CN1095162A

CN1095162A - 差分电流传感方法和设备

Info

Publication number: CN1095162A
Application number: CN 94104492
Authority: CN
Inventors: D·C·科本恩
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1993-04-07
Filing date: 1994-04-07
Publication date: 1994-11-16
Also published as: JPH0792197A; EP0627630A3; CA2120451A1; TW230238B; FI941579A0; FI941579A; EP0627630A2; BR9401248A

Abstract

电流传感器包括第一和第二导体以及磁耦合到第一和第二导体的环状电流比较器，用以产生在幅度和相位上与输入电流有关的输出信号。第一和第二导体分别有第一和第二预定电阻值，以便分别沿第一和第二方向传导输入电流的第一和第二部分。在环状电流比较器的通孔内，第一方向基本上与第二方向相反。在环状电流比较器中，优选地在环状绕组中，感应出一个与输入电流的第一和第二部分之间的电流差值有关的电流。

Description

本发明涉及用于检测电流的电流传感器，更具体地，涉及产生与所检测的输入电流有关的输出信号的电流传感器。

许多电器，诸如用于测量电功率和电能消耗的感应式或电子型电度表，需要用来传感线电流和产生与线电流有关的输出信号的电流传感器。这些电器要求传感器在线电流的很大范围内都是精确的。

多年来，感应式电度表一直被用来测量单个电能用户的能耗，以千瓦小时计量。感应式电度表典型地有分离的电压线线圈和电流线圈以及由两线圈中磁通量的结合所驱动的转盘。常规的感应式电度表包括电流传感电路，其中承载线电流的导体绕在铁芯上以形成电流线圈。由于电流流过导体，在铁芯中产生磁通。铁芯中的磁通与从类似的电压线圈产生的磁通相结合，使转盘以与用户电能消耗量有关的速率旋转。

电流变换器连同上述的电流传感电路被使用，以便按比例缩减相当大的线电流，也就是大于约320安培的电流，这是由于为适当地按比例缩减这样大的线电流而需要绕在铁芯上的圈数会变得大到难以做到。电流变换器装在线导体与电流传感电路之间。通常在这种电流变换器额定具有次级绕组5安培的标称电流时，约20安培的次级电流可以流过而不超过变流器的热定额。这样，即使在导体和电流传感电路之间引入电流变换器后，感应电度表仍能测量相当大的电流，例如20安培。

然而，这类相当大的电流并不能被电子型电度表精确地检测，所述电子型电度表典型地利用电子电路或集成电路测量单个电能用户的电流和电压用量。集成电路被设计成接受和测量小信号电平，例如典型地小于5毫安和小于5伏。因此电子型电度表中的电流传感器必须具有大的变换比，以便把相当大的线电流按比例缩减成传感器集成电路可接受的相当小的输入电平。

为了产生这种相当小的输出信号，常规的电流变换器会变得非常大和非常昂贵。这种增加的尺寸和费用，部分是由于对正常的运转要求初级和次级绕组的安培圈数必须相等。绕组圈数也必须被选成使最大的线电流比例缩减成集成电路的5mA电流限制。由于线电流一般地从0.5A变到200A，一般的电流变换器的变换比需要大约为100，000∶1，以便把200A变换成小于5mA的值。100，000∶1的变换比需要相当大的绕组圈数以及非常大和非常昂贵的电流变换器。

除了非常大和非常昂贵以外，如果线导体中的交流电流被叠加在直流电流上，则一般的电流变换器的磁芯就会饱和。直流电流以及因之而造成的磁芯的饱和，通常是由于连接到线导体的不同电器所造成的交流信号的半波整流，或者是人为故意地把直流电流分量加到线导体以使电表出错，阻止正常的电流检测和电能消耗的测量

更进一步地，常规的电流变换器产生外磁场，它会影响邻近的电器，例如在多相电度表中的其它的电流变换器。常规的电流变换器中的电流变换反过来也可受外界源的入射磁场的影响，例如多相电度表中所用的邻近的电流传感器。

