CN107817372B - 一种直流与交流大电流传感头及计量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于直流与交流大电流计量的电流传感头，包括第一、第二和第三环形检测铁芯，以及第一、第二调制检测绕组和第三交流检测绕组。基于该电流传感头，本发明还提出一种直流和交流大电流测量装置。本发明提出的技术方案，采用二级磁势平衡方式，偏置绕组、偏置耦合电容器、标准电阻组成的结构实现主要的安匝平衡，剩余交流安匝检测送入交流放大器，经反馈耦合电容和反馈绕组，实现偏置绕组交流安匝加上反馈绕组交流安匝与一次母线交流安匝的平衡，从而取得一次交流磁势和二次交流磁势完全平衡，本发明在保持直流电流测量相对误差极小的基础上，又实现了交流电流测量的高精度目标，能同时实现直流与交流大电流的标准计量，可更好地满足标准计量需要。
Description
技术领域
本发明属于电工技术中的电流测量设备，特别涉及一种用于直流和交流大电流的传感头及计量装置。
背景技术
专利号ZL200910062617.5题为“一种直流大电流计量装置”，用于直流大电流的标准计量。它是将被测一次电流通过一次电流传感器将信号取出，同时将二次偏置电流与二次纹波抑制电流经二次电流传感器取出，两信号同时传输给差动放大器、带通滤波器、功率放大器，将电流送入偏置绕组，实现了偏置电流的自动调节、跟踪，克服了现有技术90％的直流电流通过手动调节直流电源、流过偏置绕组的方式，实现了二次偏置电流的全自动跟踪、平衡；剩下的10％以下的直流电流，则与现有磁调制技术一样，将剩余直流电流的调制信号取出，经信号处理，得到反馈电流；二次偏置电流加上二次反馈电流和二次纹波抑制电流，构成二次电流的全自动跟踪系统，能够实现60000安培直流大电流的标准计量。这种装置存在如下缺点：它只能用来测量直流大电流，不能用来既可测量直流、也可测量交流大电流的标准计量；虽然它也设置了二次纹波抑制电流的通路，这种纹波抑制电流的获得，仅仅是基于普通交流电流互感器原理的电磁耦合，实现不了交流大电流的标准计量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种直流与交流大电流传感头及计量装置，用于测量直流和交流大电流，克服现有技术只能测量直流大电流，不能实现交流大电流的标准计量的技术问题。
本发明提出的一种用于直流与交流大电流计量的电流传感头，其为多个检测绕组绕制在铁芯上而成；其中：
所述铁芯包括第一环形检测铁芯(C1)、第二环形检测铁芯(C2)和第三环形检测铁芯(C3)；第一环形检测铁芯(C1)、第二环形检测铁芯(C2)结构形状相同，分别绕有匝数相同的第一调制检测绕组(WD1)和第二调制检测绕组(WD2)；所述第三环形检测铁芯(C3)绕有第三交流检测绕组(WD3)；
所述绕有第三交流检测绕组(WD3)的第三环形检测铁芯(C3)设在第一、第二环形检测铁芯之间，与绕有调制检测绕组的第一、第二环形检测铁芯一道，经拼装并包覆静电屏蔽金属箔后，整体置于磁屏蔽环形空腔中，该空腔外面套装环形铝合金盒或铜盒(B)(起固定和电屏蔽作用)，盒(B)外绕有反馈绕组(W2F)，反馈绕组(W2F)外面绕有偏置绕组(W2P)。
进一步的，所述铁芯和磁屏蔽环形空腔用坡莫合金带卷绕后，经退火处理后制成。
进一步的，所述第三环形检测铁芯和第一、第二环形检测铁芯(C1、C2)平均直径相同，但铁芯截面积前者是后两者的三分之一。
