CN111257609A - 一种基于隧穿磁阻的电流传感器及其参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于隧穿磁阻的电流传感器及其参数确定方法，属于电力系统电流测量技术领域，将电流传感器中的磁环和绕制在磁环上的阻尼线圈的组合抽象为变压器，构建等效电路图；根据所述等效电路图中各元件的电磁特性，建立所述电流传感器的频率响应和传感器参数之间的关系，所述的传感器参数包括阻尼线圈的匝数和电阻值；根据待测电流幅值及频率范围调整所述阻尼线圈的匝数和电阻值，使所述电流传感器的输出频率响应下降区间处于待测电流幅值及频率范围内，以解决现有电流传感器由于参数设置不合理导致的测量不准确、测试效果差的问题。

Description

一种基于隧穿磁阻的电流传感器及其参数确定方法

技术领域

本发明涉及一种基于隧穿磁阻的电流传感器及其参数确定方法，属于电力系统电流测量技术领域。

背景技术

巨磁阻电流传感器具有宽量程的优点，但其测量范围主要集中在中小电流，相比电流互感器，巨磁阻电流传感器测量大电流的能力处于劣势，对电力系统中的大电流测量能力不足，传感器量程需要进一步提高。通过增大磁环气隙宽度、取消磁环、增大传感器与待测电流之间的距离等方法能够提高传感器量程，但同时也会导致传感器抵抗外界磁场干扰的能力降低，对与待测电流之间的相对位置敏感等问题。因此，提出了使用饶有阻尼线圈的开口磁环这一新型结构来扩大隧穿磁阻效应电流传感器的暂态量程。

例如，申请公布号为CN 106018939 A、发明名称为“一种基于隧穿磁阻的大量程暂态电流传感器”的中国专利申请，公开了采用开口磁环，以及设置在开口处的隧穿磁阻传感芯片对穿过开口磁环中心处的载流导线中的电流进行测量，同时，通过绕制在开口磁环上的阻尼线圈，形成与被测电流产生磁力线相交感应磁场。当高频冲击电流到来时，能够有效削弱气隙磁场，达到扩大量程的目的。

上述现有方案中，电流传感器的参数设置至关重要，如果没有上述电流传感器参数进行合理设置，可能会造成显著的误差，导致测量不准确，测试效果差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于隧穿磁阻的电流传感器及其参数确定方法，以解决现有电流传感器由于参数设置不合理导致的测量不准确、测试效果差的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：本发明提供了一种电流传感器性能优化方法，包括如下步骤：

1)将电流传感器中的磁环和绕制在磁环上的阻尼线圈的组合抽象为变压器，构建等效电路图；

2)根据所述等效电路图中各元件的电磁特性，建立所述电流传感器的频率响应和传感器参数之间的关系，所述的传感器参数包括阻尼线圈的匝数和电阻值；

3)根据待测电流幅值及频率范围调整所述阻尼线圈的匝数和电阻值，使所述电流传感器的输出频率响应下降区间处于待测电流幅值及频率范围内。

本发明考虑基于隧穿磁阻的电流传感器中反馈线圈参数的设置对传感器测量结果的影响，通过建立阻尼线圈磁环的等效电路，获得电流传感器的频率响应与反馈线圈匝数和电阻值的对应关系，从而根据待测电流频率范围调整所述阻尼线圈的匝数和电阻值，使得电流传感器的频率响应下降区间处于待测电流频率范围内，从而通过电流传感器的理论模型对参数进行合理设置，根据该参数设置下的电流传感器能够实现待测电流的精确测量。

进一步的，所述步骤2)中所述电流传感器的输出频率响应与传感器参数之间的关系为：

其中，V为电压输出频率响应，I₁为待测电流，R₂为阻尼线圈的电阻，L_σ2为二次侧漏电感，R_m2为励磁电阻，L_m2为励磁电感，K为无阻尼线圈时传感器的电流灵敏度，K_B为电流传感器磁场灵敏度，μ₀为空气磁导率，μ_r为磁环的磁导率，l₀为磁环开口气隙长度，l₁为磁环去除气隙长度后的有效磁路长度，ω为频率。