这种常规电流变换器的交流电流传感器是由1980年1月颁发的Wolf等人的美国专利NO 4，182，982和1985年1月颁发的Milkovic的美国专利NO 4，492，919（以后分别简称为′982和′919专利）所提供的。′982和′919专利揭示了把线导体分割成具有不同横截面积的一个或多个主分支通路和一个并行的辅助分支通路。电流在这两个分支通路之间分流，基本上正比于这两个通路的横截面积。辅助分支通路穿过环状磁芯的通孔。环状磁芯、形成一圈初级线圈的辅助分支通路以及绕在环状磁芯上的许多圈的次级绕组的组合构成了电流变换器。

在′982和′919专利中所揭示的分支通路由铜组成，由于铜具有显著的电阻温度系数，所以其电阻值随温度涨落有明显变化。另外，为了在可能的线电流的大范围内适当按比例缩小线电流，初级分支通路和辅助分支通路的横截面积可以分别变得特别大和特别小。更进一步地，并行的初级分支通路和辅助分支通路不但受外源所产生的磁场影响，也受其它分支通路中电流所产生的磁场影响。例如，初级分支通路中的电流受辅助分支通路中电流所产生的磁场影响。另外，电流分流器中并行导体之间的磁耦合会在两平行导体之间产生互感。此互感把相当简单的电阻分流器变成复杂的有电流相移的阻抗分流器，根据互感具有主分支通路和并行的辅助通路中的相移。因为足够的测量精度需要电流传感器按比例输出信号的幅度和相位角应该精确地反映线电流的幅度和相位角，并行分支通路中的这种相移，反过来又受电流传感器的输出信号所影响，损害了测量精度。

同轴式电流传感器在于1991年11月19日公开的Bullock的美国专利NO.5，066，904中所揭示，并转让给本发明的受让人，其中揭示的内容与本文合并在一起作为参考。同轴式电流传感器把流过线导体的电流在两个同轴式放置的导体之间分流。中心导体穿过环状磁芯的通孔，以便感应流进环状磁芯的电流。

传感和反馈次级绕组也绕在环状磁芯上。由于环状磁芯中的电流，在传感绕组中感应出电流，它正比于环状磁芯中的电流。对传感次级绕组中所感应的电流起响应的放大器把控制或补偿信号提供给反馈次级绕组。由于控制信号造成的反馈次级绕组中的电流在环状磁芯中感应出另一个电流，它和中心导体中电流所感应的电流幅度基本相等，而方向相反。在环状磁芯中的合成的净电流，在输入电流不变的稳态条件下，近似为零。这样，由于输入电流改变引起的环状磁芯中的任何电流，因为要在稳态条件下维持环状磁芯中的净电流近似为零，它基本上与中心导体中的电流成线性关系，这样，不管是由于过份的交流线电流，还是由于叠加了直流电流，都不会使磁芯处于饱和状态。反馈第二次级绕组也产生正比于流过中心导体电流的输出电流。

由于同轴式电流传感器显示出在传感和按比例缩小线电流的技术，特别是在用于电度表方面的巨大进步，又有进一步的改进要求。具体地说，由于流经每个导体的电流所产生的磁场和在其它导体中的合成的自感，同轴导体可以有磁耦合。该互感可在合成的按比例缩小的输出电流中引入相移或相位误差。另外，同轴式电流传感器具有相当复杂的设计，因此制造很昂贵。更进一步地，由于电流在同轴导体间分流的比值取决于导体的横截面积，电流的分流比可借助于微调导体的电阻而予以调整，例如通过钻孔，从导体的第一端去掉材料的一部分。但由于导体的排列和尺寸，把导体去掉一部分或打孔可能是困难的。

这样，当想要电流传感器产生具有与输入电流有关的幅度和相位的输出电流，特别是用于传感电度表中的线电流时，电流传感器仍会有许多不足，包括电流传感器的并行导体间的磁耦合，导致输出信号的相移。特别是，希望能有一个用于电度表的电流传感器，产生输出信号，其幅度小于5mA，且与输入电流的幅度和相位有关，该电度表利用电子电路或集成电路测量用户的电能消耗。

