CN104764918B - 基于正交坐标系变换输出的三相组合式互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正交坐标系变换输出的三相组合式互感器，它包括第一闭环铁芯、第二闭环铁芯、第三闭环铁芯、第四闭环铁芯、第一电压互感器初级线圈、第一电压互感器次级线圈、第二电压互感器的第一初级线圈、第二电压互感器的第二初级线圈、第二电压互感器的次级线圈、第一电流互感器的第一初级线圈、第一电流互感器的第二初级线圈、第一电流互感器的次级线圈、第二电流互感器的第一初级线圈、第二电流互感器的第二初级线圈、第二电流互感器的次级线圈、第一电阻、第二电阻和第三电阻；本发明的互感器利用两台电压互感器和两台电流互感器就能直接实现三相电路各相电流和电压的瞬时值的αβ变换，并且输出信号可以直接用于数据采集。

Description

基于正交坐标系变换输出的三相组合式互感器

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，尤其涉及一种可测量电网三相电流和电压的组合式互感器，具体地说是一种基于正交变换输出的三相组合式互感器。

背景技术

电流互感器和电压互感器是分别用来测量电网电流和电压的传感器，其技术要求分别由国家标准GB1208-2006《电流互感器》和GB1207-2006《电磁式电压互感器》规定。组合互感器是一种由电流互感器和电压互感器组合成一体的互感器，它分单相组合互感器和三相组合互感器两类，分别用来测量单相电路和三相电路的电流和电压，其技术要求由国家标准GB17201-2007《组合互感器》规定。

在电气工程的研究中，经常利用数学变换来简化问题的分析和求解，属于定子坐标系变换的αβ变换是一种常用的数学变换。αβ变换将三相电路各相电流和电压的瞬时值变换到α和β两相正交的坐标系上，该数学变换常常被用于电能质量分析及控制、电机控制等领域。在三相电路瞬时无功功率理论分析中，利用αβ变换可以方便地得到三相电路的瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时电量，以此为基础可以检测三相电路的谐波和无功电流，并用于有源电力滤波器的设计和制造。目前，三相电路各相电流和电压的瞬时值通常由多台电流互感器和电压互感器或单台三相组合互感器测量得到，然后通过数学变换的计算实现αβ变换。由于传统电流互感器的额定输出电流通常为5A，传统电压互感器的额定输出电压通常为100V，因此需要专门的转换器将这些输出量转化为可以进行数据采集的电压小信号。此外，传统的电流互感器和电压互感器的额定输出功率为5VA或更大，而现在的数字化采集系统并不需要这些互感器提供输出功率。为此，本发明提出了一种基于正交坐标系变换输出的三相组合式互感器，该三相组合式互感器利用两台电压互感器和两台电流互感器就能直接实现三相电路各相电流和电压的瞬时值的αβ变换，并且输出的电压小信号可以直接用于数据采集，这样的基于正交坐标系变换输出的三相组合式互感器未见有专利和其它文献报道。

