CN112362953A - 一种直流偏置电流检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直流偏置电流检测装置，属于电力电子技术领域。由交流导线(1)、霍尔效应传感器(2)、低损耗阻尼电路(3)、交流磁通抵消线圈(4)、硅钢环形开口磁环(5)、供电输入端(6)、电压转换电路(7)、电压放大电路(8)、滤波电路(11)和输出端子(12)组成，该装置可以有效的测量交流大电流中的直流电流分量。通过提出的低损耗阻尼电路，提高了电路检测带宽，使得响应时间更快。从而规避变压器磁芯因直流电流分量过大导致变压器出现直流偏磁问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流偏置电流检测装置，属于电力电子技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的发展，大功率的变换器越来越多。出于安全考虑，大多电路都使用变压器将低压侧与高压侧隔离，同时随着新能源发电与分布式发电的推广，其面临着并网问题，而变压器是并网不可缺少的设备之一。
由于电路中的非理想因素，如不匹配的驱动脉冲延迟，有限的脉冲宽度分辨率，不同的功率器件的导通关断阈值电压也不一样，施加在变压器绕组上的正负电压并不理想对称，这会导致伏秒积分随时间增加而失衡。这种不平衡会在几十到几百个开关周期内影响变压器工作。
为消除稳态伏秒失衡，通常采用隔直电容。随着功率的增加，额外的隔直流电容器变得庞大且昂贵。为了不使用隔直电容，提出了一些主动控制方法。这需要测量绕组偏置电流，以实现有源控制，但该偏置电流小于绕组中总电流的1％，无法使用电流传感器和低通滤波器直接测量偏置电流。电流传感器的噪声和漂移很容易淹没偏置电流信号。ABB提出了一种大功率交流电网的直流偏置电流测量方法，该方法通过引入耦合绕组来抵消被测电流产生的交流磁通。然后，可以由霍尔传感器测量由直流电流产生的磁通量。以上方法能够测量非常低的带宽的真实直流分量。但是，偏置电流传感器的带宽对于控制高频变压器中的电流是非常重要的。为了增加带宽，当前方法需要一次侧和二次侧电流的信息。一种方法是计算初级电流和次级电流之间的电流差。该方法的主要缺点是初级和次级电流混合，这使得高压隔离变得困难。另一种方法是引入磁耳来测量铁氧体磁芯中的磁通量。对于这种方法，如果采用纳米晶材料等材料的高导磁率作为变压器芯，则进入磁耳的漏磁通可能太小而无法精确测量。而且，由于该方法测量的是初级电流和次级电流的总影响，因此无法确定初级绕组和次级绕组中是否存在反向偏置电流，这会带来额外的损失。
当交流电流中的直流分量过大，变压器就会出现直流偏磁问题，直流偏磁改变了变压器的工作点，使原来磁化曲线工作区的一部分移至铁心磁饱和区，会使总励磁电流变成尖顶波，最终导致变压器中的电流振动幅度增大，导致电路损坏甚至烧毁。
发明内容
针对直流偏磁会导致变压器磁芯饱和问题，克服现有技术不足，本发明提出了一种直流偏置电流检测装置。
本发明的技术方案是：一种直流偏置电流检测装置，由交流导线(1)、霍尔效应传感器(2)、低损耗阻尼电路(3)、交流磁通抵消线圈(4)、硅钢环形开口磁环(5)、供电输入端(6)、电压转换电路(7)、电压放大电路(8)、滤波电路(11)和输出端子(12)组成，所述的交流导线(1)贯穿硅钢环形开口磁环(5)；所述的交流磁通抵消线圈(4)缠绕在硅钢环形开口磁环(5)上；所述的霍尔效应传感器(2)置于硅钢环形开口磁环(5)的开口气隙中；所述的低损耗阻尼电路(3)与交流磁通抵消线圈(4)并联；所述的供电输入端(6)分别与电压转换电路(7)和电压放大电路(8)相连，并提供±15V电压；电压转换电路(7)与霍尔效应传感器(2)相连，为其提供5V电压；霍尔效应传感器(2)的输出端与电压放大电路(8)输入端相连；电压放大电路(8)的输出端与滤波电路(11)相连，所述的输出端子(12)并联在滤波电路(11)两端并输出电压。
