CN103124911B - 测量电表中电流的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种用于测量电表中流过的电流的方法和系统。电表包括与电表中包含的汇流条串联放置的电抗式传感器。电抗式传感器包括电感器，并且测量电感器两端的电压。包含在电表内的控制单元根据检测的电压和电感值来计算电流。通过使一个已知频率(例如50赫兹或60赫兹)的参考电流流过电感器，可以确定电感器的值，并测量电感器两端的电压降。一旦确定了电感器的值，该值即被存储在控制单元中。

Description

测量电表中电流的方法及系统

技术领域

本发明总体涉及一种用于测量电表中电流的系统和方法。更具体地，本发明涉及一种使用电抗式传感器来测量电表中电流的系统和方法。

背景技术

有几种正在使用的方法被用来测量电表中的电流。这些方法包括罗氏(Rogowski)线圈、电流变压器和电阻分流器。尽管这些方法中的每一个在测定流过电表的电流量时是有用的，但是在这三个当前可用的选择中，每一个都会额外增加电表的成本。

目前，用于准确测量电表中电流的成本最低的方法采用了电阻分流器。通过电阻分流器来引导流过电表的电流量，并测量电阻分流器两端的电压。尽管该方法能有效的测量电流，但是电阻分流器最终会升温，并且电阻分流器的电阻会随温度的变化而变化。因此，需要用温度补偿来克服测量期间电阻的变化带来的影响，其增加了电表的成本和复杂度。

另外，在100安及以上的高功率电表中，电阻分流器会消耗太多的电能。虽然可以制造25微欧的分流器来减少功率损耗，但是很难测量这种小电阻两端的电压，这种设备的成本可能极其昂贵。本发明解决了目前使用的电流传感系统中许多的这类缺点。

发明内容

本发明涉及一种用于测量流过电表的电流量的监视系统。电表包括一个或多个汇流条，其从公用设施电力供给接收供给的电流，引导电流流到电表所服务的住宅中的负载。

电表包括一个监测电路，其监测电表所服务的住宅使用的电流量。监测电路可以监测一个单相或三相电源。

监测电路包括一个电感器，其与通过汇流条之一的电流串联放置。流过汇流条的电流通过电感器并在电感器两端产生一个电压。包含在电表中的电压检测器监测电感器两端的电压，包含在电表中的控制单元根据所感知到的电压来计算电流。

在电表校准过程中，校准电路包括具有已知值和相位的电流源，其引导电流流过电表。由于已知的电流值被提供给电表，校准电路根据电感器两端电压和电流源之间的关系确定电感器的值。

除了确定电感的值以外，校准电路也能根据所检测的电压和电流源之间的相移确定电感器中包含的串联电阻。校准电路根据相移确定串联电阻值。串联电阻值，相移和串联电感值被存储在控制单元的存储器中。

在校准过程完成后，电表可被配置并用于监测通过每个汇流条中的电流值。从以下描述及其附图中，本发明的各种其它特征，目的和优点将显而易见。

附图说明

附图说明了本发明的主题。在附图中：

图1是本发明的三相电子电量表的透视图；

图2是三相电表的一个后视图，其显示所应用的电源的三个相位中的每一个的汇流条电流检测叶片的美国国家标准学会(ANSI)-标准配置；

图3是一个透视图，显示电流检测汇流条和计量电路板的定位；

图4是电流和与汇流条中的一个串联放置的电感两端测得的电压的示意性说明；

图5说明流过汇流条的电流和串联电感两端电压之间的相移；

图6是传感器电压和负载电流之间关系的图形说明；

图7是相移相对于阻抗，作为电感的函数的图形说明；

图8是相移相对于阻抗，作为电阻的函数的图形说明；

图9a和9b示出了一种可以构成电路板的一部分的电感器；

图10是根据本发明的电表组件的方框图；

图11是用于包含一个电感器所构造的汇流条的透视图；

图12是沿图11的线12-12截取的剖视图；

图13是推荐的另一种电感器的透视图，其可用作本发明的一部分。

具体实施方式

图1示出了根据本发明制造的三相电子电表10。电表10包括一个封闭的电表外壳，该外壳由安装到基座件14上的盖件12构成。盖件12包括一个大致清晰的表面16，使得从电表10的外部能读取数字显示器18中的数字。盖件12和基座件14按常规方式相互结合，使得基座件14和盖件12界定一个密封的电表外壳。电表外壳可以防止湿气和其他环境污染物到达三相电表10的内部电路。