进一步的，所述步骤3)中在输出频率响应相角滞后不超过设定阈值的情况下，对所述阻尼线圈的匝数和电阻值进行调整。

进一步的，所述设定阈值为45°。

本发明还提供了一种基于隧穿磁阻的电流传感器，包括开口磁环和阻尼线圈，所述阻尼线圈绕制在开口磁环上，所述电流传感器参数采用如下步骤进行确定：

1)将电流传感器中的磁环和绕制在磁环上的阻尼线圈的组合抽象为变压器，构建等效电路图；

2)根据所述等效电路图中各元件的电磁特性，建立所述电流传感器的频率响应和传感器参数之间的关系，所述的传感器参数包括阻尼线圈的匝数和电阻值；

3)根据待测电流幅值及频率范围调整所述阻尼线圈的匝数和电阻值，使所述电流传感器的输出频率响应下降区间处于待测电流幅值及频率范围内。

本发明考虑基于隧穿磁阻的电流传感器中反馈线圈参数的设置对传感器测量结果的影响，通过建立阻尼线圈磁环的等效电路，获得电流传感器的频率响应与反馈线圈匝数和电阻值的对应关系，从而根据待测电流频率范围调整所述阻尼线圈的匝数和电阻值，使得电流传感器的频率响应下降区间处于待测电流频率范围内，从而通过电流传感器的理论模型对参数进行合理设置，根据该参数设置下的电流传感器能够实现待测电流的精确测量。

进一步的，所述步骤2)中所述电流传感器的输出频率响应与传感器参数之间的关系为：

其中，V为电压输出频率响应，I₁为待测电流，R₂为阻尼线圈的电阻，L_σ2为二次侧漏电感，R_m2为励磁电阻，L_m2为励磁电感，K为无阻尼线圈时传感器的电流灵敏度，K_B为电流传感器磁场灵敏度，μ₀为空气磁导率，μ_r为磁环的磁导率，l₀为磁环开口气隙长度，l₁为磁环去除气隙长度后的有效磁路长度，ω为频率。

进一步的，所述步骤3)中在输出频率响应相角滞后不超过设定阈值的情况下，对所述阻尼线圈的匝数和电阻值进行调整。

进一步的，所述设定阈值为45°。

附图说明

图1是本发明基于隧穿磁阻的电流传感器实施例中电流传感器结构原理图；

图2是本发明基于隧穿磁阻的电流传感器实施例中电流传感器参数确定方法流程图；

图3是本发明基于隧穿磁阻的电流传感器实施例中等效电路图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

基于隧穿磁阻的电流传感器实施例：

本实施例中，以如图1所示的电流传感器结构为例，对本发明的电流传感器性能优化方法进行详细说明。

如图1所示，使用绕有阻尼线圈的开口磁环的隧穿磁阻电流传感器系统结构，其包括开口磁环、阻尼线圈、载流导线、隧穿磁阻传感芯片和信号调理电路。其中，载流导线位于开口磁环中心位置，穿过磁环。阻尼线圈紧密缠绕在开口磁环上，并保持闭合状态。隧穿磁阻传感芯片位于开口磁环气隙中，其输出连接到信号调理电路。

本实施例中，将阻尼线圈、磁环抽象为变压器，建立等效电路图，获取该电流传感器的频率响应，根据待测电流的频率范围对阻尼线圈的匝数和电阻进行调整，从而使得在对特定频率范围的电流进行测量时，电流传感器的频率响应下降区间处于待测电流频率范围内，从而实现传感器参数的合理确定，保证了测量精度和传感器的可靠性，提升检测效果。

具体的，如图2所示，本实施例中对上述基于隧穿磁阻的电流传感器的阻尼线圈参数进行确定主要包括以下几个步骤：

1)将电流传感器中的磁环和绕制在磁环上的阻尼线圈的组合抽象为变压器，构建等效电路图；

将阻尼线圈磁环等效为变压器，其中，开口磁环和气隙等效为励磁回路，载流导线等效为一次线圈，阻尼线圈等效为二次线圈，阻尼线圈闭合相当于二次线圈闭合，考虑漏磁，则等效电路如图3所示。其中，R₁、X_σ1、I₁分别为载流导线的电阻、漏电抗和电流，R₂’、X_σ2’、I₂’分别为阻尼线圈等效到载流导线侧的电阻、漏电抗和电流，R_m、X_m、I_m为等效励磁电阻、励磁电抗和励磁电流。

