CN112986654A - 一种宽频带交直流的电流测量装置 - Google Patents

一种宽频带交直流的电流测量装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种宽频带交直流的电流测量装置，包括两个铁芯骨架、一个非磁性骨架、四个绕组以及附属的补偿电路；结合了双铁芯结构自激振荡磁通门传感器及罗氏线圈电流传感器结构，配合直流磁通补偿电路，可以完成交流电流检测，也可以完成直流电流检测，利用双铁心结构磁通门法电流传感器测量低频率电流，利用罗氏线圈电流传感器测量工频电流，大大扩宽了电流测量带宽，且对于含有直流分量的交流电流检测精度优于电磁式电流传感器。同时在测量低频电流时，通过直流磁势补偿及调整激磁频率的方法，可有效提高低频电流测量的精度。从而解决了现有技术对交直流电流测量时，不能同时兼顾对高低频的交直流电流测量且测量误差较大的技术问题。

Description

一种宽频带交直流的电流测量装置
技术领域
本申请涉及电力检测技术领域，尤其涉及一种宽频带交直流的电流测量装置。
背景技术
近年来随着交直流配电网的发展，尤其是交流电网中的非线性负荷不断增加，在交流电网中出现了直流分量。交直流电流同时测量的场景越来越多，包括电动汽车充电桩内部交直流检测，半波电流检测装置等等。电流检测范围不局限于原本的工频电流，扩展到了低频电流及直流分量。因此对于宽频带交直流的准确测量再度成为热点之一。
传统的电流测量装置如电磁式电流互感器(ICT)等，由于一次侧恒定直流的影响，使得铁芯的工作状态趋于饱和，铁芯磁化曲线畸变，导致在直流分量下，对交流电流测量的误差非常大。传统的直流检测装置如直流互感器，由于在一次电流中存在交流分量时，磁调制器受限于调制频率以及信号解调方法的限制，无法完成交直流电流的同时检测。而现有的交直流检测装置，如霍尔式交直流电流传感器，受到霍尔元件本身材料特性及开口铁芯漏磁通的影响，导致对低频电流测量误差非常大。
发明内容
本申请的目的在于提供一种宽频带交直流的电流测量装置，用于解决现有技术对交直流电流测量时，不能同时兼顾对高低频交直流电流测量且测量误差较大的技术问题。
有鉴于此，本申请提供了一种宽频带交直流的电流测量装置，所述装置包括：非磁性材料骨架(C0)以及对应的第一补偿电路、铁芯骨架(C1)和铁芯骨架(C2)以及对应的第二补偿电路；
所述第一补偿电路包括：绕组(W0)、采样电阻(RS0)、信号处理电路(A0)、运算放大电路(U0)、终端测量电阻(RM1)；
所述绕组(W0)均匀环绕在所述非磁性材料骨架上；所述采样电阻(RS0) 的两端分别连接于所述绕组(W0)的两端；所述信号处理电路(A0)的第一端连接于所述绕组(W0)的一端，第二端连接于所述运算放大电路(U0)的第一端；所述运算放大电路(U0)的第二端与所述终端测量电阻(RM1)相连；
所述第二补偿电路包括：激励绕组(W1)、激励绕组(W2)、二次绕组(WS)、运算放大电路(U1)、运算放大电路(U2)、误差控制电路(U3)、采样电阻(RS1)、采样电阻(RS2)、终端测量电阻(RM2)、信号处理电路(A1)；
所述激励绕组(W1)均匀环绕在所述铁芯骨架(C1)，所述激励绕组(W2) 均匀环绕在所述铁芯骨架(C2)，所述二次绕组(WS)均匀缠绕在所述铁芯骨架(C1)和所述铁芯骨架(C2)；
