CN103018516A - 电流分流器及其检测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种用于改进电气系统（例如可再生能源电气系统）中的电流分流器检测的设备和方法。符合本发明各方面的电流分流器包括放置成与电气系统串联的导电部分。所述电流分流器包括检测元件，用于测量所述电流分流器的所述导电部分上的电压。相对于所述分流器的所述导电部分的宽度而言，所述检测元件具有较大宽度。所述检测元件的所述较大宽度提供改良的电流分流器检测，从而可在较大频率范围内进行更准确的电压（以及电流）测量。
Description
技术领域
本发明大体涉及一种用于测量电气系统中，例如，可再生能源配电系统中的电流的电流分流器。具体而言，本发明涉及一种用于在较大频率范围内进行改良的电流分流器检测的设备和方法。
背景技术
电流分流器已用来测量太阳能电气系统以及风力电气系统等电气系统中的高电流。典型的电流分流器包括低值电阻器的电当量（electricalequivalent），其放置成与电气系统串联，以便所有待测量的电流流过电流分流器。分流电阻通常尽可能低，这样，使用电流分流器便不会影响或改变电路特性。测量电流分流器上的电压降，以确定流过所述分流器的电流。
许多电流分流器为矩形，具有分开的电流连接件和电压检测连接件。相对于电流分流器而言，检测元件的宽度较窄，所述检测元件常常连接于电压检测连接件之间，用于测量电流分流器上的电压。典型的检测元件可包括狭窄导线/导体或电路板迹线（trace），其连接到电压测量装置，用于测量电流分流器上的电压。
例如，图1所示为用于高电流应用的示例性已知的电流分流器100。电流分流器100包括高电流端子110，其可通过端子连接件112与负载串联连接。电流分流器100包括分流器部分120，其具有已知高精度的电阻。电流分流器100进一步包括一对分开的检测端子125，用以测量电流分流器100上的电压。包括设置在电路板（circuit card）135上的狭窄迹线的检测元件130连接于检测端子125之间。检测元件130连接到插头连接件140，该插头连接件用于连接到合适的电压测量装置。如图1所示，相对于电流分流器100而言，检测元件130的宽度较窄。
处于低频率时，由狭窄的检测元件，例如，电路板上的狭窄导线/导体或狭窄迹线，测量的检测电压取决于流过电流分流器的电流。然而，处于较高频率时，集肤效应产生的涡流会导致电流分流器上的电流分布不均。具体而言，随着流过电流分流器的电流频率增加，与电流分流器的中间或中心相比，会有更大一部分电流流过电流分流器的边缘。这种情况会导致电流分流器边缘上的电压降不同于电流分流器中心上的电压降。
导线/导体或狭窄迹线等狭窄检测元件通常仅说明电流分流器的一部分上的电压降。例如，图1所示的狭窄检测元件130测量主要由流过电流分流器100中间的电流引起的电压降。由于处于较高频率时，电流分流器100上的电流分布会发生变化，因此由狭窄检测元件，例如，狭窄检测元件130进行的测量可能并不准确。
因此，需要一种用于改良的电流分流器检测的设备和方法，从而在更大的频率范围内进行更准确地检测。
发明内容
以下说明书将部分阐明本发明的各方面和优点，或者，这些方面和优点在说明书中可能是显而易见的，或者通过实践本发明能够推导出。
本发明的一个示例性方面涉及一种电流分流器。所述电流分流器包括：导电部分，其上表面设有宽度；以及检测元件，其覆盖所述导电部分的所述上表面。所述检测元件覆盖所述导电部分的至少一部分，而且所述检测元件的宽度在所述导电部分的宽度的约20%到约100%范围内。
本发明的另一个示例性方面涉及一种用于测量电气系统中的电流的电流分流器。所述电流分流器包括：电流端子对，其可与所述电气系统串联连接；以及所述电流端子之间的导电分流器部分，其上表面设有表面面积。所述电流分流器进一步包括检测端子对，以及以机械方式连接到所述检测端子对的电路板。所述电路板包括导电迹线，其表面面积覆盖所述导电分流器部分的所述表面面积的约20%到约100%。
