CN107209211A - 用于罗戈夫斯基线圈传感器的电子积分器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电流传感器诸如罗戈夫斯基线圈的积分器电路。该积分器电路包括积分器，该积分器具有用于接收来自电流传感器的信号的输入端并具有提供电压信号的输出端。高通滤波器具有耦合到积分器的输出端的输入端，并且基本消除来自电压信号的DC含量。反馈回路具有耦合到所述积分器的所述输出端并耦合到高通滤波器的输入端，并具有将电压信号的DC含量提供回积分器的输入端的输出端。该积分器电路能够检测正在被监测的所述线路导体中的大电流阶跃，并且能够用于检测线路故障。

Description

用于罗戈夫斯基线圈传感器的电子积分器

背景技术

图1示出了罗戈夫斯基线圈传感器12。柔性线圈12可在不妨碍导电回路的情况下夹在载流导体10周围，并在所有的实际电流范围上均为线性的，并由此形成AC电力工业中有吸引力的电流传感器解决方案。当AC线路位于线圈12中心时，所产生的电压V为：

其中μ₀为自由空间磁导率，n为线圈匝数，A为线圈横截面，r为半径，如图1所示，并且I为线路电流。电压V与微分的线路电流成比例，并且信号V和I将由此显示出90度的相位差。与电流I同相位的信号V将需要进行积分。如果涉及到高次谐波，积分还将导致正确的电流分布。

图1示出在端子16处耦合到线圈12的积分器14的示例，该积分器14具有基本谐波传递函数：

当需要精确的相位信息时，具有所示元件值的积分器14不是适当的解决方案。60Hz时的ωRC乘积仅为约1.2，导致积分器14在线频率处具有大量不期望的相移。消除R₁获得90度的期望相移，使得传递函数得到纯积分器形式：

该传递函数的实际问题在于DC下的放大率变为无限大。因此，输出可包括未定义的DC电平，该DC电平本质上代表积分常数，使得反馈电容器C₁被DC充电。学术上的不定积分学演算忽略了积分常数，即，使其为零，并且现在面临的挑战是将该便利延伸到现有的实际案例中。一种解决方式为在反馈电容器C₁上放置晶体管(MOSFET)，让电容器偶尔放电，使得OPAMP 15的DC输出得以重新定义。这种方法需要定时电路不经常地放电，但仍在优选时刻有规律地放电。当用接近完美的MOSFET很好地执行时，该方法可提供该解决方式。

因此，存在对用于罗戈夫斯基线圈或其它电流传感器的改善积分器的需要。

发明内容

用于电流传感器的积分器电路，与本发明一致，包括具有输入端和输出端的积分器，该输入端用于接收来自电流传感器的信号，该输出端提供电压信号。高通滤波器具有耦合到积分器的输出端的输入端并具有输出端，并且高通滤波器基本消除来自电压信号的DC含量。反馈回路具有耦合到积分器的输出端并耦合到高通滤波器的输出端的输入端，并具有向积分器的输入端提供电压信号的DC含量的输出端。

附图说明

附图并入本说明书并构成本说明书的一部分，它们连同具体实施方式一起阐明本发明的优点和原理。在附图中，

图1是用于罗戈夫斯基线圈传感器的现有技术积分前置放大器的图示；

图2是用于罗戈夫斯基线圈传感器的积分器电路的图示；

图3是比较由电流变压器和图2的积分器电路测量的线路电流的图；

图4是图2的积分器电路的振幅响应的图；

图5是图2的积分器电路的相位响应的图；并且

图6是图2的积分器电路的线路阶跃电流与脉冲响应的图。

具体实施方式

本发明公开了用于罗戈夫斯基线圈传感器或其它电流传感器的改善积分器。罗戈夫斯基线圈传感器经常被用于监测或测量AC电力网中的60Hz线路电流。智能电网基础设施的发展将需要部署大量的这些传感器。罗戈夫斯基传感器可商购获得，并且需要前置放大器以使线圈振幅达到可接受的水平。通常，针对每安培的线路电流，罗戈夫斯基线圈产生大致25μV的电压，该电压太弱以致不能直接用于处理优选约1mV/A放大率的电子器件。商用前置放大器或传感器为可用的，但它们通常产生DC信号，从而引起AC相位信息的损耗。为了获得线路电流的相位精确的60Hz放大的复制品，公开了新型积分器设计。该积分器设计是对上文所述解决方式的改善解决方案，并涉及使用对DC电平的连续监测并通过稳定反馈将其强制为零，遵守上文用于纯积分器形式的第二传递函数，而无需在反馈电容器上放置任何元件。