因此，本发明的一个目的是提供用于检测输入电流的一种改进方法和装置。

本发明的另一个目的是提供用于检测输入电流信号和产生有关的输出电流信号的一种改进方法和装置。

本发明的进一步目的是提供用于检测输入电流信号和产生在幅度与相位上与输入电流信号有关的输出电流信号的一种改进方法和装置。

按照本发明，这些目的和其它目的借助差分电流传感器完成，它包括第一和第二导体以及磁耦合到第一和第二导体的传感装置。第一导体，最好为第一电阻，具有第一预定电阻值，导通输入电流的第一部分。第二导体，最好为第二电阻，具有第二预定电阻值，导通输入电流的第二部分。这样，输入电流在第一和第二导体之间按照第一和第二预定电阻值成反比地分流。磁耦合到第一和第二导体的传感装置产生与输入电流的第一和第二部分之间电流差额有关的输出信号。该输出电流可由电度表中的集成电路检测，以精确测量用户的电能消耗。

传感装置最好地是环状电流比较器，更优选地是具有通孔并沿孔方向延伸的环状绕组。第一和第二导体均沿环状绕组的通孔方向延伸，并且结合在一起，构成用作电流变换器的单圈初级线圈，该电流变换器的磁芯由环状绕组所形成。第一导体优选地沿第一方向传导输入电流的第一部分，而第二导体沿第二方向传导输入电流的第二部分。第一方向和第二方向在环状绕组通孔内基本上是相反的。第一导体和第二导体在环状绕组的通孔内也是基本上平行的。

输入电流的第一部分和第二部分在环状绕组中感应出一个与这两部分间的电流差值有关的电流，这是因为输入电流的第一部分和第二部分以相反方向流过环状绕组的通孔。用磁感应电流来传感输入电流，这样输出信号可与输入电流隔离，以便于抑制输入电流中的电压瞬变，保持电流传感器。

传感装置也最好包括磁传感装置，用于磁传感环状绕组中感应出的电流。用于磁传感环状绕组中感应出的电流的装置优选地包括绕在环状绕组上的次级绕组，它被磁耦合到环状绕组，以产生输出信号。用于磁传感环状绕组中感应出的电流的装置更优选地包括一个反馈次级绕组和一个传感次级绕组，每个次级绕组在并耦合到带有装在其上的放大器电路的环状绕组。反馈次级绕组、传感次级绕组以及相关的放大器电路的结合产生输出信号，它与输入电流信号的幅度和相位有关且优选地取为成正比。次级绕组和相关的放大器电路也在环状绕组中感应出第二电流，它与电流的第一部分和第二部分之间的电流差值所感应出的电流，幅度相等，但方向相反，以阻止环状绕组被饱和。

第一和第二导体的电阻通常取决于它们相应的横截面积。其相应的电阻值可借助在导体上刻槽的方法很容易进行微调。最终的开过槽的导体的电阻值变化与开槽尺寸直接有关。

第一和第二导体优选地在第一和第二引线端之间延伸，以便第一导体和第二导体的第一端连接到第一引线端以及第一和第二导体的第二端连接到第二引线端。第一导体或导线优选地从第一引线端沿环状绕组的第一面延伸到环状绕组的通孔，并从环状绕组的通孔沿环状绕组的第二面延伸到第二引线端。第二导体或导线优选地从第一引线端沿环状绕组的第二面延伸到环状绕组的通孔，并从环状绕组的通孔沿环状绕组的第一面延伸到第二引线端。第一和第二引线端优选地设计为互相紧密配合，并与标准的电度表基板实现电连接。

本发明的电流传感方法和装置允许传感输入电流信号和产生输出电流信号，根据输入电流在第一和第二导体之间分流时二者的电流差值，使该输出电流信号与输入电流信号的幅度和相位有关。此外，本发明的电流传感器大大减小或消除由于第一和第二导体之间的任何互感应而造成的输出信号的相位误差。

图1是按照本发明的电流传感器的透视图;

图2是图1的电流传感器沿图1的2-2′的截面图;

