CN105510681B - 一种非线性电流取样组件 - Google Patents
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Abstract
一种非线性电流取样组件，包括非线性组件（1）、补偿元件（2）、电流信号处理单元（3）。非线性组件（1）与补偿元件（2）形成电气并联连接，并联后的两端与电流信号处理单元（3）形成电气连接。该组件主要用于满足一些特殊应用的需要，既能够提高瞬时小电流信号时的分辨率和抗干扰性能，又能保证大电流信号时取样组件上的电压降较低，有效降低大电流时取样组件的功率损耗，并且取样信号的延时小。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流取样组件，特别是一种用于晶闸管开关控制的非线性电流取样组件，属于电力电子电路技术领域。
背景技术
晶闸管在高电压大电流的应用中具有优势，然而，它承受过电压、过电流的能力很差，并且晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100安的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏；晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。
晶闸管属于半控型器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，虽然GTO的门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，但其控制电路复杂，同样会降低系统的可靠性。对于普通的晶闸管，一经触发导通后，必须等到流过晶闸管的电流过零时自然关断，因此，为了有效地控制晶闸管，就必须精准地测量流过晶闸管的电流。对于无触点电磁调压系统，只有准确地检测到用于切换变压器绕组的晶闸管的电流零点信号,准确地给出晶闸管的触发信号,才能保证系统动态调压的高性能与高可靠性。只有对通过变压器相关绕组的电流进行非线性取样,既提高瞬时小电流信号时的分辨率，又保证大电流信号时取样元件上的电压降较低，并且达到足够小的信号延时，才能保证在宽广的电流范围内系统具备优良的性能。
然而，目前对电流取样的元件基本都是分流电阻、电流互感器或霍尔元件，都是对电流进行线性取样，在小信号时分辨率低，难以满足一些特殊应用的需要，而且使用电流互感器对电流进行取样，存在较大的相移，因此不能准确地检测出电流零点。
目前，也有一些用于电流取样的专利技术，如专利CN201010133923.6提供的电流取样电路，是将取样电路并联在谐振电容上，靠分流电容与主电路电容的容值比例决定电流分配关系，优点是电流取样电路里只有很小的电流，可大大降低电流取样电路的功率损耗，并且可以选用小型的互感器实现大电流电路的检流，以降低成本和体积，但这只适用于谐振零电流开关电路的电流取样，不适用于晶闸管的电流取样。又如专利CN200810018517.8、CN201110268069.9，虽然有一些优点，但仍然是基于霍尔元件或电阻线性取样的原理，因而不能提高小电流信号时的分辨率，难以满足一些特殊应用场合的需要。
发明内容
本发明的目的在于提出一种非线性电流取样组件，既能够提高瞬时小电流信号时的分辨率，又保证大电流信号时取样组件上的电压降较低，有效降低大电流时取样组件的功率损耗，并且取样信号的延时小。本发明主要用于满足一些特殊应用的需要，而不是为了精确地测量电流的大小。
本发明是这样实现的：一种非线性电流取样组件，其特征在于，包括：非线性组件（1）、补偿元件（2）、电流信号处理单元（3）。其中：
非线性组件（1）与补偿元件（2）形成电气并联连接，并联后的两端与电流信号处理单元（3）形成电气连接；
非线性组件（1）与补偿元件（2）形成电气并联连接后，在电气上串联接入被取样的电流支路（4）中。
