CN108375690A - 一种用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器，包括交流激励源，激励变压器，换向电路，第一和第二励磁绕组，调制铁芯，磁屏蔽，二次绕组，第一和第二二极管，第一和第二输出电阻。第一励磁绕组和第二励磁绕组对称地绕制在调制铁芯上；交流激励源经激励变压器通过换向电路分别与第一励磁绕组的两端和第二励磁绕组的两端相连接，用于对调制铁芯进行励磁；换向电路用于根据激励电压的极性控制第一和第二励磁绕组分别对调制铁芯励磁；第一和第二二极管用于防止电流反向，第一和第二输出电阻用于将电流转化为输出电压。本发明采用单铁芯实现了磁放大式零磁通传感器的功能。

Description

一种用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器

技术领域

本发明涉及直流大电流测量领域，更具体地，涉及一种用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器。

背景技术

电流是电磁科学的基本特征量之一，直流大电流的测量涉及到科学、工控、电力等诸多领域。直流电流检测技术主要包括：分流技术、霍尔效应、光纤技术、零磁通技术。零磁通技术具有电气隔离、低温漂、高精度等优点，一般情况下其温漂小于50ppm/K，精度高于0.1％，在科学研究场合精心设计的零磁通电流传感器其精度可以达到10^-7。零磁通直流大电流互感器和直流大电流比较仪作为主要的高精度直流大电流测量设备，在许多领域，如跨区域高压直流输电、有色金属冶炼、电化学、粒子加速器，工业控制等中有广泛的应用。

零磁通直流大电流互感器和直流大电流比较仪采用的零磁通传感器有磁调制器和磁放大器两种。磁调制器灵敏度较高，但是其输出有效信号很微弱，一般需要两个铁芯进行差分输出，以抵消背景信号干扰，而且需要经过放大器、锁相等复杂电路对输出信号进行处理，才能用于反馈控制。中国专利CN1580788A“直流电流传感器”，公开了一种零磁通直流电流传感器，其采用单铁芯形式，属于单铁芯磁调制器，不仅需要两个励磁绕组而且需要单独的检测绕组，还要经过复杂的信号调理电路才能实现其功能。中国专利CN102496446A公开了一种“零磁通直流电流互感器”，其工作在磁调制器模式，磁头包含3个磁芯，磁头安装空间较大，且处理电路复杂。

磁放大器为功率输出，可输出较强的信号，因此只需对输出信号进行简单滤波，提取直流分量即可进行反馈控制。20世纪30年代，德国的W.Kraemer设计出用于测量直流大电流的磁放大器。最初的磁放大器为四铁芯结构，经过众多科研人员研究，将四铁芯结构简化为双铁芯无直流磁化双向磁放大器，见中国专利CN102879624A“用于直流大电流检测的无直流磁化双向磁放大器”。目前为止，磁放大器式零磁通传感器的实现至少采用两个铁芯。在几十kA至几百kA的直流大电流测量中，铁芯的直径大于1m，加工难度大、成本高。而且研究表明，两个调制铁芯磁特性和加工参数的不一致是其主要的误差源之一。

综上所述，在直流大电流测量领域零磁通直流大电流互感器和直流大电流比较仪性能优越，具有十分广泛的应用价值。目前磁放大器式零磁通传感器至少需要两个调制铁芯才能实现，加工难度大、成本高，调制铁芯磁特性和加工参数的不一致是其主要的误差源之一。因此，对其进行性能的提升，结构改进以简化体积、节省成本具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明旨在简化磁放大器式零磁通传感器结构，降低成本和安装空间要求，以及解决现有磁放大器式零磁通传感器双铁芯结构由于铁芯磁特性和加工参数的不一致引起的误差的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器，其特征在于，包括：调制铁芯、第一励磁绕组、第二励磁绕组、激励变压器以及换向电路；

