CN103928226A

CN103928226A - 误差补偿式单铁心3绕组电流互感器及钳形电流互感器

Info

Publication number: CN103928226A
Application number: CN201310011463.3A
Authority: CN
Inventors: 陆文俊
Original assignee: PUDONG JINSHENG MUTUAL INDUCTOR FACTORY SHANGHAI
Current assignee: PUDONG JINSHENG MUTUAL INDUCTOR FACTORY SHANGHAI
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2014-07-16

Abstract

本发明“误差补偿式单铁心3绕组电流互感器及钳形电流互感器”，属于计量测试领域。它实现了在互感器次级回路中引入一个补偿电压，其大小与次级电流在次级回路残余阻抗上的电压降相等、相位与其相反，从而使互感器误差趋于零。补偿电压是把由次级电流误差在检测绕组中产生的感应电动势经同相放大器放大得到的。运算放大器和次级绕组组成的变换电路提供把同相放大器的输出插入次级回路的通道。对于大负载，负载阻抗接于变换电路反馈支路中，从而消除了由负载引入的误差，用差分放大器把负载上的电压转换成对电源中点的输出电压。对于小负载，负载直接与次级回路串联。

Description

误差补偿式单铁心3绕组电流互感器及钳形电流互感器

技术领域

本发明种属计量测试领域。它误差小，容易制造，本发明特别利于高准确度钳形电流互感器的制造。

背景技术

电流互感器及钳形电流互感器(可以开合的电流互感器，常用于电流在线测量)可非接触地把被测电流按一定比例取出，使之流过负载(可以是阻抗或2次仪表)，是电流、功率、电能计量仪器仪表中的重要器件，在发电、输配电、用电、仪器仪表、自动化、继保等领域有广泛的应用。

由于电流互感器应用如此广泛，所以人们对它广有研究，从图1所示的误差较大的单铁心2绕组电流互感器，到图2所示的双级电流互感器和图3所示的零磁通电流互感器，大大减小了互感器误差。接着又发明了与运算放大器相结合的有源电流互感器，如图4、图5所示。图2中的误差电流I₃叠加到无补偿的次级电流I₂上，所以I₂+I₃是准确的了，得I₂+I₃＝I₁N₁/N₂。图3中的N₄、Z₄用来在负载R_b所在的次级回路中耦合一个与次级回路的残余阻抗压降大小相等、相位相反的电压I₂z₂₂，以减小互感器误差。图4是一阶有静差系统，当I₁N₁＞I₂N₂时，铁心被磁化，在检测绕组N₃中产生感应电动势，经放大器放大并产生电流I₂，此电流产生的去磁安匝力图使铁心中无磁通，从而有I₂＝I₁N1_/N₂。为了避免N₂回路的去磁作用，要求放大器输出阻抗要足够的大，所以末级为V/I变换电路。图5的原理与图4类似，但更复杂，准确度更高。

电流互感器的误差主要是由次级回路的残余阻抗所引起，因为它要消耗视在功率。残余阻抗是指次级绕组的电阻和漏感抗及负载阻抗，其和可表示为z₂₂。略去铁心损耗，设次级绕组的感抗为Z₂，则互感器误差为-z₂₂/Z₂，其实部为互感器比差，虚部为互感器角差。

次级电流I₂在残余阻抗z₂₂上要产生压降I₂z₂₂，这电压由次级绕组中的感应电动势所提供，既然有感应电动势，说明铁心中有磁通，说明初级绕组的激磁安匝I₁N₁大于次级绕组的去磁安匝I₂N₂，所以I₁N₁＞I₂N₂，即有磁化电流I₀＝(I₁N₁-I₂N₂)/N₂存在，所以互感器复数误差也可表示成-I₀/I₂，其实部为互感器比差，虚部为互感器角差。

如果在次级回路中引入一个电压，其大小与I₂z₂₂相等，相位与其相反，则次级回路可视作无电压，即次级绕组无需提供感应电动势，所以铁心中无磁通，所以磁化电流I₀为零，因而互感器误差趋于零。本发明用运算放大器对次级回路残余阻抗上的压降进行自动补偿，减小了单铁心3绕组电流互感器的误差。

