，其特征在于，当被测交流电流的频率范围在10Hz～1MHz时，所述磁芯选用高磁导率材料，所述高磁导率材料包括坡莫合金、非晶磁芯或纳米晶磁芯。

6.根据权利要求1至4之一所述的叠加大直流偏置的交流电流的测量装置，其特征在于，当被测交流电流的频率范围在10kHz～30MHz时，所述磁芯选用低磁导率材料，所述低磁导率材料包括铁氧体磁芯或铁硅铝磁芯。

7.根据权利要求1至4之一所述的叠加大直流偏置的交流电流的测量装置，其特征在于，所述直流电流测量器件为霍尔传感器。