发明内容

本发明所要解决的是现有技术存在的上述问题旨在提供一种基于正交坐标系变换输出的三相组合式互感器，它能对电网三相电压和电流的瞬时值进行测量并实现αβ坐标变换输出。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：基于正交坐标系变换输出的三相组合式互感器，它包括第一闭环铁芯、第二闭环铁芯、第三闭环铁芯、第四闭环铁芯、第一电压互感器初级线圈、第一电压互感器次级线圈、第二电压互感器的第一初级线圈、第二电压互感器的第二初级线圈、第二电压互感器的次级线圈、第一电流互感器的第一初级线圈、第一电流互感器的第二初级线圈、第一电流互感器的次级线圈、第二电流互感器的第一初级线圈、第二电流互感器的第二初级线圈、第二电流互感器的次级线圈、第一电阻、第二电阻和第三电阻；第一闭环铁芯、第一电压互感器初级线圈和第一电压互感器次级线圈构成第一电压互感器，第一电压互感器初级线圈和第一电压互感器次级线圈分别均匀地绕制在第一闭环铁芯的铁芯上；第二闭环铁芯、第二电压互感器的第一初级线圈、第二电压互感器的第二初级线圈和第二电压互感器的次级线圈构成第二电压互感器，第二电压互感器的第一初级线圈、第二电压互感器的第二初级线圈和第二电压互感器的次级线圈分别均匀地绕制在第二闭环铁芯的铁芯上；第三闭环铁芯、第一电阻、第一电流互感器的第一初级线圈、第一电流互感器的第二初级线圈和第一电流互感器的次级线圈构成第一电流互感器，第一电流互感器的第一初级线圈、第一电流互感器的第二初级线圈和第一电流互感器的次级线圈分别均匀地绕制在第三闭环铁芯的铁芯上；第四闭环铁芯、第二电阻、第三电阻、第二电流互感器的第一初级线圈、第二电流互感器的第二初级线圈和第二电流互感器的次级线圈构成第二电流互感器，第二电流互感器的第一初级线圈、第二电流互感器的第二初级线圈和第二电流互感器的次级线圈分别均匀地绕制在第四闭环铁芯的铁芯上；第一电压互感器初级线圈的同名端分别与三相组合式互感器的A相输入端和第一电流互感器的第一初级线圈的同名端相连，第一电压互感器初级线圈的非同名端分别与第二电压互感器的第一初级线圈的非同名端和第二电压互感器的第二初级线圈的同名端相连，第二电压互感器的第一初级线圈的同名端分别与三相组合式互感器的B相输入端和第一电流互感器的第二初级线圈的非同名端相连，第二电压互感器的第二初级线圈的非同名端分别与三相组合式互感器的C相输入端和第二电流互感器的第二初级线圈的非同名端相连，第一电压互感器次级线圈的同名端与三相组合式互感器的u_2α电压信号输出端相连，第一电压互感器次级线圈的非同名端与地相连，第二电压互感器次级线圈的同名端与三相组合式互感器的u_2β电压信号输出端相连，第二电压互感器次级线圈的非同名端与地相连，第一电流互感器的第一初级线圈的非同名端与三相组合式互感器的A相输出端相连，第一电流互感器的第二初级线圈的同名端与第二电流互感器的第一初级线圈的同名端相连，第二电流互感器的第一初级线圈的非同名端与三相组合式互感器的B相输出端相连，第二电流互感器的第二初级线圈的同名端与三相组合式互感器的C相输出端相连，第一电流互感器次级线圈的同名端分别与第一电阻的一端和三相组合式互感器的u_i2α电压信号输出端相连，第一电流互感器次级线圈的非同名端分别与第一电阻的另一端、第二电阻的一端和第三电阻的一端相连，第二电流互感器次级线圈的同名端分别与第二电阻的另一端和三相组合式互感器的u_i2β电压信号输出端相连，第二电流互感器次级线圈的非同名端分别与第三电阻的另一端和地相连；A相输入端、B相输入端、C相输入端、A相输出端、B相输出端和C相输出端构成了三相组合式互感器的一次接线端口，u_2α、u_2β、u_i2α和u_i2β电压信号输出端及地构成了三相组合式互感器的二次输出端口。

下面对本技术方案的原理做进一步说明。

当互感器正常运行时，三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为u_a(t)、u_b(t)、u_c(t)和i_a(t)、i_b(t)、i_c(t)。第一电压互感器和第二电压互感器运行在开路状态，第一电压互感器初级线圈N₁和次级线圈N₂的匝数比为第二电压互感器的第一初级线圈N₃和第二初级线圈N₄组成第二电压互感器的初级线圈(N₃+N₄)，该初级线圈(N₃+N₄)和第二电压互感器的次级线圈N₅的匝数比为其中N₃＝N₄，K₁为常数。第二电压互感器初级线圈(N₃+N₄)的端口电压u₂(t)＝u_b(t)-u_c(t)，而线圈(N₃+N₄)的中点电压因此第一电压互感器初级线圈N₁的端口电压u₁(t)＝u_a(t)-u_d(t)，于是有：