图3是本发明的用于微调导体电阻的刻槽口的局部放大透视图;

图4是图1的电流传感器的电路图;

图5是按照本发明的包括环状绕组、传感次级绕组和反馈次级绕组在内的电流传感器示意图。

现在将参考其中显示了本发明优选实施例的附图，更详细地描述本发明。然而，本发明可按许多不同形式实施，不应当被理解为只限制于在此所述的实施装置;更确切地，提供该实施例以便使本公开完整、透彻并向此技术领域熟练者充分传达本发明的意图。全文中相同的数字代表相同的元件。

现参考图1到图5，用图说明按照本发明的电流传感器10。电流传感器10包括第一导体12和第二导体14以及传感装置16，它被磁耦合到第一导体和第二导体，以产生在相位与幅度上和输入电流20有关的输出信号18。如图4和图5所示，第一导体12，最好为第一电阻，具有第一预定电阻值R₁，以传导输入电流I_in的第一部分I₁。第二导体14，最好为第二电阻，具有第二预定电阻值R₂，以传导输入电流I_in的第二部分I₂。这样，输入电流20在第一和第二导体之间按照第一和第二导体的各个电阻值成反比地分流。具体地，输入电流20的第一和第二部分分别为：

I₁＝I_in（R₂/（R₁+R₂））

I₂＝I_in（R₁/（R₁+R₂））

传感装置16产生输出信号，它与输入电流的第一和第二部分之间的电流差值有关，更优选的是成正比，并被磁耦合到第一和第二导体。优选地，传感装置16包括环形电流比较器，更优选地，包括具有通孔24并沿孔方向延伸的环状绕组22，如图2所示。环状绕组22通常包含由导电性材料，例如铁，制成的许多单个线圈。

现在参考图4，第一导体12沿第一方向传导输入电流的第一部分I₁，而第二导体14沿第二方向传导输入电流的第二部分I₂。第一方向和第二方向在环状绕组22的通孔24内基本上是相反的。此外，第一和第二导体在环状绕组22的通孔24内基本上也是平行的，如图2所示。

输入电流的第一和第二部分分别地流入第一和第二导体，在环状绕组22中感应出电流。由于输入电流的第一和第二部分的流向相反，在环状绕组22中感应到的合成电流是输入电流的第一和第二部分分别感应出的电流的差值。这样，在环状绕组22中感应到的合成电流就与输入电流的第一和第二部分之间的电流差值有关。电流传感器10借助磁感应电流来传感输入电流20，这就在其输出信号18和线电流之间提供了隔离，以便于抑制输入电流20上的高电压瞬变，以及保护电流传感器10。

由于第一和第二导体在环状绕组22的通孔24内基本上是平行的，由通过相应导体的电流所产生的磁场引起的两导体之间互感应在幅度上近似相等但极性相反。这样，第一和第二导体之间合成的互感应被大大减小或消除。因此输出信号18的相位角，由于这大大减小或消除的互感应，可更精确地反映输入电流20的相位角。

传感装置16也优选地包括磁传感装置，用于磁传感环状绕组22感应出的电流。用于磁传感环状绕组22中感应出的电流的装置优选地包括绕在环状绕组22上的次级绕组，它被磁耦合到环状绕组22，以产生输出信号18。

更优选地，用于磁性检测环状绕组22中感应出的电流的装置包括反馈次级绕组26、传感次级绕组28和放大器电路30，如图5所示。由于磁性环状绕组22中的电流，在传感绕组28中感应出一电流，它与磁性环状绕组22中的电流成正比。放大器电路30对传感绕组28中感应出的电流起反应，并且把控制信号或补偿信号提供到反馈绕组26。由于控制信号引起的反馈绕组26中的电流在环状绕组22中产生一电流，它与由输入电流的第一和第二部分之间的电流差值所感应的电流在幅度上基本相等，但方向相反。在稳态条件下在环状绕组22中合成的净电流近似为零。这样，因为维持最小的稳态净电流阻止了环状磁芯22处于饱和状态，由输入电流20改变引起的环状磁芯22中任何感应电流基本上与输入电流的第一和第二部分之间的电流差值成线性关系。反馈次级绕组26也提供了输出信号18，它与输入电流信号20的幅度和相位有关，更优选地是成正比。

