CN109073685A - 用于测量电流的装置 - Google Patents

Abstract

用于测量电流的该装置(2)包括Rogowski型电流传感器(20、21)，每个都能够测量电导体(200、210)中的AC电流，每个传感器包括线圈(201、202、203、204、211、213、214)，线圈串联电连接以形成测量电路并且彼此连接以限定该传感器(20、21)的中心区域(205、215)，以便接收相应的电导体(200、210)。线圈(204)之一对于第一和第二传感器(20、21)是共用的，该公共线圈(204)电连接到第一和第二测量电路。

Description

用于测量电流的装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量流过电导体的电流的装置。

背景技术

被称为Rogowski传感器的感应电流传感器是已知的，其被设置在电导体(比如电缆或电线)周围，待测量的AC电流从电导体流过。这种传感器通常包括螺线管，其围绕电导体定位。流过电导体的电流产生磁场，该磁场又在该绕组的端子上产生与电流强度成比例的电势差。然后根据测量的电势差确定电流的强度值。

EP1596206A1描述了这种电流传感器，被称为Rogowski电流传感器，其中通过在电导体周围组装多个不同的线圈并将它们彼此串联电连接以形成测量电路来获得螺线管。这些线圈例如是彼此相同的预绕线圈，从而可以在标准化部件的基础上优化传感器的工业规模生产。

这种已知传感器的一个缺点是，当测量流过多个电导体的电流时，例如在多相电气系统内，其性能并不完全令人满意。具体而言，需要对每个电导体使用传感器。这些传感器的并置导致相当大的体积，其与要进行测量的电导体的数量成比例，并且在某些应用中是不可接受的，特别是当电导体彼此靠近时。

在以下文献中描述的装置也从DE-19731170-A1、WO-2013/001298-A1和US-2013/0193987-A1中已知，并且表现出类似的缺点。

本发明特别旨在通过提供一种包括用于包括多个电导体的电气系统的Rogowski型电流传感器的电流测量装置来解决这些缺点，可以生产具有简化结构和减小体积的这种装置。

发明内容

为此，本发明涉及一种用于测量电流的装置，包括第一和第二Rogowski型电流传感器，每个都能够测量第一和第二电导体中的AC电流，第一和第二传感器中的每个包括串联电连接的线圈，以分别形成第一和第二测量电路，每个线圈沿纵向轴线延伸，同一个传感器的线圈相互连接，以限定该传感器的中心区域，以便接收相应的电导体，同一传感器的线圈的纵向轴线形成围绕该传感器的该中心区域的闭合多边形轮廓，其中线圈之一对于第一和第二传感器是共用的，该线圈电连接到第一和第二测量电路，该线圈的纵向轴线属于第一和第二多边形轮廓。

根据本发明，因为线圈之一对于第一和第二传感器是共用的，所以测量装置的体积减小，因为相对于已知传感器并排并置的情况，它包括少一个线圈。生产这种测量装置的成本也降低了，因为它需要少一个线圈。最后，发明人已经确定，线圈的这种布置使得可以获得表现出相对于并置的两个不同的已知传感器的使用是类似且足够的可靠性和精度水平的电流的测量。

根据本发明的一些有利但非强制性的方面，这种测量装置可以以任何技术上允许的组合结合以下特征中的一个或多个：

-该装置还包括能够测量第三电导体中的电流的第三Rogowski型电流传感器，该第三传感器包括线圈，线圈串联电连接，以便形成第四测量电路，这些线圈相互连接，以限定第三传感器的中心区域，以便接收第三电导体，这些线圈的相应纵向轴线形成围绕该传感器的中心区域的第三闭合多边形轮廓，线圈之一对于第二和第三传感器是共用的，该线圈电连接到第二和第三测量电路，该线圈的纵向轴线属于第二和第三多边形轮廓。

-传感器的测量电路连接到测量装置的公共电气接地。

-该装置包括保持器，线圈附接到所述保持器并且设置有导电轨道，线圈通过轨道彼此电连接，以形成测量电路。

-多边形轮廓采用四边形形状，例如方形形状。

-每个传感器包括四个线圈，该传感器的每个线圈的纵向轴线形成四边形的一侧。

-多边形轮廓包含在基本垂直于电导体的同一几何平面中。

-每个线圈包括缠绕在沿着线圈的纵向轴线延伸的框架上的绕组，纵向轴线重合的不同传感器的至少两个线圈共用沿该轴线延伸的同一个框架，这些线圈的相应绕组缠绕在该同一个框架上。