式中u_2α(t)和u_2β(t)分别为第一电压互感器次级线圈N₂和第二电压互感器次级线圈N₅的输出电压瞬时值，式(2)为标准的三相电压αβ变换表达式，u_1α(t)和u_1β(t)分别为三相瞬时电压u_a(t)、u_b(t)和u_c(t)经过αβ坐标变换得到的α和β两相瞬时电压。

第一电流互感器和第二电流互感器运行在近似短路状态，第一电流互感器的第一初级线圈N₆、第二初级线圈N₇及次级线圈N₈的匝数比为第二电流互感器的第一初级线圈N₉、第二初级线圈N₁₀及次级线圈N₁₁的匝数比为K₂为常数。当N₆＝N₇＝N₉＝N₁₀＝1时，第一电流互感器和第二电流互感器为母线穿心式电流互感器。第一电阻R₁、第二电阻R₂和第三电阻R₃的阻值之比为第一电流互感器次级线圈N₈的端口电压第二电流互感器次级线圈N₁₁的端口电压因此第一电流互感器次级线圈N₈的同名端电压于是有：

式中式(4)为标准的三相电流αβ变换表达式，i_1α(t)和i_1β(t)分别为三相瞬时电流i_a(t)、i_b(t)和i_c(t)经过αβ坐标变换得到的α和β两相瞬时电流。

从式(1)、式(2)、式(3)和式(4)可见，该三相组合式互感器能实现对三相电路电压和电流瞬时值的αβ坐标变换，同时能按一定比例输出代表α和β两相的瞬时电压和电流的电压信号。

本发明基于正交变换输出的三相组合式互感器的三相额定一次电压方均根值可达35kV，三相额定一次电流方均根值可达1000A，额定频率为50Hz，互感器二次端口各输出端的额定输出电压方均根值不超过4V，第一电压互感器、第二电压互感器、第一电流互感器和第二电流互感器的额定负荷均为20MΩ，第一电压互感器和第二电压互感器的准确度误差不超过0.2级电压互感器规定的准确度误差限值，第一电流互感器和第二电流互感器的准确度误差不超过0.2级电流互感器规定的准确度误差限值。

作为优选，第一电阻R₁、第二电阻R₂和第三电阻R₃均采用纯阻性精密电阻，其温度漂移率需低于5ppm/℃。

作为优选，第一电流互感器的第一初级线圈N₆和第二初级线圈N₇、以及第二电流互感器的第一初级线圈N₉和第二初级线圈N₁₀的匝数为1，即第一电流互感器和第二电流互感器为母线穿心式电流互感器。

作为优选，互感器二次端口各输出端的额定输出电压方均根值均为4V。

本发明带来的有益效果是，(1)基于正交变换输出的三相组合式互感器实现了对三相电流和电压的正交变换及按一定变比输出，避免了先测量三相电流和三相电压然后计算αβ坐标变换输出的过程；(2)利用两个电压互感器就可以测量三相电压的αβ坐标变换输出的α和β两相瞬时电压，利用两个电流互感器就可以测量三相电流的αβ坐标变换输出的α和β两相瞬时电流；(3)传统电流互感器额定输出通常为5A的电流，传统电压互感器额定输出通常为100V的电压，因此需要转换器将电流互感器和电压互感器的输出转化为适合数据采样的小电压信号。基于正交变换输出的三相组合式互感器的二次端口各输出端的额定输出电压方均根值不超过4V，因此可以直接进行数据采样；(4)传统电流互感器和电流互感器通常需要5VA的输出能量，而基于正交变换输出的三相组合式互感器输出的是电压信号，其输出能量几乎为零，因此该组合互感器节约了能耗，并且可以节省铁芯材料。