2)根据所述等效电路图中各元件的电磁特性，建立所述电流传感器的频率响应和传感器参数之间的关系，所述的传感器参数包括阻尼线圈的匝数和电阻值。

根据上述等效电路图中各元件的电磁特性，等效磁路中励磁电流I_m的大小可为：

并且，开口磁环和气隙的磁阻为：

其中，l₁为磁环去除气隙宽度后的等效磁路长度，d为磁环开口气隙宽度，μ_r为磁环的相对磁导率，μ₀为空气磁导率，S为磁环横截面积。

根据欧姆定律，

式中，F为磁路磁动势，φ为磁路磁通量，并且有：

φ＝BS

可得气隙磁感应强度的表达式为：

可见，气隙磁感应强度B与待测电流I1的关系式中，由于考虑到了漏磁的影响，引入了漏磁电抗项X_σ2’，漏磁电抗X_σ2’随着频率增大而增大。待测电流I₁一定的情况下，在频率较低时，气隙磁感应强度主要由励磁电阻R_m和等效二次侧电阻R₂’的大小决定；在频率较高时，励磁电抗X_m和二次侧漏电抗X_σ2’的幅值将远大于励磁电阻R_m和等效二次侧电阻R₂’，气隙磁感应强度主要由励磁电抗X_m和二次侧漏电抗X_σ2’决定。因此气隙磁感应强度不会随着频率的增大而趋近于零，而是趋于一个由励磁电抗X_m和二次侧漏电抗X_σ2’的大小决定的非零常数。此外，随着频率的增大，在频率较低时，气隙磁感应强度B和待测电流I₁之间存在一定的相位差；在频率较高时，由于同样的原因，气隙磁感应强度B和待测电流I₁将趋于同相位。

本实施例中，由于频率响应特性为传感器输出电压V对待测电流I₁的频率响应，因此，对上述气隙磁感应强度的表达式进行预处理，令传感器的磁场灵敏度为K_B，则传感器输出电压可表示为：

同时，将式中的各电阻、电抗均转换到二次侧，则可表示为：

其中，V为输出电压，I₁为待测电流，R₂为阻尼线圈的电阻，L_σ2为二次侧漏电感，R_m2为励磁电阻，L_m2为励磁电感，K为无阻尼线圈时传感器的电流灵敏度，K_B为电流传感器磁场灵敏度，μ₀为空气磁导率，μ_r为磁环的磁导率，l₀为磁环开口气隙长度，l₁为磁环去除气隙长度后的有效磁路长度，ω为频率。

3)根据待测电流幅值及频率范围调整所述阻尼线圈的匝数和电阻值，使所述电流传感器的输出频率响应下降区间处于待测电流幅值及频率范围内。由上述构建的频率响应与传感器参数的关系可知，阻尼线圈将有效减小磁环气隙中的磁场值，另一方面，阻尼线圈匝数和阻尼线圈电阻均会影响传感器的频率响应。为尽可能减小磁场值，同时保持传感器在低频段的频率响应不致下降过多，可以通过理论模型进行参数选择。

在进行阻尼线圈实际参数设计时，根据测量场景，得到与拟定的阻尼线圈匝数和阻尼线圈电阻参数匹配的励磁参数和二次侧漏电感参数。随着阻尼线圈匝数增加，载流导线和阻尼线圈的耦合程度逐渐增加，从而使励磁电感增大。随着阻尼线圈电阻增加，励磁电阻将逐渐增大。通过理论模型，得到该拟定参数下的传感器频率响应曲线。

由于励磁电感相对于二次侧漏电感更大，因此阻尼线圈在电流频率增高时，使得磁环气隙中的磁场下降，下降幅度主要受到阻尼线圈匝数的影响，阻尼匝数越大，下降幅度越高。在保证相角滞后不超过45°的情况下，调整阻尼线圈匝数，可以使得传感器自身灵敏度能够匹配所测电流范围，从而提高测量精度。

频率下降区间主要受到阻尼线圈电阻的影响，阻尼线圈电阻越大，起始下降频率区间越高。根据待测电流的频率范围，在保证相角滞后不超过45°的情况下，调整阻尼线圈电阻，使得传感器频响下降区域恰好处于待测电流对应频率范围内。对于测量高频电流的情况，通过增加阻尼线圈电阻，使得传感器频响曲线的下降区域尽可能延后。

由此，基于该模型方法理论，根据待测电流的频率范围，进行阻尼线圈匝数和阻尼线圈电阻的调整，可以提升电流传感器在特定暂态大电流测量条件下的测量性能。阻尼线圈匝数越大，所述电流传感器的测量范围越大；阻尼线圈电阻值越大，所述电流传感器的频率范围越宽，也就是说，传感器中阻尼线圈的匝数和电阻值与传感器频率响应的下降区间存在一定关系。通过阻尼线圈匝数和阻尼线圈电阻的调整，能够有效保证电流传感器的频率响应下降区间处于待测电流频率范围内。