-至少一个线圈包括端部区域，其中线圈的电感相对于线圈的其余部分较高。

-每个传感器的线圈布置且连接到彼此，以便呈现互补的缠绕方向，即布置成围绕电导体在同一个方向上转动，相应的传感器围绕电导体放置。

附图说明

根据仅通过示例提供的测量装置的一个实施例的以下描述并参考附图，将更好地理解本发明并且其它优点将变得更加清楚，其中：

-图1是根据现有技术的测量组件的正视图的简化示意图，包括三个Rogowski型电流传感器；

-图2是电路的示意图，示出了图1的组件的电流传感器的连接；

-图3是根据本发明一实施例的电流测量装置的透视示意图；

-图4是图3的装置的正视图的简化示意图；

-图5是电路的示意图，示出了图3和4的装置的电流传感器的连接；

-图6是连接到图1的测量组件的电流传感器的数据处理单元的示意图；

-图7是连接到图2的测量组件的电流传感器的数据处理单元的示意图。

具体实施方式

图1和2示出了用于测量电导体100、110和120中的AC电流的组件1。例如，导体100、110和120是三相电气系统的电缆。期望测量的电流流过导体100、110和120中的每一个。该电流例如是AC电流，其相位相对于彼此偏移120°的角度。

组件1包括三个Rogowski型电流传感器10、11和12。传感器10、11和12在这种情况下是相同的，从而下面仅详细描述传感器10。

传感器10包括线圈101、102、103和104，每个线圈沿直线纵向轴线延伸，分别标记为X101、X102、X103和X104。

以已知的方式，每个线圈101、102、103和104包括优选为刚性的框架，该框架沿着该线圈的纵向轴线X101、X102、X103和X104延伸。每个线圈101、102、103和104还包括在该线圈的端部之间围绕框架的绕组，这里是导电线。线圈101、102、103和104优选地是预绕线圈。

线圈101、102、103和104位于同一个几何平面中，在这种情况下垂直于导体100，并且相对于彼此布置，使得它们各自的纵向轴线X101、X102、X103和X104形成封闭的多边形轮廓C10。这些线圈彼此连接并限定传感器10的中心开口105，当传感器10处于组装配置时，导体100穿过该中心开口105。在这种情况下，轮廓C10是方形的。

线圈101、102、103和104的各个绕组串联电连接，以便在传感器10的端子106之间形成测量电路，如图2所示。

在本说明书中，当说两个线圈彼此电连接时，应该理解的是，它们各自的电绕组彼此电连接。

以已知的方式，当电流沿着导体100流动时，这在该导体100周围产生磁场，并因此在每个线圈101、102、103和104的水平处产生磁通量。作为响应，电势差V1、V2、V3和V4出现在每个线圈101、102、103和104的绕组的端部之间。因为线圈101、102、103和104串联电连接，所以电势差V1、V2、V3和V4在端子106之间相加。接下来根据端子106之间的电势差确定流过导体100的电流的值。例如，使用连接到端子106的数据处理单元确定。传感器11和12的操作类似于传感器10的操作。

然而，当导体100、110和120彼此靠近时，这种组件1确实具有缺点，特别是显著的体积。

为此，图3、4和5示出了根据本发明的测量装置2，分别用于测量导体200、210和220中的AC电流，其克服了上述缺点。

装置2包括Rogowski型电流传感器20、21、22和优选刚性的保持器3，传感器20、21和22附接到该保持器3。每个传感器20、21、22配置成测量流过相应的电导体200、210、220的电流。电导体200、210、220例如与导体100、110和120相同，并且在这种情况下彼此平行延伸。

在这种情况下，传感器20包括四个线圈201、202、203和204。这些线圈中的每一个沿着纵向轴线延伸，分别标记为X201、X202、X203和X204。在这种情况下，这些线圈201、202、203和204在它们的端部彼此连接，以限定传感器20的中心开口205，导体200通过该中心开口205被接收。线圈201、202、203和204的相应纵向轴线X201、X202、X203和X204形成围绕中心开口205的闭合多边形轮廓C20。该轮廓C20在几何平面中延伸，当其通过中心开口205被接收时导体200基本垂直于该几何平面。因此，当传感器20和装置2处于组装配置时，线圈201、202、203和204围绕导体200。

