CN104374981A - 磁调制系统及其过流保护方法 - Google Patents

Abstract

磁调制系统的过流保护装置，包括一个磁环（10）、一个绕组（20）、一个采样电阻（30）、一个激励电压源（40）、一个微分器（50）、一个比较器（60）和一个过流触发器（70）。采样电阻可输出采样电压信号。激励电压可产生激励磁场。微分器可输出微分电压信号。比较器可输出一个反转电压信号。过流触发器接收所述采样电压信号，其设有一个触发阈值电压，若所述采样电压信号的绝对值大于等于所述触发阈值电压，所述过流触发器控制所述比较器改变所述反转电压信号的极性。磁调制系统通过设置过流触发器，可以保证了磁调制系统的激励电压能够正常的振荡；且避免了激励电流过大，保证磁调制系统中电路和元器件的安全使用。

Description

磁调制系统及其过流保护方法

技术领域

本发明涉及一种磁调制系统，尤其是基于磁性调制原理的剩余电流测量系统使用的磁调制系统。本发明还涉及该磁调制系统的过流保护方法。

背景技术

磁调制系统被应用于电流及磁场测量领域，它通过主动的激励电压平衡被测量的磁场，使磁芯振荡于正负饱和区域内。图1显示了中国专利申请公开CN102338822的磁调制系统的电路结构图。如图所示，磁调制系统包括磁环90、绕组91、采样电阻92、激励电压源93、比较器94和微分器95。微分器95将采样电阻92上的电压取微分，比较器94将该电压微分结果与一预先设定的阈值比较，当电压微分值大于等于该阈值时，反转加载在绕组91上的激励电压的极性，以此维持激励电压的振荡。当被测电流过大时，系统由于实际电路输出能力的限制，如电压、电流、功率的限制，无法平衡被测电流所造成的磁场并导致激励停止。同时，当激励停止时，驱动电流的输出可能会很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁调制系统的过流保护装置，在测量大电流时磁调制系统可以维持激励电压的振荡。

本发明的另一个目的是提供一种过流保护方法，在测量大电流时磁调制系统可以维持激励电压的振荡。

本发明提供了一种磁调制系统的过流保护装置，包括一个磁环、一个绕组、一个采样电阻、一个激励电压源、一个微分器、一个比较器和一个过流触发器。至少一个可通过待测电流的导体可穿过磁环。绕组设置在磁环上。采样电阻与绕组串联，它可输出代表其上压降的采样电压信号。激励电压源与绕组和采样电阻串联，它可产生磁调制系统的激励电压。微分器可对采样电压信号微分并输出微分电压信号。比较器一个输入端预设有一个反转阈值电压，另一个输入端接收所述微分电压信号，该比较器的输出端可输出一个反转电压信号至所述激励电压源，若所述微分电压信号的绝对值大于等于所述反转阈值电压，该比较器藉由所述反转电压信号极性的改变来控制所述激励电压的极性反转。过流触发器磁接收所述采样电压信号，其设有一个触发阈值电压，若所述采样电压信号的绝对值大于等于所述触发阈值电压，所述过流触发器控制所述比较器改变所述反转电压信号的极性。

磁调制系统通过设置过流触发器，可以在导体上流过很大的待测电流时，强制改换激励电压的极性，从而保证了磁调制系统的激励电压能够正常的振荡；且避免了激励电流过大，保证磁调制系统中电路和元器件的安全使用。

在磁调制系统的过流保护装置的再一种示意性的实施方式中，若所述采样电压信号等于所述触发阈值电压，所述过流触发器将所述反转阈值电压拉低至地电位。

在磁调制系统的过流保护装置的另一种示意性的实施方式中，过流触发器包括一个第一二极管，其正极可输入所述采样电压信号；一个第一三极管，其基极可电性连接于所述第一二极管的负极，其集电极可输入所述反转阈值电压，其发射极可电性连接于地电位；一个第二二极管，其负极可输入所述采样电压信号；和一个第二三极管，其基极可电性连接于所述第二二极管的正极，其集电极可输入所述反转阈值电压，其发射极可电性连接于地电位。

在磁调制系统的过流保护装置的又一种示意性的实施方式中，磁调制系统还包括一个滤波器，其输入端接收采样电压信号，且输出滤除了采样电压信号中叠加的激励电压的滤波电压信号，该滤波电压信号可代表待测电流的大小。