发明内容

本发明所述的“误差补偿式单铁心3绕组电流互感器及钳形电流互感器”，其本质是在次级回路中引入一个电压，其大小与I₂z₂₂相等，相位与其相反，则次级回路可视作无电压，即次级绕组无需提供感应电动势，所以铁心中无磁通，所以磁化电流I₀为零，因而互感器误差趋于零。残余阻抗z₂₂为次级绕组的电阻及漏感抗之和；或者说，把由于激磁安匝I₁N₁大于去磁安匝I₂N₂而在检测绕组N₃中产生的感应电动势经同相放大器放大并插入互感器的次级回路，以力图使I₂N₂等于I₁N₁。次级绕组N₂和运算放大器A₁组成I/V变换器，负载阻抗Z_b接于变换器反馈回路中，故Z_b对z₂₂的贡献为Z_b/A₁，可略；而检测绕组N₃及补偿电压接于电源中点与运算放大器A₁的同相输入端之间，所以N₃及同相放大器输出端不流过电流，而只是取电压信号；准确的次级电流I₂流过负载阻抗Z_b(通常为电阻R_b)，用差分放大器把负载阻抗上的电压转换成对电源中点的输出电压。

本发明是通过以下技术方案实现的：

(1)在软磁材料制成的铁心上用有绝缘的铜导线绕制初级绕组N₁匝(当初级绕组为1匝穿心时，不绕)、次级绕组N₂匝、检测绕组N₃匝；

(2)用同相放大器放大检测绕组N₃的感应电压，同相放大器由决定放大倍数K的2个电阻R₁、R₂及一个运算放大器A₂组成，K＝1+R₂/R₁，同相放大器输出接运算放大器A₁的同相输入端，N₃及同相放大器输出端不流过电流；

(3)次级绕组N₂的同名端接运算放大器A₁的反相输入端，反相输入端与其输出端间接负载阻抗Z_b，从而构成一个I/V变换器，Z_b不在次级回路残余阻抗内，次级绕组N₂的异名端接直流电源中点；或将负载阻抗Z_b接于N₂异名端与N₃同名端之间，Z_b作为次级回路残余阻抗，N₃的同名端接直流电源中点。

(4)当负载阻抗Z_b接于放大器反馈回路时，用差分放大器取出负载阻抗Z_b上的电压，差分放大器的输出端与电源中点间的电压为输出电压。

与现有单铁心3绕组电流互感器技术相比，本发明的有益效果是：由运算放大器A₂构成的同相放大器不输出电流，只补偿互感器次级回路残余阻抗上的压降；运算放大器A₁实现了把同相放大器的输出电压嵌入互感器的次级回路，实现误差自动补偿，所以互感器容易制造，准确度高。

附图说明

图1是单铁心2绕组电流互感器原理图

图2是双级电流互感器原理图

图3是零磁通电流互感器原理图

图4是单铁心3绕组反馈式有源电流互感器原理图

图5是双铁心有源电流互感器原理图

图6是本发明的误差补偿式单铁心3绕组电流互感器及钳形电流互感器原理图

I₁、I₂--初级和次级电流；

A₁、A₂--运算放大器；

R₁、R₂--同相放大器比率电阻；

N₁、N₂、N₃--互感器初级绕组、次级绕组、检测绕组；

Z_b-负载阻抗。

具体实施方式

实施例1，按图6(a)构成误差补偿式单铁心3绕组电流互感器，额定一次电流5A、频率50赫，额定二次电流5mA、负载电阻R_b为200Ω，铁心材料为Z10，0.2mm厚带材，铁心规格为Φ30×45/10；用Φ0.13QA线均匀绕1000匝作为N₂，电感为13.5H，电阻为52Ω，Φ0.11QA线均匀绕500匝作为N₃，2个运算放大器为OPA627，电源电压为±5V，R₁＝1kΩ，R₂＝100kΩ，差分放大器为AD630，增益为1。经测试，互感器角差为1.2分。