所述第一励磁绕组和第二励磁绕组对称地绕制在所述调制铁芯上，用于对所述调制铁芯进行周期性励磁；激励变压器的副边通过换向电路分别与第一励磁绕组的两端和第二励磁绕组的两端相连接，用于对所述调制铁芯进行励磁，通过调制铁芯的周期性饱和变化，检测待测直流电流，所述待测直流电流导线穿过所述调制铁芯；所述换向电路用于当激励变压器的副边电压为正时，使得所述激励变压器的副边与所述第二励磁绕组两端导通，所述激励变压器的副边与所述第一励磁绕组两端不导通，所述调制铁芯受正半周期激励，调制铁芯的磁势为顺时针方向；当激励变压器的副边电压为负时，使得所述激励变压器的副边与所述第一励磁绕组两端导通，所述励磁变压器的副边与所述第二励磁绕组不导通，所述调制铁芯受负半周期激励，调制铁芯的磁势为逆时针方向。

可以理解的是，通过正弦激励对调制铁芯进行励磁，使得调制铁芯周期性饱和变化，当待检测直流电流为零时，调制铁芯中无直流偏磁，调制铁芯正半周期和负半周期的磁通变化相同，反映在电路上即是电感变化相同，由于激励电压为正负半周对称的正弦电压，所以当电感变化相同时，电路中电流也正负半周对称，即电流周期平均值为零。这里的电感指的是励磁绕组和调制铁芯组合后的等效电感，正半周期激励时为第二励磁绕组和调制铁芯组合后的等效电感，负半周期激励时为第一励磁绕组和调制铁芯组合后的等效电感。

当待检测直流电流不为零时，调制铁芯中存在直流偏磁，调制铁芯正半周期和负半周期的磁通变化不相同，反映在电路上即是电感变化不相同，根据上述分析可知，此时电路中电流周期平均值不为零，在测量范围内，电流周期平均值的大小与被测电流值呈正比。更近一步地，待检测直流电流的方向，即直流偏磁的正负和电路中电流平均值的正负有关，即本发明提供的单铁芯双向磁放大器的输出极性可以反映待检测直流电流的方向，具体功能见下文分析。

可选地，所述换向电路包括多个开关管和多个触发器，所述换向电路共有8个端口；所述激励变压器的副边包括3个端口，所述激励变压器的副边端1分别与所述换向电路的第1端和第2端相连接，所述激励变压器的副边端2与所述换向电路的第3端相连接，所述激励变压器的副边端3分别与所述换向电路的第4端和第5端相连接；所述激励变压器的副边端1和副边端3之间的电压为激励电压，所述激励电压用于为所述第一励磁绕组和第二励磁绕组供电，所述激励变压器的副边端2和副边端3之间的电压作为换向电路的控制电压，所述激励变压器的副边端2为抽头端；所述换向电路的第6端与所述第二励磁绕组的一端相连接，所述换向电路的第7端与所述第二励磁绕组的另一端相连接；所述换向电路的第7端与所述第一励磁绕组的一端相连接，所述换向电路的第8端与所述第一励磁绕组的另一端相连接；当所述控制电压为正时，所述换向电路的第1端与第6端之间接通，第4端与第7端之间接通，第5端与第8端之间断开，第2端与第7端之间断开；当所述控制电压为负时，所述换向电路的第5端与第8端之间接通，第2端与第7端之间接通，第1端与第6端之间断开，第4端与第7端之间断开。

可选地，所述换向电路包括触发器1、触发器2、触发器3、触发器4、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3以及开关管Q4；所述换向电路的第4端和第7端之间通过触发器4和开关管Q4控制，所述换向电路的第2端与第7端之间通过触发器2和开关管Q2控制，所述换向电路的第1端与第6端之间通过触发器1和开关管Q1控制，所述换向电路的第5端与第8端之间通过触发器3和开关管Q3控制，所述触发器1、触发器2、触发器3以及触发器4分别控制开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3以及开关管Q4的导通或者截止，当开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3或开关管Q4导通时，其对应的换向电路的两端之间接通；触发器1、触发器2、触发器3、触发器4的同步信号输入端接至换向电路第3端和第4端，所述换向电路第3端和第4端之间的电压即为激励变压器的副边端2和副边端3之间的电压；当所述控制电压为正时，开关管Q1导通和开关管Q4导通，开关管Q2导通和开关管Q3截止；当所述控制电压为负时，开关管Q2导通和开关管Q3导通，开关管Q1导通和开关管Q4截止。