附图说明

图1是本发明的一种原理图；

图中：1是第一闭环铁芯、2是第一电压互感器初级线圈、3是第一电压互感器次级线圈、4是第二闭环铁芯、5是第二电压互感器的第一初级线圈、6是第二电压互感器的第二初级线圈、7是第二电压互感器的次级线圈、8是第三闭环铁芯、9是第一电流互感器的第一初级线圈、10是第一电流互感器的第二初级线圈、11是第一电流互感器的次级线圈、12是第四闭环铁芯、13是第二电流互感器的第一初级线圈、14是第二电流互感器的第二初级线圈、15是第二电流互感器的次级线圈、16是第一电阻、17是第二电阻、18是第三电阻。

具体实施方式

本发明提出的基于正交坐标系变换输出的三相组合式互感器，其实施例如图1所示，它包括第一闭环铁芯1、第二闭环铁芯4、第三闭环铁芯8、第四闭环铁芯12、第一电压互感器初级线圈2、第一电压互感器次级线圈3、第二电压互感器的第一初级线圈5、第二电压互感器的第二初级线圈6、第二电压互感器的次级线圈7、第一电流互感器的第一初级线圈9、第一电流互感器的第二初级线圈10、第一电流互感器的次级线圈11、第二电流互感器的第一初级线圈13、第二电流互感器的第二初级线圈14、第二电流互感器的次级线圈15、第一电阻16、第二电阻17和第三电阻18；第一闭环铁芯1、第一电压互感器初级线圈2和第一电压互感器次级线圈3构成第一电压互感器，第一电压互感器初级线圈2和第一电压互感器次级线圈3分别均匀地绕制在第一闭环铁芯1的铁芯上；第二闭环铁芯4、第二电压互感器的第一初级线圈5、第二电压互感器的第二初级线圈6和第二电压互感器的次级线圈7构成第二电压互感器，第二电压互感器的第一初级线圈5、第二电压互感器的第二初级线圈6和第二电压互感器的次级线圈7分别均匀地绕制在第二闭环铁芯4的铁芯上；第三闭环铁芯8、第一电阻16、第一电流互感器的第一初级线圈9、第一电流互感器的第二初级线圈10和第一电流互感器的次级线圈11构成第一电流互感器，第一电流互感器的第一初级线圈9、第一电流互感器的第二初级线圈10和第一电流互感器的次级线圈11分别均匀地绕制在第三闭环铁芯8的铁芯上；第四闭环铁芯12、第二电阻17、第三电阻18、第二电流互感器的第一初级线圈13、第二电流互感器的第二初级线圈14和第二电流互感器的次级线圈15构成第二电流互感器，第二电流互感器的第一初级线圈13、第二电流互感器的第二初级线圈14和第二电流互感器的次级线圈15分别均匀地绕制在第四闭环铁芯12的铁芯上；第一电压互感器初级线圈2的同名端分别与三相组合式互感器的A相输入端和第一电流互感器的第一初级线圈9的同名端相连，第一电压互感器初级线圈2的非同名端分别与第二电压互感器的第一初级线圈5的非同名端和第二电压互感器的第二初级线圈6的同名端相连，第二电压互感器的第一初级线圈5的同名端分别与三相组合式互感器的B相输入端和第一电流互感器的第二初级线圈10的非同名端相连，第二电压互感器第二初级线圈6的非同名端分别与三相组合式互感器的C相输入端和第二电流互感器的第二初级线圈14的非同名端相连，第一电压互感器次级线圈3的同名端与三相组合式互感器的u_2α电压信号输出端相连，第一电压互感器次级线圈3的非同名端与地相连，第二电压互感器次级线圈7的同名端与三相组合式互感器的u_2β电压信号输出端相连，第二电压互感器次级线圈7的非同名端与地相连，第一电流互感器的第一初级线圈9的非同名端与三相组合式互感器的A相输出端相连，第一电流互感器的第二初级线圈10的同名端与第二电流互感器的第一初级线圈13的同名端相连，第二电流互感器的第一初级线圈13的非同名端与三相组合式互感器的B相输出端相连，第二电流互感器的第二初级线圈14的同名端与三相组合式互感器的C相输出端相连，第一电流互感器次级线圈11的同名端分别与第一电阻16的一端和三相组合式互感器的u_i2α电压信号输出端相连，第一电流互感器次级线圈11的非同名端分别与第一电阻16的另一端、第二电阻17的一端和第三电阻18的一端相连，第二电流互感器次级线圈15的同名端分别与第二电阻17的另一端和三相组合式互感器的u_i2β电压信号输出端相连，第二电流互感器次级线圈15的非同名端分别与第三电阻18的另一端和地相连；A相输入端、B相输入端、C相输入端、A相输出端、B相输出端和C相输出端构成了三相组合式互感器的一次接线端口，u_2α、u_2β、u_i2α和u_i2β电压信号输出端及地构成了三相组合式互感器的二次输出端口。