本发明的又一个示例性方面涉及一种方法。所述方法包括：提供电流分流器，所述电流分流器包括导电部分，所述导电部分的上表面设有宽度；对用来测量所述电流分流器的所述导电部分上的电压的检测元件进行大小调整，使所述检测元件的宽度在所述电流分流器的所述导电部分的宽度的约20%到约100%的范围内；以及将所述检测元件放置在所述电流分流器的所述导电部分的所述上表面的至少一部分的上方。
可对本发明的这些示例性方面作出各种变化和修改。
参考以下具体实施方式和所附权利要求书可以更好地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优点。附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，展示了本发明的各个实施例，并与具体说明一起解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图，针对所属领域的一般技术人员，完整且可实现地揭示了本发明，包括其最佳模式，其中：
图1提供现有技术中已知的示例性电流分流器的透视图；
图2提供根据本发明的示例性实施例的示例性电流分流器的透视图；以及
图3提供根据本发明的示例性方面的用于不同宽度的检测元件的模拟数据的图示；
图4是示例性太阳能电气系统的方框图；以及
图5是示例性风力电气系统的方框图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各实施例，附图中图示了本发明实施例的一个或多个实例。各个实例用以解释本发明而非限制本发明。事实上，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，所属领域的技术人员可对本发明做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分进行说明或描述的特征可用于其他实施例中，从而得到另一个实施例。因此，本发明应涵盖所有属于所附权利要求书及其等效物的范围内的修改和变化。
一般来说，本发明涉及一种用于电流分流器检测的改良设备和方法。根据本发明的电流分流器包括放置成与电气系统串联的导电部分。所述电流分流器包括检测元件，用于测量该电流分流器的导电部分上的电压。
已发现，当检测元件的宽度接近电流分流器的导电部分的宽度时，检测元件在高频电流下准确测量电流分流器的导电部分上的电压（且因此，流过电流分流器的电流）的能力会提高。无需参阅任何特定的操作理论，我们认为，检测元件的准确性增加是因为当检测元件的宽度接近分流器的导电部分的宽度时，检测元件与分流器的导电部分之间的耦合系数会增加。
因此，本发明的一个特定方面涉及一种电流分流器，相对于所述分流器的导电部分的宽度而言，所述电流分流器的检测元件具有较大宽度。例如，在一项特定实施例中，检测元件的宽度在电流分流器的导电部分宽度的约20%到约100%的范围内，例如，在电流分流器的约40%到约100%的范围内，例如，在电流分流器的约80%到约100%的范围内，以及其间的所有其他子范围。通过这种方式，本发明提供改良的电流分流器检测，从而在较大频率范围内进行更准确的电压（且因此电流）测量。
图2所示为根据本发明的示例性实施例的电流分流器200。电流分流器200包括一对高电流端子210。电流端子210适合于放置成与电气系统串联，这样，电流便流过电流分流器210。电流端子210可以通过一个或多个端子连接件212，例如，螺母/螺栓连接件或其他合适连接件，固定或以机械方式连接到电气系统。
电流端子210由导电材料组成，且可具有已知高精度的电阻。在一项特定实施例中，电流端子210的额定电流可较高，例如，高达约1000A。所属领域的一般技术人员在使用本专利申请文件中的揭示内容后应了解，本发明并不限于任何特定额定电流的电流分流器。
电流分流器200包括连接于电流端子210之间的导电分流器部分220。导电分流器部分220可包括设置在电流端子210之间的一个或多个导电板。导电分流器部分220由具有已知高精度电阻的导电材料组成。当电流分流器200连接到电气系统时，电流流过导电分流器部分220，从而使导电分流器部分220的已知电阻上发生较小的电压降。该电压降可使用导电分流器部分220的已知电阻进行测量并与电流相互关联，以便对流过电流分流器200的电流进行电流测量。