所述激励绕组(W1)的一端均与所述采样电阻(RS1)和所述运算放大电路(U1)的第一端连接，另一端与所述运算放大电路(U2)的第一端相连；所述运算放大电路(U2)的第二端与所述激励绕组(W2)的一端相连，所述激励绕组(W2)的另一端均与所述采样电阻(RS2)和所述信号处理电路(A1) 的第一端相连；所述采样电阻(RS1)和所述运算放大电路(U1)的第一端均与所述信号处理电路(A1)的第一端相连；所述误差控制电路(U3)的第一端与所述信号处理电路(A1)的第二端相连，第二端与所述二次绕组(WS) 的一端相连；所述二次绕组(WS)的另一端与所述终端测量电阻(RM2)相连。
可选地，所述非磁性材料骨架(C0)、所述铁芯骨架(C1)和所述铁芯骨架(C2)均为圆环形状且圆心在同一轴上。
可选地，所述铁芯骨架(C1)和所述铁芯骨架(C2)的材质相同且几何参数一致。
可选地，所述采样电阻(RS1)和所述采样电阻(RS2)的阻值相等且温度系数相同。
可选地，所述运算放大电路(U0)为常规比例放大电路。
可选地，所述运算放大电路(U1)和所述运算放大电路(U2)均为单位比例放大电路。
可选地，所述误差控制电路(U3)包括：比例积分放大电路和功率放大电路。
可选地，所述信号处理电路(A0)为低通滤波电路，且截止频率大于50Hz；所述信号处理电路(A1)为低通滤波电路，且截止频率小于50Hz。
可选地，所述终端测量电阻(RM1)和所述终端测量电阻(RM2)均为高精度且低温漂的电阻。
可选地，所述激励绕组(W1)和所述激励绕组(W2)的匝数与尺寸一致，且选用相同规格漆包线。
与现有技术相比，本申请的优点在于：
本申请提供的宽频带交直流的电流测量装置，包括两个铁芯骨架、一个非磁性骨架、四个绕组以及附属的补偿电路；结合了双铁芯结构自激振荡磁通门传感器及罗氏线圈电流传感器结构，配合直流磁通补偿电路，可以完成交流电流检测，也可以完成直流电流检测，利用双铁心结构磁通门法电流传感器测量低频率电流，利用罗氏线圈电流传感器测量工频电流，大大扩宽了电流测量带宽，且对于含有直流分量的交流电流检测精度优于电磁式电流传感器。同时在测量低频电流时，通过直流磁势补偿及调整激磁频率的方法，可有效提高低频电流测量的精度。从而解决了现有技术对交直流电流测量时，不能同时兼顾对高低频的交直流电流测量且测量误差较大的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种宽频带交直流的电流测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种宽频带交直流的电流测量装置的结构示意图。
本申请实施例一提供了一种宽频带交直流的电流测量装置，包括：非磁性材料骨架C0以及对应的第一补偿电路、铁芯骨架C1和铁芯骨架C2以及对应的第二补偿电路。
需要说明的是，非磁性材料骨架C0以及对应的第一补偿电路类似于罗氏线圈电流传感器结构，为高频电路测量模块；而铁芯骨架C1和铁芯骨架C2 以及对应的第二补偿电路类似于双铁芯结构自激振荡磁通门传感器，为低频电流测量模块。
第一补偿电路包括：绕组W0、采样电阻RS0、信号处理电路A0、运算放大电路U0、终端测量电阻RM1。
需要说明的是，绕组W0的匝数根据实际测试时的交流检测带宽及罗氏线圈电流传感器的灵敏度设定。
绕组W0均匀环绕在非磁性材料骨架上；采样电阻RS0的两端分别连接于绕组W0的两端；信号处理电路A0的第一端连接于绕组W0的一端，第二端连接于运算放大电路U0的第一端；运算放大电路U0的第二端与终端测量电阻RM1相连。
第二补偿电路包括：激励绕组W1、激励绕组W2、二次绕组WS、运算放大电路U1、运算放大电路U2、误差控制电路U3、采样电阻RS1、采样电阻RS2、终端测量电阻RM2、信号处理电路A1。