在该示例中，轮廓C20是方形的。在这种情况下，线圈202和204彼此平行地延伸。线圈203和201垂直于线圈202和204彼此平行地延伸。传感器20的每个线圈的纵向轴线X201、X202、X203和X204形成轮廓C20的一侧。

作为变型，其他形状也是可能的，例如四边形或正多面体的形状。然而，四边形将是优选的，因为它提供了装置2更好的紧凑性。如果使用其他形状，则相应地调节传感器20中的线圈的数量。

在该示例中，传感器20的每个线圈的纵向轴线形成轮廓C20的一侧。作为变型，同一个传感器的两个相邻线圈可以彼此对准，并且它们的轴线可以重合，使得轮廓C20的同一侧对应于该传感器20的多个线圈。

每个线圈包括沿该线圈的几何轴线延伸的框架。每个线圈还包括在线圈的端部之间缠绕在该框架上的电导体。线圈成对地并且串联地彼此电连接。例如，线圈201、202、203和204与线圈101、102、103和104相同。

有利地，线圈201、202、203和204可以在端部区域250的水平处包括其电感值的增加。作为非限制性示例，端部区域250中的这种线圈的电感比该端部区域250外部的该线圈的其余部分中的电感高20％或优选地高50％。例如，线圈的端部区域250中的电感值的增加是通过局部地增加围绕框架的导线绕组的匝数密度来实现的，例如通过增加每单位长度的匝数或者通过增加匝层的数量来实现。在EP1596206A1中描述了这种电感增加的示例性实施方式。这允许改善线圈的测量特性，以便补偿传感器20的两个相邻线圈之间的连接处的磁不连续性的影响。如果轮廓C20采用四边形的形状，则这是特别有用的，因为位于相邻线圈(例如线圈201和204)端部的匝不是连续的。

在本示例中，在传感器20内，仅线圈201和203包括这样的端部区域250，其中电感局部地增加，如图3所示。

在该说明性示例中，线圈201、202、203和204在测量端子206之间串联电连接，以形成传感器20的第一测量电路，如图5所示。更具体地，在这种情况下，线圈203和204串联电连接在一个端子206和测量电路的中点之间。该中点连接到公共电气接地23，其作用在下面更详细地描述。类似地，线圈201和202串联连接在另一个端子206和该中点之间。

端子206旨在电连接到数据处理单元4，其配置为基于在这些端子206之间测量的电势差来确定流过导体200的电流的值。

在图4中，箭头W201、W202、W203和W204分别表示线圈201、202、203和204的缠绕方向。在这种情况下，术语“线圈的缠绕方向”或“缠绕方向”是指当制造线圈时形成该线圈的导线缠绕在框架上的方向。具体地，缠绕该导线以形成匝，并且一旦缠绕在框架上，就呈现出圆形螺旋形状的轨迹。

优选地，每个传感器的线圈布置并彼此连接以呈现互补的方向。换句话说，同一传感器20的线圈的缠绕方向布置成围绕电导体200在同一个方向上转动，相应的传感器20围绕电导体200放置。例如，两个相邻线圈的缠绕方向不是头尾相接的。

在该示例中，线圈201从其与线圈204相邻的端部开始并且在其与线圈202相邻的端部的方向上缠绕。线圈202从其与线圈201相邻的端部开始并且在其与线圈203相邻的端部的方向上缠绕，依此类推用于线圈203和204。

在该说明性示例中，电测量电流沿与线圈201、202、203和204的缠绕方向相同的方向在测量端子206之间流动。在图4中，该电流的方向由在测量端子206的水平处绘制的箭头表示。作为变型，测量端子206的极性可以不同，然后测量电流流动的方向反转。

传感器20的操作类似于上述传感器10的操作。更具体地，当电流沿着电导体200流动时，沿着各个线圈201、202、203和204的轴线X201、X202、X203和X204产生磁通量，导致这些线圈中的每一个的导体端部之间出现电位差。V1'、V2'、V3'和V4'分别表示线圈201、202、203和204的绕组端部之间的电势差，如图5所示。优选地，建议将中点连接到公共电气接地23，以便进行差分电测量。

在该示例中，保持器3有利地包括导电轨道31，例如形成在保持器3的表面上。作为非限制性说明性示例，保持器3包括由环氧树脂或塑料材料制成的板30，例如PCB(印刷电路板)类型。轨道31是导电的，例如由金属制成，并且在这种情况下直接形成在板30的表面上。