所述的一种直流偏置电流检测装置，还包括功率放大电路(9)、直流电流补偿线圈(10)、电阻Ra，所述的直流电流补偿线圈(10)缠绕在硅钢环形开口磁环(5)上；电压放大电路(8)的输出端与功率放大电路(9)相连；功率放大电路(9)的输出端与直流电流补偿线圈(10)的a端相连，直流电流补偿线圈(10)的b端接电阻Ra的a端，电阻Ra的b端接地；滤波电路(11)并联在电阻Ra两端。
所述的供电输入端(6)是一个三端底座，第一端接+15V电源、第三端接-15V电源，第二端接+15V和-15V电源的地，其中第一端与地之间并联滤波电容C6，第三端与地之间并联滤波电容C7。
所述的电压转换电路(7)由线性稳压器、滤波电容C8和滤波电容C9组成，线性稳压器的输入端与供电输入端(6)第一端相连并与地之间并联滤波电容C8，线性稳压器的输出端与地之间并联滤波电容C9，线性稳压器的输出端输出5V电压，且线性稳压器的输出端与霍尔效应传感器(2)电源输入端相连。
所述的霍尔效应传感器(2)由霍尔效应传感器和去耦电容C3组成，霍尔效应传感器(2)电源输入端与地之间并联去耦电容C3。
所述的低损耗阻尼电路(3)由电阻R1、电感L1、电容C1，电阻R1的a端与电感L1的a端相连，电容C1的a端与电阻R1的b端相连，电容C1的b端与电感L1的b端相连。
所述的电压放大电路(8)由运算放大器、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、去耦电容C4和去耦电容C5组成，电阻R3的a端接霍尔效应传感器(2)的输出端，电阻R3的b端与电阻R4的a端相连接到运算放大器正向输入端，电阻R4的b端接地；电阻R5的a端与运算放大器反向输入端相连，电阻R5的b端与电阻R6的a端相连接地，电阻R6的b端接到运算放大器输出端；运算放大器的正电源输入端与供电输入端(6)第一端相连并与地之间并联去耦电容C4；运算放大器的负电源输入端与供电输入端(6)第三端相连并与地之间并联去耦电容C5。
所述的功率放大电路(9)由NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2和电阻R7组成，电阻R7的a端接运算放大器的输出端，Q1的基极与Q2的基极相连接到R7的b端，Q1的集电极接供电输入端(6)第一端，Q2的集电极接供电输入端(6)第三端；Q1的发射极与Q2的发射极相连接到直流电流补偿线圈(10)的a端。
所述的滤波电路(11)是由电阻R2、电感L2和电容C2组成的RLC二阶低通滤波器，电阻R2的a端与电阻Ra的a端相连接到直流电流补偿线圈(10)的b端，电阻Ra的b端接地，电阻R2的b端与电感L2的a端相连，电感L2的b端与电容C2的a端相连后输出，电容C2的b端接地。
本发明的工作原理：交流导线1穿过硅钢环形开口磁环4，缠绕在硅钢环形开口磁环4上的交流磁通抵消线圈5产生感应电流，感应电流中的高频分量电流经低损耗阻尼电路3中的电容C1，形成一个闭环电流回路，高频分量感应电流与高频分量电流的磁场方向相反，相互抵消，从而抵消高频分量电流；低损耗阻尼电路3中的电阻R1和电感L1串联支路阻尼感应电流中的低频分量电流，因此，流过交流电流抵消绕组中的较低频率电流分量比较高频率电流分量衰减得更快，偏置电流可以以更快的响应速度反映在剩余磁场中，交流电流中的低频电流分量在硅钢环形开口磁环4中产生磁通，霍尔效应传感器4通过放置在硅钢环形开口磁环4的气隙中检测磁通密度，将磁通密度转换成电压信号，后经电压放大电路8放大，电压放大电路8的输出端接滤波电路11，滤波后通过输出端子12后输出，检测输出端子12两端的电压，电压值越大，说明交流电流中的直流电流分量越大，再通过计算可得出直流偏置电流值，这是直接检测；电压放大电路8的输出端接功率放大电路9，功率放大电路9的输出端与直流电流补偿线圈10的a端相连，所述的直流电流补偿线圈10的b端接电阻Ra的a端，电阻Ra的b端接地，再经滤波电路11，滤波后通过输出端子12后输出，检测输出端子12两端的电压，电压值越大，说明交流电流中的直流电流分量越大，再通过计算可得出直流偏置电流值，这是间接检测。