现在参照图2，所示是基座件14的底视图，该基座件包括一个大致为平面的基座板20，其用来构成基座件14的一部分。基座板20包括多个均匀分布在基座板20周围的支撑腿22。当电表安装在与住宅或商业位置的电力供应相一致的配合插座中时，支承腿22用来使电表稳定。支承腿22通常由模制塑料制成，并与基座件14的其余部分一体化形成。

在图2中可以看出，电表的底座被配置后，其具有第一对检测叶片24a、24b，第二对检测叶片26a、26b，和第三对检测叶片28a、28b。如图3所示，检测叶片24-28通常被配置成电流检测叶片并构成了三个单独的汇流条30、32和34的一部分。如图3所示，汇流条30、32和34中的每一个通过支撑片38和检测凸缘39被牢固地安装到电路板36上。电路板36包括一个背支撑表面40和正表面42。电路板36的正面表面42包括将在下面详细描述的测量电路，其可被操作以监视电表10所服务的设施所消耗的电量。安装到正面表面42的测量电路包括一个将在下文中描述的电流检测装置，其检测流过汇流条30、32和34的检测凸缘39的电流的量。测量电路包括多个接触垫，其延伸穿过电路板36的厚度，使得检测凸缘39沿着背表面40形成物理接触，以完成与安装到正面表面上的测量电路的电连接，其将在下文中更详细描述。

图10大致上示出在公用设施的电力供给44和住宅46中多个能耗负载之间的电表10的位置。如图10所示，公用设施的电力在汇流条30之一的检测叶片24a处被接收。在图10所示的实施例中，尽管只显示了汇流条30中的一个，但应当理解的是在三相电表中，需要三个单独的汇流条，每一个与三相电源中的一个相位对应。图10已经被简化，仅显示单个相位，因此只有一个单独的汇流条30。汇流条30的第二检测叶片24b被连接到住宅46，使得电流从公用设施44流过汇流条30，然后到住宅46。

正如已熟知的，电表10被安放以感测住宅46消耗的电流。在所示实施例中，电感器48与流过汇流条30的电流串联放置，并作为电表10的检测元件。电感器48两端的电压被电压检测器50采样。在所示实施例中，电压检测器50是一个24位模拟数字转换器，其用来对电感器48两端的电压进行采样。在电感器48两端取样的电压被传递到电表10的控制单元52。控制单元52可以是任何类型的处理器，例如那些目前被用于电表中的。控制单元52包括内部存储器54，其存储电压的测量值和有关电表10的信息，包括电感器48的确定值。在一个初始的校准过程中确定电感器48的值，其详细内容将在下面详细描述。

根据电压检测器50测得的电压值，控制单元52使用电感器48的值来计算通过汇流条30的电流量。通过汇流条30的电流量被存储在存储器54中，并最终显示在显示器18上。

如图10所示，电感器48两端的电压是根据以下公式算出：

V_L＝I_LX_L      式1

在上式中，X_L＝2πfL，其中f是线频率，L是串联电感和I是负载电流。电感器两端电压和电流之间的关系如图6中的迹线72所示。正如在图10中可以理解的，如果电感器48的串联电感和线频率是已知的，电压检测器50可以通过简单的数学方程确定负载电流。

作为一个例子，如果电感器48具有133nH的电感，当电流为200安时，电压检测器测得的电感器两端的电压将会是10mV。在不考虑电感器48中的任何电阻的理论分析中，电感器48两端的电压将在相位上领先电流90°。然而，如将在下文中详细描述的，电感器48确实包含一个小电阻，其改变了电压领先于电流的相位值，如即将描述的。

如上所述，电压检测器50可以是一个24位的模拟数字转换器。如果需要，可以加入放大器，以便在电压检测器50进行取样之前放大电感器48两端的电压信号。对于住宅提取的低电流，例如起动电流，可能需要这种放大。

图4示意性地说明了流过汇流条之一的电流的配置，该汇流条位于住宅46的负载和公用电压供应44之间。住宅46中负载提取的电流由电流计56测量。电流计56测得的电流流过电感器48。电感器48如图4所示，其由一个串联电感58和一个串联电阻60组成。由于所有的电感器包括一条金属导线或在电路板上形成的金属迹线，金属迹线包括一个小电阻，其在图4中显示为串联电阻60。在一个不带串联电阻60而成型的系统中，电流56滞后电感器48两端测得的电压62的相位值为90°。在图4中，电压表62显示电感器48两端的电压。