电流分流器200包括一对检测端子225以及设置在检测端子225之间的检测元件230。检测元件230用于测量导电分流器部分220上的电压降。根据本发明的一个特定方面，检测元件230包括导体/导线，所述导体/导线的宽度W2接近电流分流器的宽度W1。如下文将会详细讨论，这会增加导电分流器部分220与检测元件230之间的耦合系数，从而在较大频率范围内，改良在导电分流器部分220上进行的电压测量。
图2所示的检测元件230包括导电迹线，该导电迹线位于以机械方式连接到检测端子225的电路板235上。电路板235连接到检测端子225，这样，检测元件230便覆盖导电分流器部分220。在一项特定实施例中，电路板235与导电分流器部分220的上表面之间的垂直间隔在约1.5mm与约4.5mm之间。提供插头连接件240，这样，检测元件230便可连接到电压测量装置。
如图2所示，检测元件230的表面面积接近导电分流器部分220的上表面的表区域，且所述检测元件的宽度W2接近电流分流器200的宽度W1。通过这种方式，检测元件230能够以较高的频率在电流分流器200的边缘处捕获由任何增加的电流产生的场，从而改良通过电流分流器200进行的电流测量。
针对以类似于图2所示电流分流器200的方式构造的电流分流器进行模拟。该电流分流器的宽度为约110mm。检测元件的宽度在约2mm到约100mm之间变化。检测元件与导电分流器之间的间隔为约3mm。下表1显示使用安索福特麦克斯韦涡流求解器（Ansoft MaxwellEddy Current Solver）在100KHz时得出的导电分流器部分和检测元件的复杂阻抗矩阵。
表1
下表2显示在100KHz时检测元件与导电分流器部分之间的电感耦合系数。这些值与流过电流分流器的电流无关。
表2
如表2所示，当检测元件的宽度接近电流分流器的宽度时，检测元件与导电分流器部分之间的耦合系数会增加。图3中用图表描绘这些结果。曲线305显示，当检测元件覆盖导电分流器部分的上表面的约20%到约100%时，导电分流器部分与检测元件之间的耦合系数在约0.6到约1.0的范围内。当检测元件覆盖导电分流器部分的上表面的约40%到约100%时，耦合系数在约0.7到约1.0的范围内。就这点而言，表面面积范围从约20%到约40%增加20%导致检测元件与导电分流器部分之间的耦合系数增加约10%。
耦合系数增加可以让检测元件更好地捕获流过电流分流器的电流所产生的场，即便在较高频率下，有更多电流在电流分流器的边缘处流动也可如此。通过这种方式，根据本发明各方面的设备和方法实现在较大频率范围内进行改良的电流分流器检测。
根据本发明各实施例的电流分流器可与可再生能源，例如，太阳能电气系统或风力电气系统结合使用。图4所示为示例性太阳能配电系统400。太阳能配电系统400包括通过太阳能转换器404向电网406供应电力的PV阵列402。太阳能转换器404将PV阵列402产生的直流电转换成适合于电网406使用的交流电。图4所示的太阳能转换器404是二级太阳能转换器，其包括通过直流母线连接到直流-交流逆变器的直流升压转换器。一个或多个电流分流器410可与PV阵列402以及太阳能转换器404串联连接，以监测从PV阵列402流到太阳能转换器404中的电流。一个或多个电流分流器410可与太阳能转换器404以及电网406串联连接，以监测从太阳能转换器404流到电网406的电流。
图5所示为示例性风力电气系统500。在运行期间，风会影响叶片502，且叶片502将风能转换成机械旋转扭矩，从而以可旋转方式驱动低速轴。低速轴驱动齿轮箱504，所述齿轮箱随后会提高低速轴的低转速，从而以增加的转速驱动高速轴。高速轴以可旋转方式驱动发电机506的转子。旋转磁场由发电机506的转子感生，且电压在发电机506的定子内感生。通过这种方式，发电机506将旋转的机械能转换成正弦三相交流（AC）电能信号。将相关电力提供给交流-直流-交流转换器508，该转换器用于向电网510供应电力。一个或多个电流分流器520可与发电机506以及交流-直流-交流转换器508串联连接，以监测从发电机506流到交流-直流-交流转换器508的电流。一个或多个电流分流器520还可与交流-直流-交流转换器508以及电网510串联连接，以监测从交流-直流-交流转换器508流到电网510的电流。