在这种情况下，线圈201、202、203和204附接到保持器3。它们的端部通过由这些线圈的端部承载的连接垫连接到这些轨道。如上所述，轨道31优选地成形为将传感器的线圈彼此连接。

作为变型，轨道31由导线代替，导线可以保持在保持器3上。

在这种情况下，保持器3设置有用于连接装置2的销32。例如，轨道31的一部分连接到销32，以便将它们连接到端子206。因此，装置2可以通过将销插入相应的连接器而容易地连接到设备项。这对于例如将装置2连接到包括上述数据处理单元4的设备项尤其有用。作为变型，数据处理单元4附接到保持器3。连接器32还可以用于在数据处理单元4附接到保持器3时向数据处理单元4供应电力。可以省略销32。

传感器21和22类似于传感器20操作。

在这种情况下，传感器21包括四个线圈211、213、214和线圈204。线圈211、213和214例如分别与线圈201、203和204相同。线圈211、213、214和204相对于彼此定位，使得它们的纵向轴线(未示出)形成多边形轮廓C21，其类似于轮廓C20，并且与轮廓C20共面。在图4中，为了更大的可见度，线圈211和213示出为与其他线圈分开。然而，实际上，这种间距是不可取的。在装置2中，传感器21的线圈彼此相邻，如图3所示。

线圈211、213、214和204在测量端子216之间串联电连接，以形成用于测量传感器21的电流的电路。这些线圈211、213、214和204限定了传感器21的中心开口215，类似于中心开口205，导体210通过该中心开口被接收。因此，参考传感器20陈述的所有内容都适用于传感器21。

在这种情况下，线圈204对于传感器20和传感器21是共用的。线圈204还电连接到第一和第二测量电路，如图5所示。更具体地，第一和第二测量电路同时连接到公共电气接地23。该公共接地23以与参照第一测量电路描述的方式相同的方式连接到第二测量电路的中点。

传感器21的线圈在第二测量电路中类似地连接到传感器20的线圈。例如，线圈213和204串联连接在端子216之一和第二测量电路的中点之间。线圈211和214串联连接在第二测量电路的另一个端子216和该中点之间。

在这种情况下，W211表示线圈211的缠绕方向，W213表示线圈213的缠绕方向。参照传感器20的线圈的缠绕方向进行的描述同样适用于此。

因为线圈204对于传感器20和21是共用的，所以装置2的体积减小，因为它可以用比已知组件1中少一个线圈来生产。关于图1的组件，省略了其中一个线圈104或112。因此，装置2表现出减小的体积以及较低的生产成本，因为生产它需要少一个线圈。

在第一测量电路的端子206之间测量的电压与在已知传感器10的测量电路的端子106处测量的电压基本相同。这同样适用于在相对于传感器11的传感器21的第二测量电路的端子216处测量的电压。因此，同一个数据处理单元4同样可以与装置2一起使用或者与现有技术中已知的组件1一起使用。以这种方式，装置2可以用于设置有数据处理单元的现有设备，而不需要重新编程该数据处理单元。

在该示例中，装置2还包括用于测量沿导体220流动的电流的传感器22。该传感器22类似于传感器20和21进行操作。因此，参考这些传感器20和21所述的所有内容在此适用于传感器22。

传感器22包括线圈221、223、224，例如与线圈201、203和204相同，并且还包括线圈214，其与传感器21共用。这使得如上所述可以增加紧凑性并减小装置2的体积。这些线圈221、223、224和214定位成使得它们的纵向轴线(未示出)形成多边形轮廓C22，在这种情况下也与轮廓C20和C21共面。优选地，轮廓C20、C21和C22具有相同的尺寸并且彼此相同。传感器22具有由线圈221、223、224和214界定的中心开口225，并且当装置处于组装配置时，导体220通过该中心开口225被接收。

传感器22的线圈221、223、224和214串联电连接，以便在端子226之间形成传感器22的第三测量电路。参考端子206描述的所有内容也适用于端子226。

第三测量电路也以与参照传感器20或21的测量电路描述的方式类似的方式电连接到公共电气接地23，如图5所示。例如，公共接地23以与参照第一测量电路描述的方式相同的方式连接到第三测量电路的中点。然后，传感器22的线圈以与参照传感器21描述的方式类似的方式连接。例如，线圈223和214串联连接在端子226之一和第三测量电路的中点之间。线圈221和224串联连接在另一个端子226和该中点之间。