下面结合本实例对本发明作进一步分析：

设N₂的感抗为Z₂，略去铁损，绕组间耦合系数为1，次级绕组的残余阻抗为z₂₂，由图6(a)得：

I₁Z₂N₂ ^-1＝I₂(Z₂+z₂₂+Z_bA₁ ^-1)-k(I₁N₃Z₂N₂ ^-2+I₂N₃Z₂N₂ ^-1)

等式左边为电流I₁在次级绕组N₂中的感应电压，等号右边第一项为电流I₂在次级回路中的电压降，第二项为N₃绕组中的感应电压放大了K倍。略去高阶小量，得次级电流：

I₂＝I₁N₂ ^-1{1-N₂z₂₂/(KN₃Z₂)}

可见，互感器误差从无补偿时的-z₂₂/Z₂减小到-N₂z₂₂/(KN₃Z₂)。

实例中，N₂＝1000匝，N₃＝500匝，K＝100，则N₂/(KN₃)＝1/50，误差减小了49倍。

实例中，感抗Z₂为jωL₂＝j314×13.5＝j4239Ω，按图6(a)电路，得互感器误差(角差)为-N₂r₂/(KN₃Z₂)＝-1000×52/(100×500×j4239)＝2.45×10^-4(弧度)＝0.84(分)；而无补偿时，互感器误差(角差)为-r₂/(jωL₂)＝0.01227(弧度)＝42(分)，比差为-0.02％；对于传统的单铁心2绕组电流互感器，其角差为-(r₂+R_b)/(jωL₂)＝j(53+200)/4239＝0.059684(弧度)＝205(分)，比差为-0.36％。

按图6(b)电路，得互感器误差(角差)为-N₂(r₂+Z_b)/(KN₃Z₂)＝-1000×(52+1000)/(100×500×j4239)＝4.96×10^-3(弧度)＝17(分)；而无补偿时，互感器误差(角差)为-(r₂+Z_b)/Z₂＝j(53+200)/4239＝0.059684(弧度)＝205(分)。

可见，当Z_b远大于r₂时，宜用图6(a)，当Z_b接近r₂或小于r₂时，用图6(b)较简单。由于次级绕组电阻影响可消除，所以可用细导线绕制。

Claims

1.本发明所述的一种“误差补偿式单铁心3绕组电流互感器及钳形电流互感器”，其特征在于：

在互感器次级回路中引入一个补偿电压，其大小与次级电流在次级回路残余阻抗上的电压降相等、相位与其相反，从而使互感器误差趋于零；补偿电压是把由次级电流误差在检测绕组中产生的感应电动势经同相放大器放大得到的；运算放大器和次级绕组组成的变换电路提供把同相放大器的输出插入次级回路的通道；对于大负载，负载阻抗接于运算放大器反馈支路中，从而消除了由负载引入的误差，用差分放大器把负载上的电压转换成对电源中点的输出电压；对于小负载，负载直接与次级回路串联，即负载一端与次级绕组连接，另一端接电源中点。

2.根据权利要求1所述的互感器，其特征在于：

在铁心上绕制检测绕组N₃，其异名端与运算放大器A₂的同相输入端相连，同名端与次级绕组N₂的异名端相连，并与电源中点相连，同相放大器由电阻R₁、R₂和运算放大器A₂组成，同相放大器的输出为误差补偿电压，接运算放大器A₁的同相输入端。

3.根据权利要求1所述的互感器，其特征在于：

在铁心上绕制次级绕组N₂并与运算放大器A₁组成变换电路，提供把同相放大器的输出插入互感器次级回路的通道，对于大负载，负载阻抗接于运算放大器A₁反馈支路中，从而消除了由负载引入的误差，用差分放大器把负载上的电压转换成对电源中点的输出；对于小负载，负载一端与次级绕组N₂的异名端连接，另一端接电源中点。