为了得到利用集成电路的电子电度表所需要的大变换比，本发明的电流传感器10提供了两种不同的变换，它们规定了两种变换比。这两种变换比的乘积是整个电流传感器10的变换比，它确定了输出信号18幅度和输入电流10幅度之间的关系。

具体地，输入电流20在第一和第二导体之间的分配给出了第一变换比。在两导体之间的电流分配由各个导体的横截面积和电阻所确定。优选地，第一和第二导体由同一种材料制成，更优选地由铝材料制成，这样它们就具有相同的电阻率。此外，第一和第二导体的横截面积最好为相同的。为了改变在第一和第二导体之间的电流分配，至少在一个导体上刻有槽32，以微调它的电阻，这样就减小了通过的电流，如图3所示。刻槽导体的电阻直接随刻槽的尺寸（也就是刻槽的深度和宽度）而改变，刻槽越大造成电阻越大。

在优选实施例中，第一导体被刻槽使其通过电流大约为输入电流的42.5%，而第二导体，即未刻槽导体14，通过大约57.5%的输入电流，这样，对于20安的输入电流，通过第一导体12的输入电流的第一部分I₁大约是8.5安，而通过第二导体14的输入电流的第二部分I₂大约是11.5安。因此，在输入电流的第一部分和第二部分之间存在3安的电流差值。

第二变换比是由绕在环状绕组22上的次级绕组的圈数给出的。更具体地，电流变换器的初级边和次级边的安培圈是相同的。当第一和第二导体实际上是绕在构成变换器磁芯的环状绕组22上的单圈初级线圈时，传感次级绕组28的圈数可以变化，以使输出信号18最优化。这样，单圈初级线圈与电流的第一和第二部分之间的电流差值的乘积，对于上述例子，也就是1圈×（11.5-8.5）安培＝3安培圈，等于传感次级绕组28的圈数与输出信号18的乘积。因此，借助增加传感次级绕组28的圈数，就可增加第二变换比以及减小最终的输出信号18。

整个电流传感器10的变换比，也就是输出信号18与输入电流20的幅度之间的关系是由输入电流20在第一和第二导体间的分配所确定的第一变换比与基于构成电流变换器的环状磁芯22的初级和次级绕组之间的安培圈关系的第二变换比的乘积。

如图1所示，输入电流优选地由第一引线端34所提供，此引线端典型地由铜制成，第一和第二导体的第一端12a和14a都连接到此引线端。第一和第二导体的第二端12b和14b优选地连接到第二引线端36，它也是优选地由铜制成。第一导体12，典型地是一根导线，优选地从第一引线端34沿环状绕组22的第一面22a延伸到环状绕组22的通孔24中，并从通孔24沿环状绕组22的第二面22b延伸到第二引线端36。第二导体14，典型地是一根导线，优选地从第一引线端34沿环状绕组22的第二面22b延伸到环状绕组22的通孔24中，并从通孔24沿环状绕组22的第一面22a延伸到第二引线端36。第一和第二引线端被设计为互相紧密配合，并与标准的电度表基板实现电连接，以允许测量提供给用户的输入线电流。

在电流传感器10的具体结构可以有很大变化时，最好将传感装置20用绝缘材料38封装，以使操作便利和增长使用寿命。更优选地，该绝缘材料是塑料材料。

此外，从图1和2的被封装的传感装置16中延伸出的导线40与外加放大器电路30（图上未示出）相连接。导线40延伸到公用印刷电路板42，在该板上，传感和反馈次级绕组的每一端与各根导线40电连接。放大器电路30也可以与传感器装置16一起被封装，以取消从传感装置伸出的导线40，这并未超越本发明的范围。

在附图和说明书中，已揭示了本发明典型的优选实施例，虽然使用了特别的术语，但这些术语只是在一般说明的意义上被使用，而不是为了限制的目的，本发明的范围将在以下的权利要求中陈述。