图2为包括三个OPAMP(运算放大器)21、22和23的积分器电路20解决方案的图示。第一OPAMP 21为具有输入端和输出端(25)的纯积分器，该输入端在端子16处从罗戈夫斯基线圈传感器接收信号，该输出端提供信号V_a。OPAMP 21的反相输入端可对地电位具有例如1MΩ的下拉电阻器。OPAMP 21后面是无源的第一阶高通滤波器，该无源的第一阶高通滤波器由电容器C₂和电阻器R₂形成，具有接收信号V_a的输入端并具有输出端，该输出端将无DC型式的积分信号递送至第二OPAMP 22的+输入端，该第二OPAMP充当电压跟随器并具有提供信号V_b的输出端(26)。高通滤波器可消除信号V_a的DC含量，或基本消除可接受量的DC含量以用于电路20的运作。电压跟随器(OPAMP 22)用于最小化由高通滤波器输出端形成的高阻抗点上的载荷。第三OPAMP 23为差分放大器(在这种情况下不放大)，其具有产生第一OPAMP 21输出的DC含量的复制品的输出端(27)。闭合从OPAMP 23的输出端V_c到OPAMP 21的+输入端V+的DC反馈回路，因此保证了第一OPAMP 21的积分器输出保持不含DC。

积分器电路20在端子16处从罗戈夫斯基线圈传感器或其它电流传感器接收信号，并在端子24处提供输出信号V_输出。电路20在端子24处输出与来自电流传感器的信号有关的信号，例如响应于线路导体中的较大电流阶跃的衰减振铃信号，该较大的电流阶跃由电流传感器监测。电路20可在输出端子24处耦合至模数转换器，以便向处理器提供对应的数字信号，用于智能电网基础设施监测，例如诸如线路故障分析。电路20还可用于监测并检测三相线缆中的线路故障。

在图3中，通过比较由电流变压器(Hammond CT500A)和由图2中的积分器电路20测量的线路电流示出了电路20的性能。当将电路20中的电位差计R₁(可变电阻器)调整至1mV/A的放大率时，图3中的迹线显示出在一分钟内几乎完美的契合，以及大体能接受的相位差。

以下内容提供对电路20运作的谐波分析。如果同相输入电压V+处于地电位，那么第一OPAMP 21积分器的传递函数为：

公式(1)的函数为理想积分器的函数，该理想积分器的一个电极为DC或更实际地具有非常低的频率但放大率极高。如果最初的应用形成用于60Hz信号的积分器，如在该示例性情况下，那么对低频噪声的积分导致随大振幅缓慢变化的漂移，这变成了麻烦。该麻烦可通过偶尔重置积分器的DC态或通过在不受关注的低频下限制放大率而得以避免。

因此，一种解决方式涉及通过MOSFET使电容器C₁短路，从而让该电容器C₁偶尔放电，这是有效但不是最巧妙的解决方案。另一种在低频下限制放大率的常见解决方式为在电容器C₁上放置大的反馈电阻器R_f，使得DC下的放大率至多等于电阻器R_f和R₁的比率R_f/R₁。实际上，该比率仍比1大得多，使得缓慢漂移的麻烦得到削弱但未被消除。如果在DC下放大率趋于逼近零，则可获得进一步的改进。这如图2中的电路20的情况，如下文的谐波分析所展示。

图2中所标示的电压均相对于地电位而言。其中ω为角频率，两个基本传递函数提供如下：

并且其中所有的电阻器R具有相等的值：

V_c＝V_b-V_a (3)