在这种情况下，W221、W222、W223和W224分别表示线圈221、222、223和224的缠绕方向。参考传感器20的线圈的缠绕方向描述的内容也适用于此。

有利地，当线圈201、211和221彼此对准并且它们各自的纵向轴线重合时，这些线圈201、211和221可以共用同一个共同框架。更具体地，这些线圈201、211和221的各个绕组缠绕在同一个框架上。这允许进一步增加装置2的紧凑性。这同样适用于线圈203、213和223。

作为变型，装置2包括不同数量的传感器。例如，装置2仅包括传感器20和21，从而省略传感器22。例如，当希望仅测量两个电导体中的电流时，这是有用的，例如在这样的电气系统中，其中一个导体是相，而另一个导体是与该相相关的中性线。

根据另一变型，所有线圈彼此相同。

图6示意性地示出了连接到组件1的传感器10、11和12的端子106、116、126的数据处理单元4。更具体地，数据处理单元4包括三个差分测量电路，标记为41、42和43。电路41、42和43分别连接到端子106、116和126，并连接到公共电气接地。

图7示出了相同的数据处理单元4，这次连接到测量组件2的传感器20、21和22的测量端子206、216和226。更具体地，电路41、42和43分别连接到端子206、216和226并且连接到公共电气接地。因此，为了与测量组件2一起使用，可以重复使用相同的数据处理单元4，而不需要变换电路41、42和43。

上面考虑的实施例和变型可以彼此组合以便创建新的实施例。

Claims (10)

1.一种用于测量电流的装置(2)，包括第一和第二Rogowski型电流传感器(20、21)，每个Rogowski型电流传感器能够测量第一和第二电导体(200、210)中的AC电流，第一和第二传感器中的每个包括串联电连接的线圈(201、202、203、204、211、213、214)，以分别形成第一和第二测量电路，每个线圈沿纵向轴线(X201、X202、X203、X204、X211、X213、X214)延伸，同一个传感器的线圈相互连接，以限定该传感器(20、21)的中心区域(205、215)，以便接收相应的电导体(200、210)，同一传感器的线圈的纵向轴线形成围绕该传感器的中心区域的闭合多边形轮廓(C20、C21)，测量装置(2)的特征在于，线圈(204)之一对于第一和第二传感器(20、21)是共用的，该线圈(204)电连接到第一和第二测量电路，该线圈的纵向轴线(X204)属于第一和第二多边形轮廓(C20、C21)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，它还包括能够测量第三电导体(220)中的电流的第三Rogowski型电流传感器，该第三传感器包括串联电连接的线圈(214、221、223、224)，以形成第四测量电路，这些线圈相互连接，以限定第三传感器的中心区域(225)，以便接收第三电导体(220)，这些线圈的相应纵向轴线(X214、X221、X223、X224)形成围绕该传感器的中心区域的第三闭合多边形轮廓(C22)，线圈(214)之一对于第二和第三传感器(22)是共用的，该线圈(214)电连接到第二和第三测量电路，该线圈的纵向轴线(X214)属于第二和第三多边形轮廓(C22)。

3.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述传感器(20、21、22)的测量电路连接到测量装置(2)的公共电气接地(23)。

4.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，它包括保持器(3)，线圈(201、202、203、204、211、213、214、221、223、224)附接到所述保持器(3)并且该保持器设置有导电轨道(31)，线圈通过轨道(31)彼此电连接，以形成测量电路。

5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述多边形轮廓(C20、C21、C22)采用四边形形状，例如方形形状。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，每个传感器(20、21、22)包括四个线圈，该传感器的每个线圈的纵向轴线(X201、X202、X203、X204)形成四边形的一侧。

7.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述多边形轮廓(C20、C21、C22)包含在基本垂直于电导体(200、210、220)的同一几何平面中。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，每个线圈(201、202、203、204、211、213、214、221、223、224)包括缠绕在沿着线圈的纵向轴线延伸的框架上的绕组，纵向轴线重合的不同传感器的至少两个线圈(201、211、221；203；213；223)共用沿该轴线延伸的同一个框架，这些线圈的相应绕组缠绕在该同一个框架上。

9.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个线圈(201、203、211、213、221、213)包括端部区域(250)，其中线圈的电感相对于线圈的其余部分较高。

10.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，每个传感器(20、21、22)的线圈(201、202、203、204、211、213、214、221、223、224)布置成连接到彼此，以便呈现互补的缠绕方向，即布置成围绕电导体(200、210、220)在同一个方向上转动，相应的传感器围绕电导体放置。