本实施例具体设计参数为：

本发明基于正交变换输出的三相组合式互感器的各相额定一次电压方均根值均为各相额定一次电流方均根值均为500A，额定频率为50Hz，互感器二次端口各输出端的额定输出电压方均根值均为4V，第一电压互感器、第二电压互感器、第一电流互感器和第二电流互感器的额定负荷均为20MΩ，第一闭环铁芯1和第二闭环铁芯4均采用截面为5×5cm²、等效磁路长度为60cm的冷轧硅钢片闭环铁芯，第一电压互感器初级线圈2的匝数N₁＝17320，第一电压互感器次级线圈3的匝数N₂＝8，第二电压互感器的第一初级线圈5的匝数N₃＝10⁴，第二电压互感器的第二初级线圈6的匝数N₄＝10⁴，第二电压互感器的次级线圈7的匝数N₅＝8，第一电压互感器初级线圈2、第一电压互感器次级线圈3、第二电压互感器的第一初级线圈5、第二电压互感器的第二初级线圈6和第二电压互感器的次级线圈7均采用单根φ0.2漆包线绕制，常数第三闭环铁芯8和第四闭环铁芯12均采用截面为2×2cm²、等效磁路长度为45cm的铁基非晶合金闭环铁芯，第一电流互感器和第二电流互感器为母线穿心式电流互感器，第一电流互感器的次级线圈11的匝数N₈＝866，第二电流互感器的次级线圈15的匝数N₁₁＝866，第一电流互感器的次级线圈11和第二电流互感器的次级线圈15均采用φ0.49和φ0.8两根漆包线并联绕制，第一电阻16、第二电阻17和第三电阻18均为温度漂移率低于5ppm/℃的纯阻性精密电阻，它们的阻值分别为和常数