所述的非线性组件（1）由反向并联的两组PNP型三极管V21、V22构成；三极管V21的基极与集电极及三极管V22的发射极相连接；三极管V22的基极与集电极及三极管V21的发射极相连接，形成三极管V21与V22反向并联连接，再与线性电阻R21并联连接。
本发明是按照上述构思使用上述主要部件构成的。其工作原理是：被取样电流通过非线性组件（1）时，在非线性组件（1）上形成电压信号，将此电压信号取出送给电流信号处理单元（3）。由于电流取样是按照非线性组件（1）的非线性电气特性取出的，因此既可以做到在瞬时小电流信号时有足够高的分辨率，又能保证大电流信号时取样元件上的电压降较低，从而有效降低大电流时取样组件的功率损耗，并且由于非线性组件自身的电容很小，因而取样电流的信号的延时是非常小的。为了使取样信号在小电流信号时具有一致性较好的电气特性，在非线性组件（1）的两端并联补偿元件（2），而补偿元件（2）一般由线性元件构成。
本发明的优点及效果：
（1）能够提高瞬时小电流信号时的分辨率；
（2）在大电流信号时取样组件上的电压降较低，能有效降低大电流时取样组件的功率损耗；
（3）能够提高微小电流信号时的抗干扰性能；
（4）电流取样信号的延时小。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的电路原理方框图。
图2是本发明的电流取样特性曲线。
图3是由PNP型三极管构成的非线性电流取样组件原理图。
图4是由NPN型三极管构成的非线性电流取样组件原理图。
图5是由二极管构成的非线性电流取样组件原理图。
图6是使用非线性电流取样组件的电子开关控制电路原理方框图。
图7是用于高强度气体放电灯的交流调压照明节能电源的电气主电路图。
具体实施方式
请参看图1，非线性组件（1）与补偿元件（2）形成电气并联连接，并联后的两端与电流信号处理单元（3）形成电气连接；非线性组件（1）与补偿元件（2）形成电气并联连接后，在电气上串联接入被取样的电流支路（4）中。被取样电流通过非线性组件（1）时，在非线性组件（1）上形成电压信号，将此电压信号取出送给电流信号处理单元（3）。由于电流取样是按照非线性组件（1）的非线性电气特性取出的，因此既可以做到在瞬时小电流信号时有足够高的分辨率，又能保证大电流信号时取样元件上的电压降较低，从而有效降低大电流时取样组件的功率损耗，并且由于非线性组件自身的电容很小，因而取样电流的信号的延时是非常小的。为了使取样信号在小电流信号时具有一致性较好的电气特性，在非线性组件（1）的两端并联补偿元件（2），而补偿元件（2）一般由线性元件构成。
请参看图2，这是取样电流I通过非线性组件时的电压特性曲线，当取样电流I小于或等于Icr时，取样组件的输出电压V与电流成正比，斜率大小由补偿元件的线性电阻决定；当电流大于Icr时，取样组件的输出电压与电流按对数规律变化，因而在大电流取样时极大地降低了取样组件的输出电压，也就降低了大电流时取样组件的功率损耗，电流大于Icr时的输出电压主要由非线性组件的特性决定。
根据所需要的非线性特性，可以使用不同的非线性器件来实现非线性组件（1），以下是几种实施例。
实施例1：
请参看图3，由PNP型三极管构成非线性电流取样组件。用于交流电流非线性取样时，非线性组件（1）由反向并联的两组PNP型三极管V21、V22构成，每组PNP型三极管的数量与支路电流的最大值及每只PNP型三极管的额定电流值有关。当被取样的支路电流较小时，V21、V22均可由1只PNP型三极管构成，而当被取样的支路电流较大时，V21、V22均需要使用多只PNP型三极管并联，每只PNP型三极管的基极与集电极连接在一起。当用于直流电流非线性取样时，非线性组件（1）只需要1组PNP型三极管V21或V22构成，此时使用PNP型三极管的原则是支路电流方向从PNP型三极管的发射极流向集电极。补偿元件（2）使用1只线性电阻R21，并联在非线性组件（1）的两端，由此取出的电压信号送给电流信号处理单元（3）。