可选地，触发器1和触发器4同步输出，触发器2和触发器3同步输出，且触发器1、触发器4和触发器2、触发器3互锁。

可选地，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3以及开关管Q4为全控型器件，开关管Q1的D极和S极分别接换向电路的第1端和第6端，开关管Q2的D极和S极分别接换向电路的第7端和第2端，开关管Q3的D极和S极分别接换向电路的第5端和第8端，开关管Q4的D极和S极分别接换向电路的第7端和第4端。

可选地，该单铁芯双向磁放大器还包括：第一二极管、第二二极管、第一输出电阻以及第二输出电阻；第一和第二二极管用于防止电流反向，第一和第二输出电阻将电流转化为电压作为双向磁放大器的输出。

所述第一二极管的阳极与所述第二励磁绕组的另一端相连接，所述第一二极管的阴极与所述第一输出电阻的一端相连接，所述第一输出电阻的另一端与所述换向电路的第7端相连接；所述第一输出电阻的另一端还与所述第二输出电阻的一端相连接；所述第二二极管的阳极与所述第一励磁绕组的一端相连接，所述第二二极管的阴极与所述第二输出电阻的另一端相连接，所述第二输出电阻的一端还与所述换向电路的第7端相连接。

可选地，所述调制铁芯的细长比大于50。

可选地，沿调制铁芯圆周方向第一励磁绕组和第二励磁绕组的同名端同向串联绕制，第一励磁绕组和第二励磁绕组结构参数保持一致。

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，具有以下有益效果：

本发明提供的用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器，其仅用单个磁调制铁芯实现了磁放大式零磁通传感器，结合本发明提出的换向电路和控制方式，实现了双向直流电流的测量。本发明提供的用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器大大简化了零磁通磁放大器的体积，以节省升成本，降低安装空间要求，彻底消除了现有零磁通磁放大器由于两个铁芯磁特性和加工参数的不一致引起的误差。

附图说明

图1为本发明实施例提供的单铁芯双向磁放大器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的换向电路示意图；

在所附图中，①为调制铁芯，②为第一励磁绕组，③为第二励磁绕组，④为铁芯屏蔽层，⑤为反馈绕组(二次绕组)，⑥为第一二极管，⑦为第二二极管，⑧为交流激励电源，⑨为激励变压器，⑩为换向电路，为第一输出电阻，为第二输出电阻。

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。

本发明的目的在于提供一种用于直流大电流检测的单铁芯双向磁放大器，旨在彻底解决零磁通磁放大器两个铁芯磁特性和加工参数的不一致引起的误差，提高零磁通磁放大器的性能；并大大缩减零磁通磁放大器的体积，以节省升成本，降低安装空间要求。

在与现有技术相比，本发明所提供的用于直流电流单铁芯双向磁放大器，其仅用单个磁调制铁芯，彻底消除了零磁通磁放大器，由于两个铁芯磁特性和加工参数的不一致引起的误差，并大大简化了零磁通磁放大器的体积，以节省升成本，降低安装空间要求。

具体地，图1为本发明实施例提供的单铁芯双向磁放大器的结构示意图，如图1所示，本发明提供的一种用于直流大电流检测的单铁芯双向磁放大器，包括：①调制铁芯，②第一励磁绕组W11，③第二励磁绕组W12，④铁芯屏蔽层，⑤反馈绕组(二次绕组)W2，⑥第一二极管D1，⑦第二二极管D2，⑧交流激励电源，⑨激励变压器T1，⑩换向电路，第一输出电阻R1，第二输出电阻R2。