本发明的有益效果是：针对直流偏磁会导致变压器磁芯饱和问题，本发明提出了一种直流偏置电流检测装置，该电路可以有效的测量交流大电流中的直流电流分量。通过提出的低损耗阻尼电路，提高了电路检测带宽，使得响应时间更快。从而规避变压器磁芯因直流电流分量过大导致变压器出现直流偏磁的问题。
附图说明
图1为本发明的直流偏置电流检测装置的结构图。
图2为本发明的直流偏置电流间接检测电路图。
图3为本发明的直流偏置电流直接检测电路图。
图中1-交流导线；2-霍尔效应传感器；3-低损耗阻尼电路；4-硅钢环形开口磁环；5-交流磁通抵消线圈；6-供电输入端；7-电压转换电路；8-运算放大器；9-功率放大电路；10-直流补偿线圈；11-滤波电路；12-输出端子。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
为了进一步描述直流偏置电流检测装置及其方法中的直接检测方法，下面结合图1和图2作具体介绍。该装置由霍尔效应传感器2、低损耗阻尼电路3、硅钢环形开口磁环4、交流磁通抵消线圈5、供电输入端6、电压转换电路7、运算放大器8、滤波电路12组成。
所述的供电输入端6，是一个三端底座，第一端接+15V电源、第三端接-15V电源，第二端+15V和-15V电源的地，其中第一端与地之间并联滤波电容C6，第三端与地之间并联滤波电容C7；电压转换电路7，包含线性稳压器，线性稳压器的输入端与供电输入端6第一端相连并与地之间并联滤波电容C8，线性稳压器的输出端输出5V并于地之间并联滤波电容C9，且线性稳压器的输出端与霍尔效应传感器2电源输入端相连；霍尔效应传感器2电源输入端接线性稳压器的输出端并于地之间并联去耦电容C3；低损耗阻尼电路3中电阻R1的a端与电感L1的a端相连，电容C1的a端与电阻R1的b端相连，电容C1的b端与电感L1的b端相连；电压放大电路8中电阻R3的a端接霍尔效应传感器2的输出端，电阻R3的b端与电阻R4的a端相连接到运算放大器正向输入端，电阻R4的b端接地；电阻R5的a端与运算放大器反向输入端相连，电阻R5的b端与电阻R6的a端相连接地，电阻R6的b端接到运算放大器输出端；运算放大器的正电源输入端接供电输入端6第一端并与地之间并联去耦电容C4；运算放大器的负电源输入端接供电输入端6第三端并与地之间并联去耦电容C5；电阻R2的a端与运算放大器的a端相连，电阻R2的b端与电感L2的a端相连，电感L2与电容C2的a端相连后输出，电容C2的b端接地；交流导线1穿过硅钢环形开口磁环4，缠绕在硅钢环形开口磁环4上的交流磁通抵消线圈5产生感应电流，感应电流经低损耗阻尼电路3衰减，交流电流中的低频电流分量在硅钢环形开口磁环4中产生磁通，霍尔效应传感器4通过放置在硅钢环形开口磁环4的气隙中检测磁通密度，将磁通密度转换成电压信号从输出端输出到电阻R3的a端，电阻R3的b端与电阻R4的a端相连接到运算放大器正向输入端，电阻R4的b端接地；运算放大器的反向输入端接到电阻R5的a端，电阻R5的b端与电阻R6相连接到地端，电阻R6的b端接到运算放大器输出端，实现电压放大；电阻R2的a端与运算放大器输出端相连，电阻R2的b端与电感L2的a端相连，电感L2与电容C2的a端相连接到输出端子12的a端，电容C2的b端和输出端子12的b端接地。
通过测量输出端子12两端的电压值，电压值越大，说明交流电流中的直流电流分量越大。该电压值除以放大电路8的放大倍数，再除以霍尔效应传感器2的标定系数，得到的值就是直流偏置电流值。
进一步地，所述的电压转换电路7采用三端线性稳压器CJ78L05。
进一步地，所述的霍尔效应传感器4采用线性霍尔效应传感器DRV5055A1。
进一步地，所述的电压放大电路8中的运算放大器采用±15V双电源供电的运算放大器LT1001，此电路设计为正向比例放大电路。
进一步地，所述的霍尔效应传感器2要置于硅钢环形开口磁环4的开口中，使霍尔效应传感器2可以更准确测得直流偏置电流产生的磁通量。
实施例2：
为了进一步描述直流偏置电流检测装置及其方法中的间接检测方法，下面结合图3作具体介绍。该装置由霍尔效应传感器2、低损耗阻尼电路3、硅钢环形开口磁环4、交流磁通抵消线圈5、供电输入端6、电压转换电路7、运算放大器8、功率放大电路9、直流补偿线圈10、滤波电路11、输出端子12组成。