激励绕组W1均匀环绕在铁芯骨架C1，激励绕组W2均匀环绕在铁芯骨架 C2，二次绕组WS均匀缠绕在铁芯骨架C1和铁芯骨架C2。
激励绕组W1的一端均与采样电阻RS1和运算放大电路U1的第一端连接，另一端与运算放大电路U2的第一端相连；运算放大电路U2的第二端与激励绕组W2的一端相连，激励绕组W2的另一端均与采样电阻RS2和信号处理电路A1的第一端相连；采样电阻RS1和运算放大电路U1的第一端均与信号处理电路A1的第一端相连；误差控制电路U3的第一端与信号处理电路A1的第二端相连，第二端与二次绕组WS的一端相连；二次绕组WS的另一端与终端测量电阻RM2相连。
本申请实施例提供的宽频带交直流的电流测量装置，包括两个铁芯骨架、一个非磁性骨架、四个绕组以及附属的补偿电路；结合了双铁芯结构自激振荡磁通门传感器及罗氏线圈电流传感器结构，配合直流磁通补偿电路，可以完成交流电流检测，也可以完成直流电流检测，利用双铁心结构磁通门法电流传感器测量低频率电流，利用罗氏线圈电流传感器测量工频电流，大大扩宽了电流测量带宽，且对于含有直流分量的交流电流检测精度优于电磁式电流传感器。同时在测量低频电流时，通过直流磁势补偿及调整激磁频率的方法，可有效提高低频电流测量的精度。从而解决了现有技术对交直流电流测量时，不能同时兼顾对高低频的交直流电流测量且测量误差较大的技术问题。
在实施例一的基础上，进一步地，非磁性材料骨架C0、铁芯骨架C1和铁芯骨架C2均为圆环形状且圆心在同一轴上。
需要说明的是，如图1所示，本申请实施例的三个骨架均为圆环形状且圆心在同一轴上，图1中的IP为测量的电流。
在实施例一的基础上，进一步地，铁芯骨架C1和铁芯骨架C2的材质相同且几何参数一致。
需要说明的是，铁芯骨架C1和铁芯骨架C2不但材质相同且几何参数一致，而且选用同一批次出厂的铁芯材料。
在实施例一的基础上，进一步地，采样电阻RS1和采样电阻RS2的阻值相等且温度系数相同。
在实施例一的基础上，进一步地，运算放大电路U0为常规比例放大电路。
需要说明的是，本申请实施例的运算放大电路U0为常规比例放大电路，其放大倍数的大小根据实际测试需要的灵敏度进行设定。
在实施例一的基础上，进一步地，运算放大电路U1和运算放大电路U2均为单位比例放大电路。
需要说明的是，本申请实施例的运算放大电路U1和运算放大电路U2均为单位比例放大电路，二者的输出电压大小与激磁频率密切相关。
在实施例一的基础上，进一步地，误差控制电路U3包括：比例积分放大电路和功率放大电路。
在实施例一的基础上，进一步地，信号处理电路A0为低通滤波电路，且截止频率大于50Hz；信号处理电路A1为低通滤波电路，且截止频率小于50Hz。
在实施例一的基础上，进一步地，终端测量电阻RM1和终端测量电阻RM2均为高精度且低温漂的电阻。
需要说明的是，为了提高测量精度，本申请将终端测量电阻RM1和终端测量电阻RM2均设置为高精度且低温漂的电阻，二者的阻值根据二次电流的大小设定。
在实施例一的基础上，进一步地，激励绕组W1和激励绕组W2的匝数与尺寸一致，且选用相同规格漆包线。
需要说明的是，本申请实施例的激励绕组W1和激励绕组W2选用同种规格漆包线，且二者的匝数与尺寸一致，对于匝数的大小本领域技术人员可以根据实际的激磁调制频率进行设置。
以下为本申请提供的宽频带交直流的电流测量装置的测量原理分析：
当一次电流为ip(t),幅值大小为Ip，匝数为Np，频率大小为f1，二次电流为is(t),幅值大小为Is，绕组W0匝数为N0，满足RS0<<绕组W0感性阻抗时，基于罗氏线圈电流传感器的高频电路测量模块流经采样电阻RS0的电流信号满足：