更进一步地，本发明各部件电气连接关系为：第二励磁绕组的同名端1连接至换向电路的第6端，第二励磁绕组的同名端2连接至第一二极管D1的阳极A。第一二极管D1的阴极K和第一输出电阻R1的一端连接至a点，第一输出电阻R1的另一端经b点连接至换向电路的第7端；第一励磁绕组的同名端2连接至换向电路的第8端，第一励磁绕组的同名端1连接至第二二极管D2的阳极A。第二二极管D2的阴极K和第二输出电阻R2的一端连接至c点，第二输出电阻R2的另一端经b点连接至换向电路的第7端；交流激励电源和激励变压器T1的原边相连接；换向电路的第1端和第2端分别和激励变压器T1副边的端1连接，换向电路的第3端和激励变压器T1副边的端2连接，换向电路的第4端和第5端分别和激励变压器T1副边的端3连接。

本发明采用单个铁芯，即调制铁芯，作为聚磁回路。调制铁芯材料通常为矩形系数较高、矫顽力较小的铁磁材料，如晶粒取向的冷轧硅钢片、坡莫合金、非晶等。调制铁芯形状通常为圆环形，其直径由被测母线、二次侧绕组匝数等因素综合决定，需保证直流大电流测量时母线可以从调制铁芯圆环内部穿过。调制铁芯截面积的选择应保证铁芯的细长比，例如，选择圆环平均周长和截面积之比大于50，最优效果根据实验确定。本实施例中，调制铁芯采用硅钢带材绕制，平均直径取400mm，截面积取90mm²。

第一励磁绕组W11和第二励磁绕组W12对称地绕制在调制铁芯上，用于对调制铁芯进行周期性励磁；激励变压器T1的副边通过换向电路分别与第一励磁绕组W11的两端和第二励磁绕组W12的两端相连接，用于对调制铁芯进行励磁，通过调制铁芯的周期性饱和变化，检测待测直流电流，待测直流电流导线穿过调制铁芯。

更进一步地，第一励磁绕组W11和第二励磁绕组W12结构参数保持一致，且沿圆周方向第一励磁绕组W11和第二励磁绕组W12的同名端1同向串联。第一励磁绕组W11作为正半周期通路，第二励磁绕组W12作为负半周期通路。第一励磁绕组W11和第二励磁绕组W12的匝数和线径的选取与调制铁芯磁特性的及激励电流大小相关，激励电流大小受激励变压器输出电压和输出电阻取值的制约。

调制铁芯磁特性由材料决定，一般取第一励磁绕组W11和第二励磁绕组W12的匝数为1000匝，根据励磁电流大小确定线径，根据国家标准密绕线圈电流密度不大于2.5A/mm²，再根据输出信号大小确定输出电阻阻值和激励电压值。本实施例中取线规为0.8mm。

铁芯屏蔽层厚度通常为5mm，采用高导磁材料带材绕制，如晶粒取向的冷轧硅钢片、坡莫合金、非晶等。铁芯屏蔽层与调制铁芯之间的空隙用电气灌封胶或其他绝缘填充物填充。

二次绕组(反馈绕组)W2采用漆包线均匀地绕制在屏蔽层外。其作用为通过流过二次电流I₂产生直流磁势与被测电流I₁磁势平衡，通过二次电流的大小计算出被测电流值。二次绕组匝数取决于被测电流大小和二次电流额定值。

更进一步地，根据零磁通原理，当磁势平衡是有N₁I₁＝N₂I₂，进行电流测量时母线穿过铁芯，故N₁为1，即：线径的选取，根据国家标准密绕线圈电流密度不大于2.5A/mm²和I₂确定。本实施例中，测量最大电流5000A，二次电流最大值取2A，故二次绕线规取1mm，匝数取2500匝。