图5示出电流迹线64。其表示测得的负载电流56，以及电压迹线66，其表示电感器48两端测得的电压62。在一个不考虑串联电阻60的模型中，电压迹线66领先电流迹线64的相位值为90°，如图5中的参考标号A所示。如图所示，电压迹线66的波谷比相应的电流迹线64的波谷相位提前90°。

如先前所述，虽然在一个不考虑串联电阻60的实施例中，电压领先电流的相位值为90°，但是在实际使用中，串联电阻60对被监测的电流具有移相影响。因此，在初始校准包含图10所示电感器48的电表的过程中，校准过程必须同时测定串联电感58和串联电阻60的值。

最初，在校准过程中，在每个汇流条之间使用一个已知电流源。该已知电流源有一个已知的电流值，以及一个固定频率。在一个实施例中，测试电流源的电流可以高达200安并且频率为60赫兹。也可以使用50Hz的测试频率。

一旦测试电流连接到电表，测试电路施加电流到电表并测量电感器48两端的电压。如前所述，电感器48两端的电压与负载电流直接相关，如图6中的迹线72所示。当电压和电流都已知时，利用式1及以下各式，可以使用校准电路计算串联电感58：

V_R＝I_LR_L      式2

V_TOTAL＝Z_LI_L      式3

Z_L＝R_L+jX_L     式4

一旦计算出串联电感58，串联电感被存储在电表10的存储器54中，如图10所示。尽管利用方程3将所测得的电压62除以测得的电流56可以很容易地计算出串联阻抗58+60。电感和电阻分量的可以通过测定相移推导出来，并且通过该相移角度，阻抗可以被分解为纯电阻R和纯电感L，由此可以从式1计算出电抗分量X_L。

在校准过程中，具有已知频率和电流值的已知电流源被施加到电表，并且通过电感器56中的负载电流和电感器48两端的电压来确定相移，如图8所示，根据负载电流和如迹线74所示电感器两端电压之间的相位差，可以确定串联电阻60的值。作为一个例子，如果已知负载电流和电感两端电压之间的相位差，可以确定电感器阻抗Z(R)的电阻分量。同样地，阻抗Z(X_L)的电感分量也可以根据负载电流和电感两端电压之间的相位差来确定。由于频率是已知的，并且串联阻抗48已被预先确定，校准过程可确定负载电流和电感器两端电压之间的相移，从而能计算出串联电阻60和串联电感58。

图7中的迹线76显示了相移和电感器阻抗Z(X_L)之间的关系，同时保持恒定的电阻分量。图7和图8中的图形描述了由不同的串联电阻60和来自一些已知初始值的不同电感58所引起的相移。该相移值，串联电阻60的值以及串联电感58的值，都存储在图10所示的控制单元52的存储器54中。

再参照图10，串联电感48可以按许多不同方式并入电表。在图13所示的一个实施例中，电感器48可由具有多个线圈77的导线75构成。在所示的实施例中，导线75是一个固体的镀锡铜片，其被弯曲成图13中所示的多个线圈。线圈之间的间隔，线圈的直径，以及每个线圈77的直径控制导线75和线圈77所产生的电感。

现在参照图9a和9b，显示的是电感器48的另一替代实施例。在图9a和9b所示的实施例中，电感器48由第一线圈78(图9a)和电路板36相对两侧上形成的第二线圈80(图9b)构成。每个线圈78、80通过压印过程形成，在该过程中，金属材料被压印到背面表面40或电路板36的前表面42。成对的迹线首选由铜材料形成，并彼此结合以确定一对线圈。每个线圈围绕一个开放的空芯82。正如在图9a和9b中可以理解的，空芯82由去除了一部分的电路板36形成。在电路板上任何部分形成的一对线圈78、80将为监视电路提供一种经济且小型的组件。

在另一个备选实施例中，图10所示的电感器48可以由汇流条的一部分形成，且电感器两端的电压由电压检测器50测得。图11示出一个实施例，在该实施例中，电感由汇流条30的一部分形成。在图11所示的实施例中，汇流条30是由两个相同的极板84a和84b形成。极板84a、84b的位置彼此相邻，并组合起来以形成汇流条30。每个极板84a、84b包括一对支撑片86，其用于将汇流条3按照与图3中汇流条相类似的安装方式，安装到电路板的底面。极板84a、84b组合起来形成一对检测叶片88。