所述的供电输入端6，是一个三端底座，第一端接+15V电源、第三端接-15V电源，第二端+15V和-15V电源的地，其中第一端与地之间并联滤波电容C6，第三端与地之间并联滤波电容C7；电压转换电路7，包含线性稳压器，线性稳压器的输入端与供电输入端6第一端相连并与地之间并联滤波电容C8，线性稳压器的输出端输出5V并于地之间并联滤波电容C9，且线性稳压器的输出端与霍尔效应传感器2电源输入端相连；霍尔效应传感器2电源输入端接线性稳压器的输出端并于地之间并联去耦电容C3；低损耗阻尼电路3中电阻R1的a端与电感L1的a端相连，电容C1的a端与电阻R1的b端相连，电容C1的b端与电感L1的b端相连；电压放大电路8中电阻R3的a端接霍尔效应传感器2的输出端，电阻R3的b端与电阻R4的a端相连接到运算放大器正向输入端，电阻R4的b端接地；电阻R5的a端与运算放大器反向输入端相连，电阻R5的b端与电阻R6的a端相连接地电阻，R6的b端接到运算放大器输出端；运算放大器的正电源输入端接供电输入端6第一端并与地之间并联去耦电容C4；运算放大器的负电源输入端接供电输入端6第三端并与地之间并联去耦电容C5；运算放大器的输出端与电阻R7的a端相连，功率放大电路9中Q1为NPN型三极管，Q2为PNP型三极管；Q1的基极与Q2的基极相连接到R7的b端，Q1的集电极接供电输入端6第一端，Q2的集电极接供电输入端6第三端电压；Q1的发射极与Q2的发射极相连，后与直流电流补偿线圈10的a端相连；滤波电路11是RLC二阶低通滤波电路，电阻R2的a端与电阻Ra的a端相连，接到直流电流补偿线圈10的b端，电阻Ra的b端接地，电阻R2的b端与电感L2的a端相连，电感L2与电容C2的a端相连后输出，电容C2的b端接地；交流导线1穿过硅钢环形开口磁环4，缠绕在硅钢环形开口磁环4上的交流磁通抵消线圈5产生感应电流，感应电流经低损耗阻尼电路3衰减，交流电流中的低频电流分量在硅钢环形开口磁环4中产生磁通，霍尔效应传感器4通过放置在硅钢环形开口磁环4的气隙中检测磁通密度，将磁通密度转换成电压信号从输出端输出到电阻R3的a端，电阻R3的b端与电阻R4的a端相连接到运算放大器正向输入端，电阻R4的b端接地；运算放大器的反向输入端接到电阻R5的a端，电阻R5的b端与电阻R6相连接到地端，电阻R6的b端接到运算放大器输出端，实现电压放大作用；电阻R7的a端接到运算放大器的输出端，Q1的基极与Q2的基极相连接到R7的b端，Q1的集电极接供电输入端6第一端，Q2的集电极接供电输入端6第三端；Q1的发射极与Q2的发射极相连，后与直流电流补偿线圈10的a端相连；电阻R2的a端与Ra的a端相连，接到直流电流补偿线圈10的b端，电阻Ra的b端接地，电阻R2的b端与电感L2的a端相连，电感L2与电容C2的a端相连接到输出端子12的a端，电容C2的b端接地，输出端子12的的b端接地。
通过测量输出端子12两端的电压值，电压值越大，说明交流电流中的直流电流分量越大。该电压值除以电阻Ra的阻值，得到的值就是直流偏置电流值。
进一步地，所述的电压转换电路7采用三端线性稳压器CJ78L05。
进一步地，所述的霍尔效应传感器4采用线性霍尔效应传感器DRV5055A1。
进一步地，所述的电压放大电路8中的运算放大器采用±15V双电源供电的运算放大器LT1001，此电路设计为正向比例放大电路。
进一步地，所述的霍尔效应传感器2要置于硅钢环形开口磁环4的开口中，使霍尔效应传感器2可以更准确测得直流偏置电流产生的磁通量。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下实现各种变化。
Claims (9)