在磁调制系统的过流保护装置的又一种示意性的实施方式中，滤波器是一个巴特沃兹滤波器。

在磁调制系统的过流保护装置的又一种示意性的实施方式中，磁调制系统还包括一个放大器，其输入端接收滤波电压信号，且输出滤波电压信号经放大的放大电压信号。

在磁调制系统的过流保护装置的又一种示意性的实施方式中，磁调制系统还包括一个处理器，其设有一个频率阈值和一个电压阈值，处理器分别采集反转电压信号的频率和滤波电压信号，若反转电压信号的频率大于等于频率阈值，或者滤波电压信号大于等于电压阈值，处理器输出待测电流超过磁调制系统的测量范围的判断信号。

在磁调制系统的过流保护装置的又一种示意性的实施方式中，激励电压源可输入采样电压信号，且激励电压为采样电压信号与反转电压信号之和。

本发明提供了一种过流保护方法，包括采集采样电压信号；比较采样电压信号与触发阈值电压，当采样电压信号的绝对值大于等于触发阈值电压时，控制比较器输出反转电压信号；和由反转电压信号控制激励电压源反转激励电压的极性。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1显示了中国专利CN102338822的磁调制系统的电路结构图。

图2用于说明磁调制系统一种示意性实施方式的电路结构图。

图3用于说明过流触发器一种示意性实施方式的电流结构图。

图4用于说明磁调制系统另一种示意性实施方式的电流结构图。

图5用于解释反转电压信号的频率变化。

标号说明

10 磁环

12 导体

20 绕组

30 采样电阻

40 激励电压源

50 微分器

60 比较器

70 过流触发器

D72 第一二极管

Q74 第一双极性晶体管

D76 第二二极管

Q78 第二双极性晶体管

80 滤波器

82 信号放大器

84 处理器。

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示它们的重要程度及顺序等。

图2用于说明磁调制系统一种示意性实施方式的电路结构图。如图所示，磁调制系统包括一个磁环10、一个绕组20、一个采样电阻30、一个激励电压源40、一个微分器50、一个比较器60和一个过流触发器70。

其中，磁环10中穿过了四个导体12，导体12中可通过待测电流，且磁调制系统可测量这些导体12中通过待测电流的矢量和。绕组20设置在磁环10上，当绕组20中通过由激励电压V_ext产生的激励电流I_ext时，磁环10上产生激励磁场。采样电阻30、绕组20和激励电压源40串联连接，且由激励电压源40驱动产生的激励电流I_ext流经采样电阻30和绕组20。当采样电阻30中通过激励电流I_ext时，它可输出一个采样电压信号S_V，采样电压信号S_V可反映采样电阻30上的采样电流值。微分器50可输入采样电压信号S_V，并将采样电压信号S_V微分后，输出一个微分电压信号S_V’。

比较器60一个输入端预设有一个反转阈值电压T1，另一个输入端接收微分电压信号S_V’，比较器60的输出端可输出一个反转电压信号S_t至激励电压源40。当微分电压信号S_V’的绝对值大于等于反转阈值电压T1时，比较器60藉由反转电压信号S_t极性的改变来控制激励电压V_ext的极性反转。

过流触发器70设有一个触发阈值电压T2，且过流触发器70可输入采样电压信号S_V，并将触发阈值电压T2与采样电压信号S_V比较。当采样电压信号S_V的绝对值大于触发阈值电压T2时，过流触发器70强制比较器60输出的反转电压信号S_t改换极性，从而使得激励电压源40改换激励电压V_ext的极性。

如果导体12上流过的待测电流很大时，比较器60无法通过比较微分电压信号S_V’和反转阈值电压T1来改换反转电压信号S_t的极性，从而激励电压源40输出的激励电压V_ext的极性不变。但无论待测电流的数值多大，过流触发器70都可将采样电压信号S_V与触发阈值电压T2比较，从而可以改换激励电压V_ext的极性。磁调制系统通过设置过流触发器，可以在导体上流过很大的待测电流时，强制改换激励电压的极性，从而保证了磁调制系统的激励电压能够正常的振荡；且避免了激励电流过大，保证磁调制系统中电路和元器件的安全使用。

图3用于说明过流触发器一种示意性实施方式的电流结构图。如图所示，过流触发器70包括一个第一二极管D72、一个第二二极管D76、一个第一双极性晶体管Q74和一个第二双极性晶体管Q78。