基于隧穿磁阻的电流传感器参数确定方法实施例：

本实施例中提供了对基于隧穿磁阻的电流传感器进行参数确定的方法，具体包括以下步骤：

1)将电流传感器中的磁环和绕制在磁环上的阻尼线圈的组合抽象为变压器，构建等效电路图；

2)根据所述等效电路图中各元件的电磁特性，建立所述电流传感器的频率响应和传感器参数之间的关系，所述的传感器参数包括阻尼线圈的匝数和电阻值；

3)根据待测电流频率范围调整所述阻尼线圈的匝数和电阻值，使所述电流传感器的频率响应下降区间处于待测电流频率范围内。

上述步骤的具体实现过程已在上述基于隧穿磁阻的电流传感器实施例中详细说明，故此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于隧穿磁阻的电流传感器参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将电流传感器中的磁环和绕制在磁环上的阻尼线圈的组合抽象为变压器，构建等效电路图；

2)根据所述等效电路图中各元件的电磁特性，建立所述电流传感器的频率响应和传感器参数之间的关系，所述的传感器参数包括阻尼线圈的匝数和电阻值；

3)根据待测电流幅值及频率范围调整所述阻尼线圈的匝数和电阻值，使所述电流传感器的输出频率响应下降区间处于待测电流幅值及频率范围内。

2.根据权利要求1所述的基于隧穿磁阻的电流传感器参数确定方法，其特征在于，所述步骤2)中所述电流传感器的输出频率响应与传感器参数之间的关系为：

其中，V为电压输出频率响应，I₁为待测电流，R₂为阻尼线圈的电阻，L_σ2为二次侧漏电感，R_m2为励磁电阻，L_m2为励磁电感，K为无阻尼线圈时传感器的电流灵敏度，K_B为电流传感器磁场灵敏度，μ₀为空气磁导率，μ_r为磁环的磁导率，l₀为磁环开口气隙长度，l₁为磁环去除气隙长度后的有效磁路长度，ω为频率。

3.根据权利要求1所述的基于隧穿磁阻的电流传感器参数确定方法，其特征在于，所述步骤3)中在输出频率响应相角滞后不超过设定阈值的情况下，对所述阻尼线圈的匝数和电阻值进行调整。

4.根据权利要求3所述的基于隧穿磁阻的电流传感器参数确定方法，其特征在于，所述设定阈值为45°。

5.一种基于隧穿磁阻的电流传感器，包括开口磁环和阻尼线圈，所述阻尼线圈绕制在开口磁环上，其特征在于，所述阻尼线圈的参数采用如下步骤进行确定：

1)将电流传感器中的磁环和绕制在磁环上的阻尼线圈的组合抽象为变压器，构建等效电路图；

2)根据所述等效电路图中各元件的电磁特性，建立所述电流传感器的频率响应和传感器参数之间的关系，所述阻尼线圈的参数包括阻尼线圈的匝数和电阻值；

3)根据待测电流幅值及频率范围调整所述阻尼线圈的匝数和电阻值，使所述电流传感器的输出频率响应下降区间处于待测电流幅值及频率范围内。

6.根据权利要求5所述的基于隧穿磁阻的电流传感器，其特征在于，所述步骤2)中所述电流传感器的输出频率响应与传感器参数之间的关系为：

其中，V为电压输出频率响应，I₁为待测电流，R₂为阻尼线圈的电阻，L_σ2为二次侧漏电感，R_m2为励磁电阻，L_m2为励磁电感，K为无阻尼线圈时传感器的电流灵敏度，K_B为电流传感器磁场灵敏度，μ₀为空气磁导率，μ_r为磁环的磁导率，l₀为磁环开口气隙长度，l₁为磁环去除气隙长度后的有效磁路长度，ω为频率。

7.根据权利要求5所述的基于隧穿磁阻的电流传感器，其特征在于，所述步骤3)中在输出频率响应相角滞后不超过设定阈值的情况下，对所述阻尼线圈的匝数和电阻值进行调整。

8.根据权利要求7所述的基于隧穿磁阻的电流传感器，其特征在于，所述设定阈值为45°。

Images