进一步的，所述第三交流检测绕组(WD3)与第一、第二调制检测绕组(WD1、WD2)的匝数不同，前者是后两者的两倍。
基于所述电流传感头，本发明还提出一种直流与交流大电流计量装置，包括一次和二次电流传感器(1、2)、差动放大器(3)、带通滤波器(4)、功率放大器(5)、偏置耦合电容器(6)、调制振荡器(7)、解调器(8)、直流放大器(9)、交流放大器(10)和反馈耦合电容器(11)；其中：
所述一次电流传感器(1)用于外接被测一次直流与交流大电流的母线的异名端，二次电流传感器(2)安装在功率放大器(5)的输出端上，用于测量二次偏置直流电流；所述一次电流传感器(1)的输出端和二次电流传感器(2)的输出端，同时连接差动放大器(3)的两输入端；所述差动放大器(3)用于检测两个输入信号之差，其输出端连接带通滤波器(4)的输入端，所述带通滤波器用于滤除非二次谐波，其输出端连接功率放大器(5)的输入端；所述功率放大器(5)的输出端同时连接所述电流传感头的偏置绕组异名端和偏置耦合电容器(6)的一端，所述偏置绕组的同名端与电流传感头的反馈绕组(W2F)的同名端相连；所述偏置耦合电容器(6)的另一端与功率放大器的接地端连接；所述偏置绕组(W2P)、偏置耦合电容器(6)、标准电阻(RS)组成一次母线交流电流的二次交流安匝平衡回路；
所述调制振荡器(7)用于产生交流励磁信号，频率与铁芯材料有关，对坡莫合金优选1500-3000Hz，调制振荡器(7)输出端分别与第一调制检测绕组(WD1)和第二调制检测绕组(WD2)的同名端相连，所述第一、二调制检测绕组(WD1、WD2)的两异名端同时连接解调器(8)的输入端；所述解调器(8)用于解调第一、二调制检测绕组(WD1、WD2)的调制信号，其输出端连接直流放大器(9)的输入端，所述直流放大器(9)的输出端与反馈绕组(W2F)异名端相连；所述反馈绕组(W2F)的同名端与标准电阻(RS)的一端相连，标准电阻(RS)的另一端与调制振荡器和直流放大器的接地端共同接地；
所述第三交流检测绕组(WD3)的异名端连接交流放大器(10)的输入端，交流放大器(10)的输出端经反馈耦合电容器(11)与直流放大器(9)的输出端和反馈绕组(W2F)的异名端连接，第三交流检测绕组(WD3)的同名端与偏置耦合电容器(6)的接地端相连。
本发明中，交流检测铁芯和交流检测绕组，用来检测一次母线交流电流与二次偏置交流电流安匝没有平衡的剩余交流电流；偏置绕组、偏置耦合电容器、标准电阻组成一次母线交流电流的二次交流安匝平衡回路，这种安匝平衡是有限的，剩余交流安匝通过交流检测铁芯和交流检测绕组将检测信号取出，送入交流放大器，经反馈耦合电容器，所述交流反馈电流流经反馈绕组，实现偏置绕组交流安匝加上反馈绕组交流安匝与一次母线交流安匝的平衡，其准确度能达到十万分之一以上。直流大电流计量原理同现有技术“一种直流大电流计量装置ZL200910062617.5”，本发明实现了直流与交流大电流的标准计量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明利用磁势平衡原理，直流和交流测量相对误差小，能满足标准计量需要；
2、本发明能同时实现直流与交流大电流的标准计量。
附图说明
图1为本发明的传感头外型示意图；
图2为传感头截面示意图；