第一二极管D1和第二二极管D1为具有快速通断能力的肖特基二极管。电阻R1、R2流过激励电流产生压降，其压降代数和，即a、c两点之间的电位差U0即为本发明单铁芯双向磁放大器式零磁通传感器的输出电压。二极管D1、D2耐受反向电压大小根据实验确定、正向电流大小根据激励回路电流确定。电阻R1、R2采用低温漂、高精度电阻，其阻值与调制铁芯的材料和尺寸，激励绕组的匝数，激励电压的大小和频率以及一次电流I₁、二次电流I₂、磁放大器输出电压的大小都有关系，须通过实验来确定，一般为数欧姆至数十欧姆。

本发明单铁芯双向磁放大器的激磁电路由交流激励电源、激励变压器T1和换向电路组成。激励变压器T1有原副边两个绕组，原边绕组和交流激励电源连接，交流激励源的电压大小和频率由实际供电情况确定，通常为市电；激励变压器T1的副边绕组有一个抽头即端2，副边绕组端1和端3电压U₁₃作为激励电压，用于为第一励磁绕组或第二励磁绕组供电，副边绕组端2和端3电压U₂₃作为换向电路控制信号；换向电路的第1端和第2端分别和激励变压器副边端1连接，换向电路的第3端和激励变压器副边端2连接，换向电路的第4端和第5端分别和激励变压器副边端3连接，换向电路的第6端和第二激励绕组的同名端1连接，换向电路的第8端和第一激励绕组的同名端2连接，换向电路的第7端连接至R1和R2公共连接点b。

结合图2说明换向电路的功能，当激励变压器T1副边绕组端2和端3电压U₂₃为正时：开关管Q1导通和开关管Q4导通，开关管Q2导通和开关管Q3截止。换向电路的第1端和第6端之间接通，第4端和第7端之间接通，且第5端和第8端之间断开，第2端和第7端之间断开，激励电流由激励变压器T1副边绕组端1流入至换向电路的第1端，经换向电路的第6端输出至第二激励绕组W12端1，然后分别经过第二激励绕组W12、第一二极管D1、第一输出电阻R1经连接点b至换向电路的第7端，再经换向电路的第4端返回至激励变压器T1副边绕组端3，构成正半周期励磁回路。

当激励变压器T1副边绕组端2和端3电压U₂₃为负时：开关管Q2导通和开关管Q3导通，开关管Q1导通和开关管Q4截止，换向电路的第5端和第8端之间接通，及第2端和第7端之间接通，且第1端和第6端之间断开，及第4端和第7端之间断开，激励电流由激励变压器T1副边绕组端3流入至换向电路的第5端，经换向电路的第8端输出至第一激励绕组W11端2，然后分别经过第一激励绕组W11、第二二极管D2、第二输出电阻R2经连接点b至换向电路的第7端，再经换向电路的第2端返回至激励变压器T1副边绕组端1，构成负半周期励磁回路。

更近一步地，换向电路可以是具有上述功能的任意电路。

更进一步地，换向电路实现方式之一如图2所示。图2所示的换向电路的实现方式具体叙述如下，该换向电路包括触发器1、触发器2、触发器3、触发器4、电源1、电源2、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4。四个开关管为全控型器件，每个开关管由一个触发器单独控制，触发器同步信号输入端接至控制电路的第3端和第4端，开关管Q1的D极和S极分别接控制电路的第1端和第6端，开关管Q2的D极和S极分别接控制电路的第7端和第2端，开关管Q3的D极和S极分别接控制电路的第5端和第8端，开关管Q4的D极和S极分别接控制电路的第7端和第4端。触发器1、触发器2、触发器3、触发器4分别控制开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4。