考虑到V+输入电压的任意性，对第一OPAMP 21

积分器传递函数的求导需要以下两个公式：

-V_输入+i R₁+V⁺＝0 (4)

消除公式(4)和(5)的电流i：

通过直接反馈使电压V+等于电压V_c，如电路20所示，并合并公式(2)、(3)和(6)：

显然，如果τ₂>>τ₁，方程(7)接近理想积分器，并且如果导出了总积分器传递函数，则结果显而易见：

方程(8)中的总传递函数在同时满足以下两个条件时变成极好的积分器：

1) τ₂＞＞τ₁

2)

当ω接近DC时，期望的有益效果变得显而易见，因为那时输出由于有关项ωτ₂的微分而被消去。这与方程(1)中的纯积分器不同，方程(1)中DC下的放大率趋于无穷大。

通过对方程(8)中传递函数的振幅和相位响应绘图，进一步展示了特性，如图4和图5所示。图4中电路20的振幅响应清楚地显示出谐振峰值，该谐振峰值为用于积分目的的可用频率范围的绝对下限做出标记。谐振频率f_谐振通过将方程(8)的相位设置成零，振幅取τ₂/(2τ₁)最大值而获得：

对于60Hz的AC线路电流积分器，设计依据可为使f_谐振不超过约10Hz。电路20需要低噪声环境，尤其是接近f_谐振，这对单色60Hz线路信号可轻松地接受。

为了进行进一步说明，可将电路20的运作与通过在电容器C₁上放置电阻器R_f而形成的第一阶滤波电路作比较。此类比较将展示出电路20的有益效果，其中在很小的赫兹带宽上延伸从微分到积分的极其尖锐的转变。

以下内容提供对电路20的脉冲响应的瞬态分析。所导出的电路20的拉普拉斯变换传递函数为：

并且还如方程10中所示，通过定义根植r：

将频率ω₁和ω₂表示为共轭复数：

根据麦克斯韦方程组，第一阶微分方程恰当地描述了端接有电阻的罗戈夫斯基线圈电感。然后脉冲响应具有时间的指数表达式形式。类似地，通过将较慢的100mHz方波从10nF电容器和50Ω电阻分压器上的宽带函数发生器区分开来，可获得指数形式的脉冲响应。此类脉冲由以下方程描述：

其中ω₀为实数且为正，并且其中拉普拉斯变换：

将方程15代入方程10中，脉冲响应谱变为：

电路20的逆拉普拉斯变换脉冲响应提供于方程17中，其中输入脉冲含量V₀τ₀＝MI_ac，其中M为罗戈夫斯基线圈互感系数，并且其中I_ac为示于图6中的电流阶跃振幅。

当|ω₀|>>|ω₁|,|ω₂|时，方程17具有非常好的逼近性，并通过一直衰减脉冲响应解决方案展示出积分器电路稳定性。根据方程17，可以将积分器视为谐振频率远低于60Hz线频率的电子音叉。

图6为电路20的线路电流阶跃响应的图，示出了250A的实际线路电流阶跃和所得积分器电路20的振铃响应。

针对电路20中的电阻器和电容器而提供的示例性元件值以欧姆和法拉计。其它元件值可根据例如电路20的具体应用被使用。当元件被描述为耦合到另一元件时，元件可直接耦合或通过其它元件耦合，以便在其间进行电通信。术语输入到元件可包括单个输入或多个输入。术语从元件输出可包括单个输出或多个输出。

Claims (19)

1.一种用于电流传感器的积分器电路，所述积分器电路包括：

积分器，所述积分器具有用于接收来自电流传感器的信号的输入端并具有提供电压信号的输出端；

高通滤波器，所述高通滤波器具有耦合到所述积分器的所述输出端的输入端并具有输出端，其中所述高通滤波器基本消除来自所述电压信号的DC含量；和

反馈回路，所述反馈回路具有耦合到所述积分器的所述输出端并耦合到所述高通滤波器的所述输出端的输入端，并具有向所述积分器的所述输入端提供所述电压信号的所述DC含量的输出端。