本说明书使用了各种实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统、并实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。
Claims (20)
1.一种电流分流器，包括：
导电部分，其包括拥有宽度的上表面；以及
检测元件，其覆盖所述导电部分的所述上表面；
其中所述检测元件覆盖所述导电部分的至少一部分，而且所述检测元件的宽度在所述导电部分的所述宽度的约20%到约100%的范围内。
2.根据权利要求1所述的电流分流器，其中所述检测元件的宽度在所述导电部分的所述宽度的约40%到约100%的范围内。
3.根据权利要求1所述的电流分流器，其中所述检测元件的宽度为所述导电部分的所述宽度的约100%。
4.根据权利要求1所述的电流分流器，其中所述电流分流器包括检测端子对，所述检测元件连接于所述检测端子对之间。
5.根据权利要求1所述的电流分流器，其中所述检测元件包括设置在所述导电部分的所述上表面附近的宽导体。
6.根据权利要求4所述的电流分流器，其中所述检测元件设置在以机械方式连接到所述检测端子对的电路板上。
7.根据权利要求6所述的电流分流器，其中所述检测元件包括位于所述电路板上的导电迹线。
8.根据权利要求1所述的电流分流器，其中所述导电迹线连接到插头连接件，所述插头连接件可连接到电压测量装置。
9.根据权利要求1所述的电流分流器，其中所述导电部分与所述检测元件之间的耦合系数在约0.7到约1.0的范围内。
10.一种用于测量可再生能源电气系统中的电流的电流分流器，包括：
可与所述电气系统串联连接的电流端子对；
所述电流端子之间的导电分流器部分，其包括具有表面面积的上表面；
检测端子对；以及
以机械方式连接到所述检测端子对的电路板；
其中所述电路板包括导电迹线，所述导电迹线的表面面积在所述导电分流器部分的所述表面面积的约20%到约100%的范围内。
11.根据权利要求10所述的电流分流器，其中所述导电迹线的表面面积为所述导电分流器部分的所述表面面积的约100%。
12.根据权利要求10所述的电流分流器，其中所述电路板覆盖所述导电分流器部分的至少一部分。
13.根据权利要求12所述的电流分流器，其中所述导电迹线与所述分流部分的所述上表面之间的垂直间隔在约1.5mm到约4.5mm的范围内。
14.根据权利要求10所述的电流分流器，其中所述导电迹线与所述导电分流器部分之间的耦合系数在约0.7到约1.0的范围内。
15.根据权利要求10所述的电流分流器，其中所述电流分流器进一步包括连接到所述导电迹线的插头连接件，所述插头连接件可连接到电压测量装置。
16.一种电流分流器检测的方法，包括：
提供电流分流器，所述电流分流器包括导电部分，所述导电部分包括具有宽度的上表面；
对用来测量所述电流分流器的所述导电部分上的电压的检测元件进行大小调整，使所述检测元件的宽度在所述电流分流器的所述导电部分的所述宽度的约20%到约100%的范围内；以及
将所述检测元件放置在所述电流分流器的所述导电部分的所述上表面的至少一部分之上。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述检测元件的宽度为所述导电部分的所述宽度的约100%。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述检测元件包括设置在电路板上的导电迹线。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述导电部分与所述检测元件之间的耦合系数在约0.7到约1.0的范围内。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述检测元件与所述导电部分的所述上表面之间的垂直间隔在约1.5mm到约4.5mm的范围内。
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