Figure RE-GDA0003041721970000071
假设放大电路U0放大倍数为K0,低通滤波电路A0截止频率f0，经过低通滤波及放大电路放大后，其在终端测量电阻RM1输出电压为：
Figure RE-GDA0003041721970000072
当一次电流为ip(t),幅值大小为Ip，匝数为Np，频率大小为f2，二次电流为is(t),幅值大小为Is，绕组W1匝数为N1，绕组W2匝数为N2，基于双铁芯结构自激振荡磁通门传感器的低频电流测量模块于采样电阻RS1的电流信号满足：
其中一次电流为ip(t)与二次电流为is(t)关系为：
Figure RE-GDA0003041721970000073
N1＝N2
经过低通滤波电路电路A1截止频率为fL后，其滤波信号输出为：
Figure RE-GDA0003041721970000074
经误差控制电路U3进行误差控制后，其在终端测量电阻RM2上输出电压为：
Figure RE-GDA0003041721970000075
其中Ns为基于双铁芯结构自激振荡磁通门传感器的低频电流测量模块二次绕组Ws的匝数，fex为基于双铁芯结构自激振荡磁通门传感器的激磁频率大小。
为了进一步说明本方案提出的一种新型结构的宽频带交直流电流传感器的电流测量原理及宽频带特性，从三种典型电流场景进行描述：
当一次电流为直流电流，即fip＝0时，直流电流不满于电磁感应定律，此时基于罗氏线圈电流传感器的高频电路测量模块不工作，输出为0，由基于双铁芯结构自激振荡磁通门传感器的低频电流测量模块完成电流测量，此时通过参数设计使基于双铁芯结构自激振荡磁通门传感器的低频电流测量模块满足正负交替饱和工作模式，则由终端测量电阻RM2输出电压反推一次电流大小其满足：
Figure RE-GDA0003041721970000081
当一次电流为低频交流电流时，由于基于罗氏线圈电流传感器的高频电路测量模块输出电压大小与一次电流变化率成正比，因此直接用罗氏线圈电流传感器的高频电路测量模块进行电流测量，误差将会增大。本案采取基于双铁芯结构自激振荡磁通门传感器的低频电流测量模块进行低频电流检测，通过选择合适的铁芯材料及尺寸，并设计相应绕组匝数，可对基于双铁芯结构自激振荡磁通门传感器的激磁频率fex进行设计，其带宽为fex/2。此时通过参数设计使基于双铁芯结构自激振荡磁通门传感器的低频电流测量模块满足正负交替饱和工作模式，则由终端测量电阻RM2输出电压反推一次电流大小其满足：
Figure RE-GDA0003041721970000082
当一次电流为高频交流电流时，受基于双铁芯结构自激振荡磁通门传感器的低频电流测量模块自身检测带宽限制，对于电流频率高于fex/2的高频成分无法准确测量，因此采用基于罗氏线圈电流传感器的高频电路测量模块进行高频电流检测，此时通过参数设计使罗氏线圈电流传感器满足自积分工作模式，由终端测量电阻RM1输出电压反推一次电流大小其满足：
Figure RE-GDA0003041721970000083
因此本方案提出的一种新型结构的宽频带交直流电流传感器输出可描述为：
Figure RE-GDA0003041721970000084