现在参照图12，构造汇流条30时，一个薄型介电隔板90被安放到一对极板84a和84b之间。介电隔板90插入一个电感到汇流条30中。电感由一对极板84a和84b的自感，以及由流过汇流条30的单独极板的电流引起的互感构成。自感和互感的组合使得汇流条30具有约100nH电感。然而，用来构成介电隔板90所使用的材料，和/或隔板的厚度可以被修改，以便按需改变汇流条30的电感。

当图11-12所示的汇流条30被用于电表中时，电表被再次校准以测定汇流条30按先前所述方式产生的电感器(图4)的串联电感58和串联电阻60。一旦在校准过程中确定这些值，这些值被存储在如前所述的电表中。

虽然描述了各种不同类型的电感器，但应当理解的是，当在本发明的范围内操作时，图10所示的电感器48可以通过任何不同类型的方法或工艺制成。

Claims (13)

1.一种用于测量流过电表的电流量的系统，所述电流通过电表中包含的至少一个汇流条从公用设施电源流到一个或多个电力负载，所述系统包含：与所述汇流条串联放置的电感器，使所述电流通过所述电感器流到所述一个或多个负载；被放置以检测所述电感器两端电压的电压检测器，所述电压由通过所述汇流条从所述公用设施电源流到所述一个或多个电力负载的所述电流产生；被连接到所述电压检测器的且可用来根据所述电感器的值和检测到的电压计算流过所述电表的所述汇流条从所述公用设施电源流到所述一个或多个电力负载的电流的控制单元；其中所述控制单元被安装到所述电表内的电路板上，其中，所述电感器在所述电路板上形成，其中所述电感器包括多匝线圈；以及其中所述电感器包括测量电流所需的自感和互感的组合。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电感器的值被预设定并存储在所述控制单元中。

3.根据权利要求1的所述系统，其中所述电压检测器包括模拟数字转换器。

4.一种测量通过电表的汇流条从公用设施电源流到一个或多个电力负载的电流的方法，所述方法包括步骤：

将电感器与所述电表中包含的所述汇流条串联放置，使所述电流通过所述电感器流到所述一个或多个负载；检测所述电感器两端的电压，所述电压由通过所述汇流条的所述电流产生；根据所述电感器的值和检测的电压，计算流过所述电表的所述汇流条的电流；给所述电表提供一个已知参考电流；检测所述电感器两端的电压；根据所述已知参考电流和所述检测的电压计算所述电感器的值；其中提供给所述电表的所述已知参考电流以已知频率提供，并且根据所述已知参考电流、已知频率和所述检测的电压计算所述电感器的值；将电感器的计算值存储在所述电表的控制单元中；以及根据所述电感器的计算值、所述已知频率和所述检测的电压计算电流。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述电感器在所述汇流条上形成。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述电感器是所述汇流条的一部分。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述电感器的值在100nH到200nH之间。

8.根据权利要求4所述的方法，还包括步骤：

确定所述电流和所述检测的电压之间的相移；和

在所述控制单元中存储所述相移。

9.根据权利要求4所述的方法，其中在安装于所述电表内的电路板上的控制单元中计算所述电流。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述电感器在所述电路板上形成。

11.一种用于测量从公用设施电源流到一个或多个电力负载的电流量的电表，包括：至少一个汇流条以将所述公用设施电源连接到一个或多个电力负载，其中所述公用设施电源具有频率；与所述汇流条串联放置的电感器，使所述电流通过所述电感器流到所述一个或多个负载；被放置以检测所述电感器两端电压的电压检测器，所述电压由通过所述汇流条的所述电流产生；连接到所述电压检测器且可用来根据所述电感器的值、所述频率和检测的电压计算流过所述电表的电流的控制单元；其中所述控制单元被安装到所述电表内的电路板上，其中所述电感器在所述电路板上形成；以及其中所述电压检测器包括模拟数字转换器。

12.根据权利要求11所述的电表，其中所述电感器的值被预设定并存储在所述控制单元中。

13.根据权利要求11所述的电表，其中所述电感器包括多匝线圈。