三极管V21的基极与集电极及三极管V22的发射极相连接；三极管V22的基极与集电极及三极管V21的发射极相连接，形成三极管V21与V22反向并联连接，再与线性电阻R21并联连接。这种连接方式下，三极管V21和V22工作在临界饱和状态，经与线性电阻R21配合，既能提高瞬时小电流信号时的分辨率，又能提高微小电流信号时的抗干扰性能，还能有效降低交流电正负半波大电流信号在三极管V21和V22上的电压降，有效降低大电流时取样组件的功率损耗。
实施例2：
请参看图4，由NPN型三极管构成非线性电流取样组件。用于交流电流非线性取样时，非线性组件（1）由反向并联的两组NPN型三极管V31、V32构成，每组NPN型三极管的数量与支路电流的最大值及每只NPN型三极管的额定电流值有关。当被取样的支路电流较小时，V31、V32均可由1只NPN型三极管构成，而当被取样的支路电流较大时，V31、V32均需要使用多只NPN型三极管并联，每只NPN型三极管的基极与集电极连接在一起。当用于直流电流非线性取样时，非线性组件（1）只需要1组NPN型三极管V31或V32构成，此时使用NPN型三极管的原则是支路电流方向从NPN型三极管的集电极流向发射极。补偿元件（2）使用1只线性电阻R31，并联在非线性组件（1）的两端，由此取出的电压信号送给电流信号处理单元（3）。
三极管V31的基极与集电极及三极管V32的发射极相连接；三极管V32的基极与集电极及三极管V31的发射极相连接，形成三极管V31与V32反向并联连接，再与线性电阻R21并联连接。这种连接方式下，三极管V31和V32工作在临界饱和状态，经与线性电阻R31配合，既能提高瞬时小电流信号时的分辨率，又能提高微小电流信号时的抗干扰性能，还能有效降低交流电正负半波大电流信号在三极管V31和V32上的电压降，有效降低大电流时取样组件的功率损耗。
实施例3：
请参看图5，由二极管构成非线性电流取样组件。用于交流电流非线性取样时，非线性组件（1）由反向并联的两组二极管D1、D2构成，每组二极管的数量与支路电流的最大值及每只二极管的额定电流值有关，当被取样的支路电流较小时，D1、D2均可由1只二极管构成，而当被取样的支路电流较大时，D1、D2均需要使用多只二极管同向并联。当用于直流电流非线性取样时，非线性组件（1）只需要1组二极管D1或D2构成，此时使用二极管导通时的电流方向与支路电流方向一致的一组二极管。补偿元件（2）使用1只线性电阻R1，并联在非线性组件（1）的两端，由此取出的电压信号送给电流信号处理单元（3）。
实施例4：
请参看图6，是使用非线性电流取样组件的电子开关控制电路原理方框图，用于变压器无触点电磁调压产品中。非线性组件（1）与补偿元件（2）形成电气并联连接，并联后的两端与电流信号处理单元（3）形成电气连接；非线性组件（1）与补偿元件（2）形成电气并联连接后，在电气上串联接入被取样的电流支路（4）中；控制电路（5）与电流信号处理单元（3）及电子开关（6）构成电气连接；由一组双向晶闸管组成的电子开关（6）串联接入被取样的电流支路（4）中。被取样电流通过非线性组件（1）时，在非线性组件（1）上形成电压信号，将此电压信号取出送给电流信号处理单元（3）。由于电流取样是按照非线性组件（1）的非线性电气特性取出的，因此既可以做到在瞬时小电流信号时有足够高的分辨率，又能保证大电流信号时取样元件上的电压降较低，从而有效降低大电流时取样组件的功率损耗，并且由于非线性组件自身的电容很小，因而取样电流的信号的延时是非常小的。为了使取样信号在小电流信号时具有一致性较好的电气特性，在非线性组件（1）的两端并联补偿元件（2），而补偿元件（2）由线性电阻元件构成。经电流信号处理单元（3）调理后的信号送入控制电路（5），由控制电路（5）根据设定的条件发出控制信号，控制触发接通有关的电子开关（6）。由于在电路中使用了非线性电流取样组件，既能提高瞬时小电流信号时的分辨率，又能提高微小电流信号时的抗干扰性能，还能有效降低取样组件的功率损耗，更重要的是该组件提供的取样信号可以使控制电路在电流零点时准确控制晶闸管的切换，提高了变压器无触点电磁调压产品的性能和可靠性。