更进一步地，电源1与电源2相互隔离，电源1为触发器1和触发器3供电，电源2为触发器2和触发器4供电。触发器1输入端(input)接收来自引脚3和引脚4的同步信号，当同步信号U₃₄为正时触发器1输出端(Output)输出脉冲信号使开关管Q1导通。触发器2输入端(input)接收来自引脚3和引脚4的同步信号，当同步信号U₃₄为负时触发器2输出端(Output)输出脉冲信号使开关管Q2导通。触发器3输入端(input)接收来自引脚3和引脚4的同步信号，当同步信号U₃₄为负时触发器1输出端(Output)输出脉冲信号使开关管Q3导通。触发器4输入端(input)接收来自引脚3和引脚4的同步信号，当同步信号U₃₄为正时触发器4输出端(Output)输出脉冲信号使开关管Q4导通。

更近一步地，触发器1和触发器4同步输出，触发器2和触发器3同步输出，且触发器1、触发器4和触发器2、触发器3互锁。

本发明提供的单铁芯双向磁放大器的工作过程如下：

为了叙述方便，假设不平衡电流，即一次侧被测电流与一次侧绕组匝数之积和二次侧反馈电流与二次侧绕组匝数之积的差，为I₀＝N₁I₁-N₂I₂；且假设垂直纸面向里为一次侧电流正方向。这时磁放大器的输出电压U0直流分量的大小及极性仅与不平衡电流I₀的大小及方向有关。

当激励电压处于正半周期时，激励变压器T1副边绕组端2和端3电压U₂₃为正，即换向电路控制信号，即同步信号U₃₄为正。此时：换向电路的第1端和第6端之间接通，第4端和第7端之间接通，且第5端和第8端之间断开，第2端和第7端之间断开，激励电流由激励变压器T1副边绕组端1流入至换向电路的第1端，经换向电路的第6端输出至第二激励绕组W12的同名端1，然后分别经过第二激励绕组W12、第一二极管D1、第一输出电阻R1经连接点b至换向电路的第7端，再经换向电路的第4端返回至激励变压器T1副边绕组端3，正半周期励磁回路导通，负半周期励磁回路关闭。此时调制铁芯受正半周期激励，调制铁芯磁势为顺时针方向，该磁势大于饱和磁势时，调制铁芯处于正向饱和状态。

当激励电压处于负半周期时，激励变压器T1副边绕组端2和端3电压U₂₃为负，即换向电路控制信号，即同步信号U₃₄为负。此时：换向电路的第5端和第8端之间接通，及第2端和第7端之间接通，且第1端和第6端之间断开，及第4端和第7端之间断开，激励电流由激励变压器T1副边绕组端3流入至换向电路的第5端，经换向电路的第8端输出至第一激励绕组W11的同名端2，然后分别经过第一激励绕组W11、第二二极管D2、第二输出电阻R2经连接点b至换向电路的第7端，再经换向电路的第2端返回至激励变压器T1副边绕组端1，负半周期励磁回路导通，正半周期励磁回路关闭。此时调制铁芯受负半周期激励，调制铁芯磁势为逆时针方向，该磁势大于饱和磁势时，调制铁芯处于反向饱和状态。

当磁放大器处于平衡状态，即不平衡电流I₀＝0时，调制铁芯中不存在直流偏磁，故激励电压的正半周期和负半周期调制铁芯饱和时间相同，所以一个激励电压周期内输出电压U0正负半周对称，即电压直流分量为零。

当磁放大器处于不平衡平衡状态，且不平衡电流I₀>0时，调制铁芯中存在顺时针直流偏磁，故激励电压的正半周期调制铁芯饱和时间大于负半周期调制铁芯饱和时间，所以一个激励电压周期内输出电压U0正半周积分值大于负半周期积分值，即电压直流分量为正。且在一定范围内I₀越大，激励电压的正半周期调制铁芯饱和时间越长，负半周期调制铁芯饱和时间越短，即电压直流分量越大，且极性为正。