2.根据权利要求1所述的积分器电路，还包括耦合在所述高通滤波器的所述输出端和所述反馈回路之间的电压跟随器。

3.根据权利要求2所述的积分器电路，其中所述电压跟随器具有输出端子，所述输出端子提供与来自所述电流传感器的所述信号有关的信号。

4.根据权利要求1所述的积分器电路，其中所述反馈回路包括差分放大器，所述差分放大器具有第一输入端、第二输入端和提供所述DC含量的所述输出端，所述第一输入端耦合到所述积分器的所述输出端，所述第二输入端耦合到所述高通滤波器的所述输出端。

5.根据权利要求1所述的积分器电路，其中所述积分器的所述输入端被配置成从罗戈夫斯基线圈接收所述信号。

6.根据权利要求1所述的积分器电路，其中所述积分器包括运算放大器和与所述运算放大器并联耦合的电容器。

7.一种用于电流传感器的积分器电路，所述积分器电路包括：

积分器，所述积分器具有用于接收来自电流传感器的信号的输入端并具有提供电压信号的输出端；

高通滤波器，所述高通滤波器具有耦合到所述积分器的所述输出端的输入端并具有输出端，其中所述高通滤波器基本消除来自所述电压信号的DC含量；

电压跟随器，所述电压跟随器具有耦合到所述高通滤波器的所述输出端的输入端并具有输出端；和

差分放大器，所述差分放大器具有耦合到所述积分器的所述输出端的第一输入端、耦合到所述电压跟随器的所述输出端的第二输入端，以及向所述积分器的所述输入端提供所述电压信号的所述DC含量的输出端，

其中所述电压跟随器的所述输出端提供与来自所述电流传感器的所述信号有关的信号。

8.根据权利要求7所述的积分器电路，其中所述积分器的所述输入端被配置成从罗戈夫斯基线圈接收所述信号。

9.根据权利要求7所述的积分器电路，其中所述电压跟随器包括运算放大器。

10.根据权利要求7所述的积分器电路，其中所述积分器包括运算放大器和与所述运算放大器并联耦合的电容器。

11.根据权利要求7所述的积分器电路，还包括耦合到所述积分器的所述输入端的可变电阻器。

12.根据权利要求7所述的积分器电路，其中所述电压跟随器响应于所述电流传感器检测到的电流阶跃来提供振铃信号。

13.一种用于监测电流的系统，所述系统包括：

电流传感器，所述电流传感器靠近电流导体定位用于检测所述导体中的电流；和

积分器电路，所述积分器电路耦合到所述电流传感器，所述积分器电路包括：

积分器，所述积分器具有接收来自所述电流传感器的信号的输入端并具有提供电压信号的输出端；

高通滤波器，所述高通滤波器具有耦合到所述积分器的所述输出端的输入端并具有输出端，其中所述高通滤波器基本消除来自所述电压信号的DC含量；和

反馈回路，所述反馈回路具有耦合到所述积分器的所述输出端并耦合到所述高通滤波器的所述输出端的输入端，并具有向所述积分器的所述输入端提供所述电压信号的所述DC含量的输出端。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述电流传感器包括罗戈夫斯基线圈。

15.根据权利要求13所述的系统，还包括耦合在所述高通滤波器的所述输出端和所述反馈回路之间的电压跟随器。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述电压跟随器具有输出端子，所述输出端子提供与来自所述电流传感器的所述信号有关的信号。

17.根据权利要求13所述的系统，其中所述反馈回路包括差分放大器，所述差分放大器具有第一输入端、第二输入端和提供所述DC含量的所述输出端，所述第一输入端耦合到所述积分器的所述输出端，所述第二输入端耦合到所述高通滤波器的所述输出端。

18.根据权利要求13所述的系统，其中所述积分器包括运算放大器和与所述运算放大器并联耦合的电容器。

19.根据权利要求16所述的系统，其中所述积分器电路谐振特性响应于所述电流导体中的电流阶跃来在所述输出端子处提供振铃信号。