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于正交坐标系变换输出的三相组合式互感器，包括第一闭环铁芯(1)、第二闭环铁芯(4)、第三闭环铁芯(8)、第四闭环铁芯(12)、第一电压互感器初级线圈(2)、第一电压互感器次级线圈(3)、第二电压互感器的第一初级线圈(5)、第二电压互感器的第二初级线圈(6)、第二电压互感器的次级线圈(7)、第一电流互感器的第一初级线圈(9)、第一电流互感器的第二初级线圈(10)、第一电流互感器的次级线圈(11)、第二电流互感器的第一初级线圈(13)、第二电流互感器的第二初级线圈(14)、第二电流互感器的次级线圈(15)、第一电阻(16)、第二电阻(17)和第三电阻(18)，其特征在于第一闭环铁芯(1)、第一电压互感器初级线圈(2)和第一电压互感器次级线圈(3)构成第一电压互感器，第一电压互感器初级线圈(2)和第一电压互感器次级线圈(3)分别均匀地绕制在第一闭环铁芯(1)的铁芯上；第二闭环铁芯(4)、第二电压互感器的第一初级线圈(5)、第二电压互感器的第二初级线圈(6)和第二电压互感器的次级线圈(7)构成第二电压互感器，第二电压互感器的第一初级线圈(5)、第二电压互感器的第二初级线圈(6)和第二电压互感器的次级线圈(7)分别均匀地绕制在第二闭环铁芯(4)的铁芯上；第三闭环铁芯(8)、第一电阻(16)、第一电流互感器的第一初级线圈(9)、第一电流互感器的第二初级线圈(10)和第一电流互感器的次级线圈(11)构成第一电流互感器，第一电流互感器的第一初级线圈(9)、第一电流互感器的第二初级线圈(10)和第一电流互感器的次级线圈(11)分别均匀地绕制在第三闭环铁芯(8)的铁芯上；第四闭环铁芯(12)、第二电阻(17)、第三电阻(18)、第二电流互感器的第一初级线圈(13)、第二电流互感器的第二初级线圈(14)和第二电流互感器的次级线圈(15)构成第二电流互感器，第二电流互感器的第一初级线圈(13)、第二电流互感器的第二初级线圈(14)和第二电流互感器的次级线圈(15)分别均匀地绕制在第四闭环铁芯(12)的铁芯上；第一电压互感器初级线圈(2)的同名端分别与三相组合式互感器的A相输入端和第一电流互感器的第一初级线圈(9)的同名端相连，第一电压互感器初级线圈(2)的非同名端分别与第二电压互感器的第一初级线圈(5)的非同名端和第二电压互感器的第二初级线圈(6)的同名端相连，第二电压互感器的第一初级线圈(5)的同名端分别与三相组合式互感器的B相输入端和第一电流互感器的第二初级线圈(10)的非同名端相连，第二电压互感器第二初级线圈(6)的非同名端分别与三相组合式互感器的C相输入端和第二电流互感器的第二初级线圈(14)的非同名端相连，第一电压互感器次级线圈(3)的同名端与三相组合式互感器的u_2α电压信号输出端相连，第一电压互感器次级线圈(3)的非同名端与地相连，第二电压互感器次级线圈(7)的同名端与三相组合式互感器的u_2β电压信号输出端相连，第二电压互感器次级线圈(7)的非同名端与地相连，第一电流互感器的第一初级线圈(9)的非同名端与三相组合式互感器的A相输出端相连，第一电流互感器的第二初级线圈10的同名端与第二电流互感器的第一初级线圈(13)的同名端相连，第二电流互感器的第一初级线圈(13)的非同名端与三相组合式互感器的B相输出端相连，第二电流互感器的第二初级线圈(14)的同名端与三相组合式互感器的C相输出端相连，第一电流互感器次级线圈(11)的同名端分别与第一电阻(16)的一端和三相组合式互感器的u_i2α电压信号输出端相连，第一电流互感器次级线圈(11)的非同名端分别与第一电阻(16)的另一端、第二电阻(17)的一端和第三电阻(18)的一端相连，第二电流互感器次级线圈(15)的同名端分别与第二电阻(17)的另一端和三相组合式互感器的u_i2β电压信号输出端相连，第二电流互感器次级线圈(15)的非同名端分别与第三电阻(18)的另一端和地相连；A相输入端、B相输入端、C相输入端、A相输出端、B相输出端和C相输出端构成了三相组合式互感器的一次接线端口，u_2α、u_2β、u_i2α和u_i2β电压信号输出端及地构成了三相组合式互感器的二次输出端口。

2.如权利要求1所述的基于正交坐标系变换输出的三相组合式互感器，其特征在于所述第一电阻(16)、第二电阻(17)和第三电阻(18)均采用纯阻性精密电阻，其温度漂移率需低于5ppm/℃。

3.如权利要求1所述的基于正交坐标系变换输出的三相组合式互感器，其特征在于所述第一电流互感器的第一初级线圈(9)和第二初级线圈(10)、以及第二电流互感器的第一初级线圈(13)和第二初级线圈(14)的匝数为1，即第一电流互感器和第二电流互感器为母线穿心式电流互感器。

4.如权利要求1-3任何一项所述的基于正交坐标系变换输出的三相组合式互感器，其特征在于所述三相组合式互感器的二次端口各输出端的额定输出电压方均根值均为4V。