当磁放大器处于不平衡平衡状态，且不平衡电流I₀<0时，调制铁芯中存在逆时针直流偏磁，故激励电压的负半周期调制铁芯饱和时间大于正半周期调制铁芯饱和时间，所以一个激励电压周期内输出电压U0负半周积分值大于正半周期积分值，即电压直流分量为负，且在一定范围内I₀绝对值越大，激励电压的负半周期调制铁芯饱和时间越长，正半周期调制铁芯饱和时间越短，即电压直流分量绝对值越大，且极性为负。

综上所述，本发明提供的单铁芯双向磁放大器，其输出电压直流分量大小及极性与不平衡电流的大小及方向有关，具体为：当不平衡电流为零时，输出电压直流分量也为零；当不平衡电流绝对值上升或下降时，输出电压的直流分量绝对值也相应上升或下降；当输入不平衡电流反向时，输出电压直流分量的极性也变反。因此本发明提供的单铁芯双向磁放大器式零磁通传感器可用于零磁通直流大电流互感器或直流大电流比较仪，作为其直流大电流传感器，使其输出电压直流分量作为反馈控制物理量，实现调制铁芯零磁通，达到被测电流与反馈电流变换的目的，即N₁I₁＝N₂I₂，通过检测小的反馈电流I₂实现对大电流的测量。

综上容易理解，由于本发明采用单铁芯实现，所以不存在多铁芯具有的由于各铁芯磁特性不一致以及形状尺寸不一致所带来的误差；且简化了传感器，使加工制作更为容易，节省成本；且激磁变压器不需要经过特殊处理，使用普通变压器即可实现。

本实施例中，调制铁芯采用硅钢带材绕制，平均直径为400mm，其截面积为90mm²；第一励磁绕组W11和第二励磁绕组W12采用漆包线对称地绕在调制铁芯上，其匝数均为1000匝，线规均为0.8mm。铁芯屏蔽层厚为5mm，采用硅钢带材绕制。铁芯屏蔽层与调制铁芯之间用电气灌封胶填充固定。二次绕组(反馈绕组)W2采用漆包线均匀地绕制在屏蔽层外，根据测量最大电流5000A和二次电流最大值取2A，故二次绕线规取1mm，匝数取2500匝。交流激励电源为220V，50Hz市电，激励变压器输出激励电压为30V，根据实验情况，输出电阻R1和R2取值为15Ω，二极管D1和D2选用肖特基SR5200，其最大反向工作电压200V，额定电流5A。换向电路为采用开关管IRF730A自制的能实现上述功能的电路，其最大反向工作电压400V，额定电流5.5A。实测表明，本实例中无直流磁化双向磁放大器的最大灵敏度为130mV/A。以本实例中磁放大器为传感器组成一次电流额定值5000A、二次电流额定值2A的零磁通直流大电流互感器，当一次电流变化范围为(120％～1％)×5000A时，其直流电流测量误差不超过0.1％。

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 (8)

1.一种用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器，其特征在于，包括：调制铁芯、第一励磁绕组、第二励磁绕组、激励变压器以及换向电路；

所述第一励磁绕组和第二励磁绕组对称地绕制在所述调制铁芯上，用于对所述调制铁芯进行周期性励磁；

激励变压器的副边通过换向电路分别与第一励磁绕组的两端和第二励磁绕组的两端相连接，用于对所述调制铁芯进行励磁，通过调制铁芯的周期性饱和变化，检测待测直流电流，所述待测直流电流导线穿过所述调制铁芯；

所述换向电路用于当激励变压器的副边电压为正时，使得所述激励变压器的副边与所述第二励磁绕组两端导通，所述激励变压器的副边与所述第一励磁绕组两端不导通，所述调制铁芯受正半周期激励，调制铁芯的磁势为顺时针方向；当激励变压器的副边电压为负时，使得所述激励变压器的副边与所述第一励磁绕组两端导通，所述励磁变压器的副边与所述第二励磁绕组不导通，所述调制铁芯受负半周期激励，调制铁芯的磁势为逆时针方向。

2.根据权利要求1所述的用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器，其特征在于，所述换向电路包括多个开关管和多个触发器，所述换向电路共有8个端口；