请进一步参看图7，这是用于高强度气体放电灯的交流调压照明节能电源的电气主电路图。M1是智能控制模块（型号为MCT801E）；M2是双向晶闸管触发信号的隔离与驱动单元；电阻R3、R4及三极管V5组成旁路驱动电路，控制中间继电器KJ1的动作，其触点KJ1-1控制旁路接触器KM1；转换开关S1用于控制手动旁路与自动工作；变压器T1具有多个分接头，分别通过快速熔断器接至作为开关器件的双向晶闸管V1～V4构成的调压单元；快速熔断器F1～F4起快速保护双向晶闸管的作用；ZJ1是非线性电流取样组件，ZJ1的一端连接到双向晶闸管V1、V2、V3、V4的第一阳极及双向晶闸管V1、V2、V3、V4触发信号的隔离与驱动单元M2的N1端，另一端连接到接触器的常开触点KM1-2，ZJ1的取样信号连接到智能控制模块M1，流过双向晶闸管的电流亦流过ZJ1，该组件提供的取样信号可以使智能控制模块在电流零点时准确控制晶闸管的切换，提高了变压器无触点切换的性能和可靠性；KM1的常开触点KM1-2与常闭触点KM1-1构成电气互锁；Lin是交流输入的相线 ，Lout是交流输出的相线，交流输入与输出的公共端是N ；接触器KM1的辅助常闭触点KM1-4、电阻R5、发光二极管D2构成旁路指示。
工作原理是：通过转换开关S1可手动控制电源工作在自动状态或旁路状态，当转换开关S1接通A触点时，工作于自动状态，此时从Lin输入的交流电压通过转换开关S1加到变压器T1的初级绕组（高电压绕组）；当转换开关S1接通B触点时，工作于旁路状态，转换开关S1将变压器T1的初级绕组短路，因而变压器次级绕组的输出电压为零，交流输出电压等于交流输入电压，完成手动旁路功能。
转换开关S1置于自动工作状态时：当智能控制模块M1的PL引脚输出高电平信号时，通过电阻R3、R4给三极管V5基极提供偏置电压，三极管V5饱和导通，继电器KJ1线圈得电动作，接触器KM1线圈得电压动作，旁路触点KM1-1断开，变压器T1的初级绕组各分接头受双向晶闸管V1～V4控制，由其中导通的双向晶闸管将变压器相应的分接头接至电气互锁的常开触点KM1-2，由于此时常开触点KM1-2处于闭合状态，故变压器T1的初级绕组接到了交流输入Lin和交流公共端N，变压器次级绕组的电压等于初级绕组所加电压除以变比，交流输出电压等于交流输入电压减变压器次级绕组的电压，变比与晶闸管接通的分接头位置有关，于是，交流输出电压得到了调整，高强度气体放电灯的耗电量与所加的电压相关，由此可调整高强度气体放电灯的亮度和节能率。M2是双向晶闸管V1～V4的触发信号驱动单元，它接收来自控制模块M1的控制信号，通过M2中的光耦实现电气隔离，再经过M2中的驱动电路触发相应的晶闸管。流过双向晶闸管V1～V4晶闸管的电流亦流过非线性电流取样组件ZJ1，该组件既能提高瞬时小电流信号时的分辨率，又能提高微小电流信号时的抗干扰性能，还能有效降低取样组件的功率损耗，ZJ1提供的取样信号可以使智能控制模块在电流零点时准确控制晶闸管的切换，提高了变压器绕组无触点切换的性能和可靠性。
当控制模块M1输出低电平信号时，三极管V5因基极无偏置电压而截止，继电器KJ1不动作，接触器KM1线圈因无电压而处于复位状态，旁路触点KM1-1闭合，将变压器T1的初级绕组短路，因而变压器次级绕组的输出电压为零，交流输出电压等于交流输入电压，完成自动旁路功能。同时，电气互锁的常开触点KM1-2断开，实现电气互锁。接触器KM1的常闭触点KM1-4闭合，由电源[1]提供的直流电压VCC通过触点KM1-4、电阻R5加到发光二极管D2上，D2发光，指示处于自动旁路状态。
此外，接触器KM1的常开触点KM1-3用于向控制模块M1提供旁路状态信号。
由于本发明是在变压器的高电压侧进行旁路控制，因而控制电流较小，所需电气元件的容量小，与现有技术的在主回路切换旁路相比，所需旁路电气元件的体积小、成本低、可靠性高，并且易于控制。
Claims (1)
1.一种非线性电流取样组件，其特征在于，包括：非线性组件（1）、补偿元件（2）、电流信号处理单元（3）；其中：
非线性组件（1）与补偿元件（2）形成电气并联连接，并联后的两端与电流信号处理单元（3）形成电气连接；
非线性组件（1）与补偿元件（2）形成电气并联连接后，在电气上串联接入被取样的电流支路（4）中；