Claims

1、用于检测输入电流的装置，其特征在于包括：

用于传导所述输入电流的第一部分的装置；

用于传导所述流入电流的第二部分的装置；

磁耦合到所述第一和第二传导装置的传感装置，用于产生与所述的输入电流的所述第一和第二部分之间的电流差值有关的输出信号。

2、按照权利要求1的电流传感装置，其特征在于所述第一传导装置是具有第一预定电阻值的第一导体，其中所述第二传导装置是具有第二预定电阻值的第二导体，以及其中所述传感装置包括具有通孔并沿孔方向延伸的环状绕组。

3、按照权利要求2的电流传感装置，其特征在于所述传感装置包括磁传感装置，用于磁传感由所述输入电流的所述第一和第二部分之间的所述电流差值在所述环状绕组内感应出的电流。

4、按照权利要求3的电流传感装置，其特征在于所述磁传感在所述环状绕组内感应电流的装置包括绕在所述环状绕组上的次级绕组，它被磁耦合到所述环状绕组以产生所述的输出信号。

5、按照权利要求2的电流传感装置，其特征在于所述第一导体包括刻槽，借此所述第一导体的电阻随所述刻槽的尺寸的改变而变化。

6、按照权利要求2的电流传感装置，其特征在于所述输出信号正比于所述输入电流的所述第一和第二部分之间的所述电流差值。

7、按照权利要求2的电流传感装置，其特征在于所述第一和第二输入电流部分的幅度的总和基本上等于所述输入电流的幅度。

8、电流传感装置，其特征在于包括：

具有第一预定电阻值的第一电阻，用于沿第一方向传导所述输入电流的第一部分;

具有第二预定电阻值的第二电阻，用于沿第二方向传导所述输入电流的第二部分;以及

对所述输入电流的所述第一和第二部分起响应的环状电流比较器，用于产生与所述输入电流有关的输出信号;其中所述第一和第二电阻通过所述电流比较器的通孔安放，并使所述的第二方向基本上与所述的第一方向相反。

9、按照权利要求8的电流传感装置，其特征在于所述环状电流比较器包括具有通孔并沿孔方向延伸的环状绕组。

10、按照权利要求9的电流传感装置，其特征在于所述环状电流比较器包括磁传感装置，用于磁传感由所述输入电流的所述第一和第二部分之间的所述电流差值在所述环状绕组内感应出的电流。

11、按照权利要求10的电流传感装置，其特征在于所述磁传感在所述环状绕组内感应电流的装置包括：

绕在所述环状绕组上的传感次级绕组，并被磁耦合到所述的环状绕组;

放大器装置，具有连接到所述传感次级绕组的一个输入端，以及一个输出端;和

绕在所述环状绕组上的反馈次级绕组，并被磁耦合到所述的环状绕组以及其第一端被连接到所述放大器装置的所述输出端，其中所述环状绕组内感应出的电流的任何直流分量基本上都被消除。

12、电流传感装置，其特征在于包括：

用于传导输入电流的第一引线端;

其第一端连接到所述第一引线端的第一导线;

其第一端连接到所述第一引线端的第二导线;

用于传导输出电流的第二引线端，所述第二引线端连接到所述第一和第二导线的第二端;

具有通孔的环状绕组，所述第一和第二导线均穿过所述通孔。

13、按照权利要求12的电流传感装置，其特征在于还包括绕在所述环状绕组上的次级绕组，用于产生与所述输入电流有关的输出信号。

14、检测输入电流的方法，其特征在于包括以下步骤：

把所述输入电流按预定的比值分成第一部分和第二部分;

传感所述第一和第二部分之间的电流差值;以及

产生与所述被传感的电流差值有关的所述输出电流。

15、按照权利要求14的方法，其特征在于分割电流的步骤包括沿第一方向传导输入电流的所述第一部分与沿第二方向传导输入电流的所述第二部分的步骤，以及其中传感步骤包括电流的所述第一和第二部分通过环状绕组的通孔与在所述环状绕组内感应一个正比于所述第一和第二部分之间的所述电流差值的电流的步骤。