所述激励变压器的副边包括3个端口，所述激励变压器的副边端1分别与所述换向电路的第1端和第2端相连接，所述激励变压器的副边端2与所述换向电路的第3端相连接，所述激励变压器的副边端3分别与所述换向电路的第4端和第5端相连接；所述激励变压器的副边端1和副边端3之间的电压为激励电压，所述激励电压用于为所述第一励磁绕组和第二励磁绕组供电，所述激励变压器的副边端2和副边端3之间的电压作为换向电路的控制电压，所述激励变压器的副边端2为抽头端；

所述换向电路的第6端与所述第二励磁绕组的一端相连接，所述换向电路的第7端与所述第二励磁绕组的另一端相连接；

所述换向电路的第7端与所述第一励磁绕组的一端相连接，所述换向电路的第8端与所述第一励磁绕组的另一端相连接；

当所述控制电压为正时，所述换向电路的第1端与第6端之间接通，第4端与第7端之间接通，第5端与第8端之间断开，第2端与第7端之间断开；

当所述控制电压为负时，所述换向电路的第5端与第8端之间接通，第2端与第7端之间接通，第1端与第6端之间断开，第4端与第7端之间断开。

3.根据权利要求2所述的用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器，其特征在于，所述换向电路包括触发器1、触发器2、触发器3、触发器4、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3以及开关管Q4；

所述换向电路的第4端和第7端之间通过触发器4和开关管Q4控制，所述换向电路的第2端与第7端之间通过触发器2和开关管Q2控制，所述换向电路的第1端与第6端之间通过触发器1和开关管Q1控制，所述换向电路的第5端与第8端之间通过触发器3和开关管Q3控制，所述触发器1、触发器2、触发器3以及触发器4分别控制开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3以及开关管Q4的导通或者截止，当开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3或开关管Q4导通时，其对应的换向电路的两端之间接通；

触发器1、触发器2、触发器3、触发器4的同步信号输入端接至换向电路第3端和第4端，所述换向电路第3端和第4端之间的电压即为激励变压器的副边端2和副边端3之间的电压；

当所述控制电压为正时，开关管Q1导通和开关管Q4导通，开关管Q2导通和开关管Q3截止；

当所述控制电压为负时，开关管Q2导通和开关管Q3导通，开关管Q1导通和开关管Q4截止。

4.根据权利要求3所述的用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器，其特征在于，触发器1和触发器4同步输出，触发器2和触发器3同步输出，且触发器1、触发器4和触发器2、触发器3互锁。

5.根据权利要求3所述的用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器，其特征在于，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3以及开关管Q4为全控型器件，开关管Q1的D极和S极分别接换向电路的第1端和第6端，开关管Q2的D极和S极分别接换向电路的第7端和第2端，开关管Q3的D极和S极分别接换向电路的第5端和第8端，开关管Q4的D极和S极分别接换向电路的第7端和第4端。

6.根据权利要求1所述的用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器，其特征在于，还包括：第一二极管、第二二极管、第一输出电阻以及第二输出电阻；

所述第一二极管的阳极与所述第二励磁绕组的另一端相连接，所述第一二极管的阴极与所述第一输出电阻的一端相连接，所述第一输出电阻的另一端与所述换向电路的第7端相连接；

所述第一输出电阻的另一端还与所述第二输出电阻的一端相连接；

所述第二二极管的阳极与所述第一励磁绕组的一端相连接，所述第二二极管的阴极与所述第二输出电阻的另一端相连接，所述第二输出电阻的一端还与所述换向电路的第7端相连接。

7.根据权利要求1所述的用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器，其特征在于，所述调制铁芯的细长比大于50。

8.根据权利要求1所述的用于直流电流检测的单铁芯双向磁放大器，其特征在于，沿调制铁芯圆周方向第一励磁绕组和第二励磁绕组的同名端同向串联绕制，第一励磁绕组和第二励磁绕组结构参数保持一致。