图3为本发明的电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明中的电流传感头中，在绕有第一、第二调制检测绕组的第一、第二环形检测铁芯之间，设置绕有第三交流检测绕组的第三环形检测铁芯，与第一、第二绕有调制检测绕组的环形检测铁芯一道，经拼装并包上静电屏蔽铜箔后，整体置于磁屏蔽铁芯的环形空腔中，磁屏蔽铁芯外面套装环形铝合金盒，铝合金盒外面再绕有反馈绕组和偏置绕组。作为优选方案，所述第三环形检测铁芯由坡莫合金带卷绕成环状并经过退火处理而成；第三环形检测铁芯和第一、第二环形检测铁芯平均直径相同，但铁芯截面前者是后者的三分之一；所述第三交流检测绕组与第一、第二调制检测绕组的匝数不同，前者是后者的两倍；
本发明提出的一种直流与交流大电流计量装置，包括传感头、调制振荡器、解调器、直流放大器，所述传感头结构包括：形状相同的第一环形检测铁芯和第二环形检测铁芯，分别绕有匝数相同的第一调制检测绕组和第二调制检测绕组，经拼装并包上静电屏蔽铜箔后，整体置于磁屏蔽铁芯的环形空腔中，磁屏蔽铁芯外面套装环形铝合金盒，铝合金盒外面再绕有反馈绕组和偏置绕组；调制振荡器的两输出端分别与第一调制检测绕组和第二调制检测绕组的同名端相连，第一、二调制检测绕组的两异名端连接解调器的输入端，解调器的输出端连接直流放大器的输入端，直流放大器的输出端与反馈绕组的异名端相连，反馈绕组的同名端与标准电阻的一端相连，标准电阻的另一端与调制振荡器和直流放大器的接地端共同接地；本发明提出的直流与交流大电流计量装置，还包括一次和二次电流传感器、差动放大器、带通滤波器、功率放大器、偏置耦合电容器、交流放大器和反馈耦合电容器；一次电流传感器安装在被测一次直流与交流大电流的母线的异名端上，二次电流传感器安装在功率放大器的输出端上、测量二次偏置直流电流，一次电流传感器的输出端和二次电流传感器的输出端，同时连接差动放大器的两输入端，差动放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端同时连接偏置绕组的异名端和偏置耦合电容器的一端，偏置绕组的同名端与反馈绕组的同名端相连，偏置耦合电容器的另一端与功率放大器的接地端连接并接地。所述第三交流检测绕组的异名端连接交流放大器的输入端，交流放大器的输出端与反馈耦合电容器的一端相连，反馈耦合电容器的另一端同时与直流放大器的输出端和反馈绕组的异名端连接，第三交流检测绕组的同名端与偏置耦合电容器的接地端相连。
如图1所示，本发明的电流传感头外型为圆环状，其截面如图2所示，用坡莫合金带卷绕后经退火处理，制成形状相同的第一环形检测铁芯C1和第二环形检测铁芯C2，以及第三环形检测铁芯C3；第一环形检测铁芯C1和第二环形检测铁芯C2上分别绕有匝数相同的第一调制检测绕组WD1、第二调制检测绕组WD2，第三环形检测铁芯C3绕有第三交流检测绕组WD3，按图2所示结构拼装后在第一调制检测绕组WD1和第二调制检测绕组WD2，以及第三交流检测绕组WD3的外面包上铜箔，作为静电屏蔽层E，然后将它们整体置于坡莫合金制成的磁屏蔽铁芯环形空腔C4中，在磁屏蔽铁芯C4外面套装环形铝合金盒B，在铝合金盒B外绕有反馈绕组W2F，反馈绕组W2F外面绕有偏置绕组W2P。图3所示的被测一次直流与交流大电流I1的母线W1从如图1所示的电流传感头中心圆孔穿过。
如图3所示，本发明中，一次电流传感器1安装在被测一次直流与交流大电流I1的母线W1的异名端上，二次电流传感器2安装在功率放大器5的输出端上，测量二次偏置直流电流I2P，一次电流传感器1的输出端和二次电流传感器2的输出端，同时连接差动放大器3的两输入端，差动放大器3的输出端连接带通滤波器4的输入端，带通滤波器4的输出端连接功率放大器5的输入端，功率放大器5的输出端同时连接偏置绕组W2P的异名端和偏置耦合电容器6的一端，偏置绕组W2P的同名端与反馈绕组W2F的同名端相连，偏置耦合电容器6的另一端与功率放大器5的接地端连接并接地。