第一二极管D72的正极可输入采样电阻30输出的采样电压信号S_V，且其负极电性连接于第一双极性晶体管Q74的基极。第一双极性晶体管Q74的集电极可输入反转阈值电压T1，且其发射极可电性连接于地电位（零电位）。其中，第一双极性晶体管Q74为NPN型。第二二极管D76的负极可输入采样电阻30输出的采样电压信号S_V，且其正极电性连接于第二双极性晶体管Q78的基极。其中，第二双极性晶体管Q78为PNP型。第二双极性晶体管Q78的集电极可输入反转阈值电压T1，且其发射极可电性连接于地电位（零电位）。

参见图2和图3，当激励电压在采样电阻上产生的压降，即采样电压信号S_V为正值，且采样电压信号S_V大于第一二极管D72的导通电压时，第一二极管D72和第一双极性晶体管Q74导通，从而将反转阈值电压T1连接至地电位，使得反转阈值电压T1变为零。此时，即使微分电压信号S_V’趋近于零，比较器60也可以判定微分电压信号S_V’等于反转阈值电压T1，从而使得反转电压信号S_t改换极性。此处，触发阈值电压T2为第一二极管D72的导通电压。

当激励电压在采样电阻上产生的压降，即采样电压信号S_V为负值，且采样电压信号S_V大于第二二极管D76的导通电压时，第二二极管D76和第二双极性晶体管Q78导通，从而将反转阈值电压T1连接至地电位，使得反转阈值电压T1变为零。此时，即使微分电压信号S_V’趋近于零，比较器60也可以判定微分电压信号S_V’等于反转阈值电压T1，从而使得反转电压信号S_t改换极性。此处，触发阈值电压T2为第二二极管D76的导通电压。

还可以通过其他的电路结构来实现将反转阈值电压T1变为零，例如将双极性晶体管改换为其他逻辑开关。

图4用于说明磁调制系统另一种示意性实施方式的电流结构图。如图所示，磁调制系统包括一个滤波器80，它的输入端可输入采样电压信号S_V，滤波器80可将采样电压信号S_V中包含的激励电压V_ext滤除后，输出一个滤波电压信号S_f，且滤波电压信号S_f反映了待测电流的具体大小。在磁调制系统一种示意性实施方式中，滤波器80是巴特沃兹滤波器。

如图4所示，在磁调制系统一种示意性实施方式中，磁调制系统包括一个信号放大器82，它的输入端可输入滤波电压信号S_f，且信号放大器可放大滤波电压信号S_f的信号强度后，输出一个放大电压信号S_A。通过设置放大器，可将放大器的输出的放大电压信号S_A的动态范围，与输入放大电压信号S_A的处理电路的输入动态范围相匹配，以此提高检测的分辨率和精度。

如图4所示，在磁调制系统一种示意性实施方式中，磁调制系统包括一个处理器84，其设有一个频率阈值T3和一个电压阈值T4。处理器84可分别输入反转电压信号S_t的频率和放大电压信号S_A，且处理器84可分别比较反转电压信号S_t的频率与频率阈值T3，以及放大电压信号S_A与电压阈值T4。当反转电压信号S_t的频率大于等于频率阈值T3，或者放大电压信号S_A大于等于电压阈值T4时，处理器84可判断待测电流超过了磁调制系统的测量范围。

图5用于解释反转电压信号的频率变化，其中显示了反转电压信号S_t的频率与待测电流Idn和采样电压信号S_V的对应关系。当待测电流Idn为零时，采样电压信号S_V和反转电压信号S_t的频率周期性变换。当待测电流Idn急剧增加后，采样电压信号S_V相应增加，从而使得过流触发器动作，反转电压信号S_t极性改变，采样电压信号S_V相应减小，但采样电压信号S_V的数值仍然使能够使得过流触发器动作，使得反转电压信号S_t极性以很高的频率改变。由此可见，可通过当反转电压信号S_t的频率来反映待测电流Idn的大小。

处理器84同时监控反转电压信号S_t的频率和采样电压信号S_V，从而可以准确的判断待测电流超过了磁调制系统的测量范围。

如图4所示，在磁调制系统一种示意性实施方式中，激励电压源40的输入端除了输入反转电压信号S_t外，还可输入采样电压信号S_V，且激励电压V_ext的大小等于采样电压信号S_V与反转电压信号S_t之和。由于绕组与采样电阻串联,使得本来应加载在绕组上的电压部分落在了采样电阻上，这导致落在绕组上的电压随着激励电流的变化而变化,使对待测电流的测量结果线性度变差，通过将采样电阻上的电压补偿在激励电压上，绕组上的电压不受激励电流大小影响。