ZJ1是非线性电流取样组件，ZJ1的一端连接到双向晶闸管V1、V2、V3、V4的第一阳极及双向晶闸管V1、V2、V3、V4触发信号的隔离与驱动单元M2的N1端，另一端连接到接触器的常开触点KM1-2，ZJ1的取样信号连接到智能控制模块M1，流过双向晶闸管的电流亦流过ZJ1；
所述的非线性组件（1）根据所需要的非线性特性，使用不同的非线性器件来实现：
由NPN型三极管构成非线性电流取样组件：用于交流电流非线性取样时，非线性组件（1）由反向并联的两组NPN型三极管V31、V32构成，每组NPN型三极管的数量与支路电流的最大值及每只NPN型三极管的额定电流值有关；当被取样的支路电流较小时，V31、V32均由1只NPN型三极管构成，而当被取样的支路电流较大时，V31、V32均需要使用多只NPN型三极管并联；补偿元件（2）使用1只线性电阻R31，并联在非线性组件（1）的两端；三极管V31的基极与集电极及三极管V32的发射极相连接；三极管V32的基极与集电极及三极管V31的发射极相连接，形成三极管V31与V32反向并联连接，再与线性电阻R21并联连接；
由二极管构成非线性电流取样组件：用于交流电流非线性取样时，非线性组件（1）由反向并联的两组二极管D1、D2构成，每组二极管的数量与支路电流的最大值及每只二极管的额定电流值有关，当被取样的支路电流较小时，D1、D2均可由1只二极管构成，而当被取样的支路电流较大时，D1、D2均需要使用多只二极管同向并联；补偿元件（2）使用1只线性电阻R1，并联在非线性组件（1）的两端，由此取出的电压信号送给电流信号处理单元（3）。
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Effective date of registration: 20201218 Address after: 236200 No.23, Menxi group, Wuhai community, Xieqiao Town, Yingshang County, Fuyang City, Anhui Province Patentee after: Yingshang Jianhui agriculture and animal husbandry organic fertilizer Co.,Ltd. Address before: 211188 No. 629 Longmian Avenue, Jiangning Science Park, Nanjing City, Jiangsu Province Patentee before: NANJING COMMUNICATIONS INSTITUTE OF TECHNOLOGY |
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Effective date of registration: 20230807 Address after: 236200 No. 266, Zhengzheng South Road, Shencheng Town, Yingshang County, Fuyang City, Anhui Province Patentee after: Yingshang Xiangsheng Construction Management Co.,Ltd. Address before: 236200 No.23, Menxi group, Wuhai community, Xieqiao Town, Yingshang County, Fuyang City, Anhui Province Patentee before: Yingshang Jianhui agriculture and animal husbandry organic fertilizer Co.,Ltd. |
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