调制振荡器7的两输出端分别与第一调制检测绕组WD1和第二调制检测绕组WD2的同名端相连，第一、第二调制检测绕组WD1和WD2的两异名端连接解调器8的输入端，解调器8的输出端连接直流放大器9的输入端，直流放大器9的输出端与电流传感头的反馈绕组W2F的异名端相接，反馈绕组W2F的同名端与标准电阻RS的一端相连，标准电阻RS的另一端与调制振荡器7和直流放大器9的接地端共同接地。
所述第三交流检测绕组WD3的异名端连接交流放大器10的输入端，交流放大器10的输出端与反馈耦合电容器11的一端相连，反馈耦合电容器11的另一端同时与直流放大器9的输出端和反馈绕组W2F的异名端连接，第三交流检测绕组WD3的同名端与偏置耦合电容器6的接地端相连。
本装置投入运行后，由一次电流传感器1和二次电流传感器2将差动电流信号同时送入差动放大器3、带通滤波器4和功率放大器5后，提供二次偏置直流电流I2P流经偏置绕组W2P，自动建立二次偏置直流电流I2P与一次被测直流与交流大电流I1之中的直流电流I1Z的磁势平衡，该磁势平衡的精度要求不高，但能实现90％以上直流电流的磁势全自动跟踪、平衡。由于偏置绕组W2P通过偏置耦合电容器6及标准电阻RS的直接连接，而标准电阻RS的阻值小(RS<0.1欧)，一次直流与交流大电流I1中的交流电流I1G在偏置绕组W2P中的感应电势，直接被偏置耦合电容器6旁路而形成二次偏置交流电流I2W，因而二次偏置交流电流I2W流经偏置绕组W2P，初步实现了被测一次直流与交流大电流I1中的交流电流I1G与二次偏置交流电流I2W之间的磁势平衡。由于偏置绕组实现的直流及交流电流的一二次磁势平衡，实现了90％以上的直流与交流磁势平衡目标，剩下的10％以下的直流电流，通过第一环形检测铁芯C1和第二环形检测铁芯C2、第一调制检测绕组WD1和第二调制检测绕组WD2，在调制振荡器7的交流方波电压激励下，将剩余直流电流的调制信号取出并送入解调器8、直流放大器9，得到二次反馈直流电流I2D并流经反馈绕组W2F，实现剩余直流电流的一二次磁势平衡。同时剩余的10％以下的交流电流，通过第三环形检测铁芯C3、第三交流检测绕组WD3，将剩余交流电流的信号取出并送入交流放大器10、反馈耦合电容器11，得到二次反馈交流电流I2A并流经反馈绕组W2F，实现剩余交流电流的一二次磁势平衡。二次偏置交流电流I2W、二次反馈交流电流I2A通过标准电阻RS叠加，得到本发明的二次交流电流I2G＝I2W+I2A，从而实现二次交流安匝W2I2G(W2＝W2P＝W2F)与一次交流安匝W1I1G的磁势几乎完全平衡W1I1G≈W2I2G。通常W1≤10匝，W2≥3000匝，所以二次小电流I2G＝(W1/W2)·I1G准确地表示被测一次大电流，比例系数W1/W2为一次与二次绕组的匝数比。由于一次与二次交流磁势几乎完全平衡W1I1G≈W2I2G，其磁势绝对误差ΔWI＝W1I1G-W2I2G，其相对误差ε＝ΔWI/W1I1G，当被测一次交流大电流安匝W1I1G为60000安培匝数时，其磁势平衡相对误差即比例误差小于十万分之一。直流大电流计量原理同现有技术“一种直流大电流计量装置”，本发明实现了直流与交流大电流的标准计量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种直流与交流大电流计量装置，其特征在于，包括一种用于直流与交流大电流计量的电流传感头，其为多个检测绕组绕制在铁芯上而成；其中：