本发明还提供了上述磁调制系统的过流保护方法，包括采集采样电压信号S_V；比较采样电压信号S_V与触发阈值电压T2，当采样电压信号S_V绝对值大于等于触发阈值电压T2时，控制比较器C60改变反转电压信号S_t的极性；和由反转电压信号S_t控制激励电压源40反转激励电压的极性。

应当理解，在本文中所引证的文件仅供参考之用，且不包含任何其可能与本文的相冲突的内容。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.磁调制系统，包括：

一个磁环（10），至少一个可通过待测电流的导体（12）可穿过所述磁环（10）；

一个设置在所述磁环（10）上的绕组（20）；

一个与所述绕组（20）串联的采样电阻（30），它可输出代表其上压降的采样电压信号（S_V）；

一个与所述绕组（20）和所述采样电阻（30）串联的激励电压源（40），它可产生所述磁调制系统的激励电压（V_ext）；

一个可对所述采样电压信号（S_V）微分并输出微分电压信号（S_V’）的微分器（50）；和

一个比较器（60），其一个输入端预设有一个反转阈值电压（T1），另一个输入端接收所述微分电压信号（S_V’），该比较器（60）的输出端可输出一个反转电压信号（S_t）至所述激励电压源（40），若所述微分电压信号（S_V’）的绝对值大于等于所述反转阈值电压（T1），该比较器（60）藉由所述反转电压信号（S_t）极性的改变来控制所述激励电压（V_ext）的极性反转，

其特征在于：

所述磁调制系统还包括一个接收所述采样电压信号（S_V）的过流触发器（70），其设有一个触发阈值电压（T2），若所述采样电压信号（S_V）的绝对值大于等于所述触发阈值电压（T2），所述过流触发器（70）控制所述比较器（60）改变所述反转电压信号（S_t）的极性。

2.如权利要求1所述的磁调制系统，其中若所述采样电压信号（S_V）等于所述触发阈值电压（T2），所述过流触发器（70）将所述反转阈值电压（T2）拉低至地电位。

3.如权利要求2所述的磁调制系统，其中所述过流触发器（70）包括：

一个第一二极管（D72），其正极可输入所述采样电压信号（S_V）；

一个第一三极管（Q74），其基极可电性连接于所述第一二极管（D72）的负极，其集电极可输入所述反转阈值电压（T2），其发射极可电性连接于地电位；

一个第二二极管（D76），其负极可输入所述采样电压信号（S_V）；和

一个第二三极管（Q78），其基极可电性连接于所述第二二极管（D76）的正极，其集电极可输入所述反转阈值电压（T2），其发射极可电性连接于地电位。

4.如权利要求1所述的磁调制系统，其中所述磁调制系统还包括一个滤波器（80），其输入端接收所述采样电压信号（S_V），且输出滤除了所述采样电压信号（S_V）中叠加的所述激励电压（V_ext）的滤波电压信号（S_f），该滤波电压信号（S_f）可代表所述待测电流的大小。

5.如权利要求4所述的磁调制系统，其中所述滤波器（80）是一个巴特沃兹滤波器。

6.如权利要求4所述的磁调制系统，其中所述磁调制系统还包括一个放大器（82），其输入端接收所述滤波电压信号（S_f），且输出所述滤波电压信号（S_f）经放大的放大电压信号（S_A）。

7.如权利要求4所述的磁调制系统，其中所述磁调制系统还包括一个处理器（84），其设有一个频率阈值（T3）和一个电压阈值（T4），所述处理器（84）分别采集所述反转电压信号（S_t）的频率和所述滤波电压信号（S_f），若所述反转电压信号（S_t）的频率大于等于所述频率阈值（T3），或者所述滤波电压信号（S_f）大于等于所述电压阈值（T4），所述处理器（84）输出待测电流超过所述磁调制系统的测量范围的判断信号。

8.如权利要求1所述的磁调制系统，其中所述激励电压源（40）可输入所述采样电压信号（S_V），且所述激励电压（V_ext）为所述采样电压信号（S_V）与所述反转电压信号（S_t）之和。

9.一种用于权利要求1所述的磁调制系统的过流保护方法，包括：

采集所述采样电压信号（S_V）；

比较所述采样电压信号（S_V）与所述触发阈值电压（T2），当所述采样电压信号（S_V）的绝对值大于等于所述触发阈值电压（T2）时，控制所述比较器（60）输出所述反转电压信号（S_t）；和

由所述反转电压信号（S_t）控制所述激励电压源（40）反转所述激励电压（V_ext）的极性。