1.一种直流偏置电流检测装置，由交流导线(1)、霍尔效应传感器(2)、低损耗阻尼电路(3)、交流磁通抵消线圈(4)、硅钢环形开口磁环(5)、供电输入端(6)、电压转换电路(7)、电压放大电路(8)、滤波电路(11)和输出端子(12)组成，其特征在于，所述的交流导线(1)贯穿硅钢环形开口磁环(5)；所述的交流磁通抵消线圈(4)缠绕在硅钢环形开口磁环(5)上；所述的霍尔效应传感器(2)置于硅钢环形开口磁环(5)的开口气隙中；所述的低损耗阻尼电路(3)与交流磁通抵消线圈(4)并联；所述的供电输入端(6)分别与电压转换电路(7)和电压放大电路(8)相连，并提供±15V电压；电压转换电路(7)与霍尔效应传感器(2)相连，为其提供5V电压；霍尔效应传感器(2)的输出端与电压放大电路(8)输入端相连；电压放大电路(8)的输出端与滤波电路(11)相连，所述的输出端子(12)并联在滤波电路(11)两端并输出电压。
2.根据权利要求1所述的一种直流偏置电流检测装置，其特征在于，还包括功率放大电路(9)、直流电流补偿线圈(10)、电阻Ra，所述的直流电流补偿线圈(10)缠绕在硅钢环形开口磁环(5)上；电压放大电路(8)的输出端与功率放大电路(9)相连；功率放大电路(9)的输出端与直流电流补偿线圈(10)的a端相连，直流电流补偿线圈(10)的b端接电阻Ra的a端，电阻Ra的b端接地；滤波电路(11)并联在电阻Ra两端。
3.根据权利要求1所述的一种直流偏置电流检测装置，其特征在于，所述的供电输入端(6)是一个三端底座，第一端接+15V电源、第三端接-15V电源，第二端接+15V和-15V电源的地，其中第一端与地之间并联滤波电容C6，第三端与地之间并联滤波电容C7。
4.根据权利要求1所述的一种直流偏置电流检测装置，其特征在于，所述的电压转换电路(7)由线性稳压器、滤波电容C8和滤波电容C9组成，线性稳压器的输入端与供电输入端(6)第一端相连并与地之间并联滤波电容C8，线性稳压器的输出端与地之间并联滤波电容C9，线性稳压器的输出端输出5V电压，且线性稳压器的输出端与霍尔效应传感器(2)电源输入端相连。
5.根据权利要求1所述的一种直流偏置电流检测装置，其特征在于，所述的霍尔效应传感器(2)由霍尔效应传感器和去耦电容C3组成，霍尔效应传感器(2)电源输入端与地之间并联去耦电容C3。
6.根据权利要求1所述的一种直流偏置电流检测装置，其特征在于，所述的低损耗阻尼电路(3)由电阻R1、电感L1、电容C1，电阻R1的a端与电感L1的a端相连，电容C1的a端与电阻R1的b端相连，电容C1的b端与电感L1的b端相连。
7.根据权利要求1所述的一种直流偏置电流检测装置，其特征在于，所述的电压放大电路(8)由运算放大器、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、去耦电容C4和去耦电容C5组成，电阻R3的a端接霍尔效应传感器(2)的输出端，电阻R3的b端与R4的a端相连接到运算放大器正向输入端，电阻R4的b端接地；电阻R5的a端与运算放大器反向输入端相连，电阻R5的b端与电阻R6的a端相连接地，电阻R6的b端接到运算放大器输出端；运算放大器的正电源输入端与供电输入端(6)第一端相连并与地之间并联去耦电容C4；运算放大器的负电源输入端与供电输入端(6)第三端相连并与地之间并联去耦电容C5。
8.根据权利要求2所述的一种直流偏置电流检测装置，其特征在于，所述的功率放大电路(9)由NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2和电阻R7组成，电阻R7的a端接运算放大器的输出端，Q1的基极与Q2的基极相连接到R7的b端，Q1的集电极接供电输入端(6)第一端，Q2的集电极接供电输入端(6)第三端；Q1的发射极与Q2的发射极相连接到直流电流补偿线圈(10)的a端。
9.根据权利要求1或2所述的一种直流偏置电流检测装置，其特征在于，所述的滤波电路(11)是由电阻R2、电感L2和电容C2组成的RLC二阶低通滤波器，电阻R2的a端与Ra的a端相连接到直流电流补偿线圈(10)的b端，电阻Ra的b端接地，电阻R2的b端与电感L2的a端相连，电感L2的b端与电容C2的a端相连，C2的b端接地。
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