所述铁芯包括第一环形检测铁芯(C1)、第二环形检测铁芯(C2)和第三环形检测铁芯(C3)；第一环形检测铁芯(C1)、第二环形检测铁芯(C2)结构形状相同，分别绕有匝数相同的第一调制检测绕组(WD1)和第二调制检测绕组(WD2)；所述第三环形检测铁芯(C3)绕有第三交流检测绕组(WD3)；
所述绕有第三交流检测绕组(WD3)的第三环形检测铁芯(C3)设在第一、第二环形检测铁芯之间，与绕有调制检测绕组的第一、第二环形检测铁芯一道，经拼装并包覆静电屏蔽金属箔后，整体置于磁屏蔽环形空腔中，该空腔外面套装环形铝合金盒或铜盒(B)，盒(B)外绕有反馈绕组(W2F)，反馈绕组(W2F)外面绕有偏置绕组(W2P)；所述第三环形检测铁芯和第一、第二环形检测铁芯(C1、C2)平均直径相同，但铁芯截面积前者是后两者的三分之一；所述第三交流检测绕组(WD3)与第一、第二调制检测绕组(WD1、WD2)的匝数不同，前者是后两者的两倍；
还包括一次和二次电流传感器(1、2)、差动放大器(3)、带通滤波器(4)、功率放大器(5)、偏置耦合电容器(6)、调制振荡器(7)、解调器(8)、直流放大器(9)、交流放大器(10)和反馈耦合电容器(11)；其中：
所述一次电流传感器(1)用于外接被测一次直流与交流大电流的母线的异名端，二次电流传感器(2)安装在功率放大器(5)的输出端上，用于测量二次偏置直流电流；所述一次电流传感器(1)的输出端和二次电流传感器(2)的输出端，同时连接差动放大器(3)的两输入端；所述差动放大器(3)用于检测两个输入信号之差，其输出端连接带通滤波器(4)的输入端，所述带通滤波器用于滤除非二次谐波，其输出端连接功率放大器(5)的输入端；所述功率放大器(5)的输出端同时连接所述电流传感头的偏置绕组异名端和偏置耦合电容器(6)的一端，所述偏置绕组的同名端与电流传感头的反馈绕组(W2F)的同名端相连；所述偏置耦合电容器(6)的另一端与功率放大器的接地端连接；所述偏置绕组(W2P)、偏置耦合电容器(6)、标准电阻(RS)组成一次母线交流电流的二次交流安匝平衡回路；
所述调制振荡器(7)用于产生交流励磁信号，其输出端分别与第一调制检测绕组(WD1)和第二调制检测绕组(WD2)的同名端相连，所述第一、二调制检测绕组(WD1、WD2)的两异名端同时连接解调器(8)的输入端；所述解调器(8)用于解调第一、二调制检测绕组(WD1、WD2)的调制信号，其输出端连接直流放大器(9)的输入端，所述直流放大器(9)的输出端与反馈绕组(W2F)异名端相连；所述反馈绕组(W2F)的同名端与标准电阻(RS)的一端相连，标准电阻(RS)的另一端与调制振荡器和直流放大器的接地端共同接地；
所述第三交流检测绕组(WD3)的异名端连接交流放大器(10)的输入端，交流放大器(10)的输出端经反馈耦合电容器(11)与直流放大器(9)的输出端和反馈绕组(W2F)的异名端连接，第三交流检测绕组(WD3)的同名端与偏置耦合电容器(6)的接地端相连。
2.根据权利要求1所述的计量装置，其特征在于，所述调制振荡器(7)输出信号为方波。
3.根据权利要求1所述的计量装置，其特征在于，所述铁芯和磁屏蔽环形空腔用坡莫合金带卷绕后，经退火处理后制成。
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2017
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