本方案提出的新型结构的宽频带交直流电流传感器，在低端很好地解决了传统罗氏线圈电流互感器低频测量不准的问题；同时通过基于罗氏线圈电流传感器的高频电路测量模块配合基于双铁芯结构自激振荡磁通门传感器的低频电流测量模块扩宽了整体样机的检测带宽，相比于相同参数传统双铁芯结构自激振荡磁通门传感器，其在高频电流检测上精度大大提升；同时当一次电流中含有直流分量时，本方案提出的宽频带交直流电流传感器可完成一次电流中交流分量的检测。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或 c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种宽频带交直流的电流测量装置，其特征在于，包括：非磁性材料骨架(C0)以及对应的第一补偿电路、铁芯骨架(C1)和铁芯骨架(C2)以及对应的第二补偿电路；
所述第一补偿电路包括：绕组(W0)、采样电阻(RS0)、信号处理电路(A0)、运算放大电路(U0)、终端测量电阻(RM1)；
所述绕组(W0)均匀环绕在所述非磁性材料骨架上；所述采样电阻(RS0)的两端分别连接于所述绕组(W0)的两端；所述信号处理电路(A0)的第一端连接于所述绕组(W0)的一端，第二端连接于所述运算放大电路(U0)的第一端；所述运算放大电路(U0)的第二端与所述终端测量电阻(RM1)相连；
所述第二补偿电路包括：激励绕组(W1)、激励绕组(W2)、二次绕组(WS)、运算放大电路(U1)、运算放大电路(U2)、误差控制电路(U3)、采样电阻(RS1)、采样电阻(RS2)、终端测量电阻(RM2)、信号处理电路(A1)；
所述激励绕组(W1)均匀环绕在所述铁芯骨架(C1)，所述激励绕组(W2)均匀环绕在所述铁芯骨架(C2)，所述二次绕组(WS)均匀缠绕在所述铁芯骨架(C1)和所述铁芯骨架(C2)；
所述激励绕组(W1)的一端均与所述采样电阻(RS1)和所述运算放大电路(U1)的第一端连接，另一端与所述运算放大电路(U2)的第一端相连；所述运算放大电路(U2)的第二端与所述激励绕组(W2)的一端相连，所述激励绕组(W2)的另一端均与所述采样电阻(RS2)和所述信号处理电路(A1)的第一端相连；所述采样电阻(RS1)和所述运算放大电路(U1)的第一端均与所述信号处理电路(A1)的第一端相连；所述误差控制电路(U3)的第一端与所述信号处理电路(A1)的第二端相连，第二端与所述二次绕组(WS)的一端相连；所述二次绕组(WS)的另一端与所述终端测量电阻(RM2)相连。
2.根据权利要求1所述的宽频带交直流的电流测量装置，其特征在于，所述非磁性材料骨架(C0)、所述铁芯骨架(C1)和所述铁芯骨架(C2)均为圆环形状且圆心在同一轴上。
3.根据权利要求1所述的宽频带交直流的电流测量装置，其特征在于，所述铁芯骨架(C1)和所述铁芯骨架(C2)的材质相同且几何参数一致。
4.根据权利要求1所述的宽频带交直流的电流测量装置，其特征在于，所述采样电阻(RS1)和所述采样电阻(RS2)的阻值相等且温度系数相同。
5.根据权利要求1所述的宽频带交直流的电流测量装置，其特征在于，所述运算放大电路(U0)为常规比例放大电路。
6.根据权利要求1所述的宽频带交直流的电流测量装置，其特征在于，所述运算放大电路(U1)和所述运算放大电路(U2)均为单位比例放大电路。
7.根据权利要求1所述的宽频带交直流的电流测量装置，其特征在于，所述误差控制电路(U3)包括：比例积分放大电路和功率放大电路。
8.根据权利要求1所述的宽频带交直流的电流测量装置，其特征在于，所述信号处理电路(A0)为低通滤波电路，且截止频率大于50Hz；所述信号处理电路(A1)为低通滤波电路，且截止频率小于50Hz。
9.根据权利要求1所述的宽频带交直流的电流测量装置，其特征在于，所述终端测量电阻(RM1)和所述终端测量电阻(RM2)均为高精度且低温漂的电阻。
10.根据权利要求1所述的宽频带交直流的电流测量装置，其特征在于，所述激励绕组(W1)和所述激励绕组(W2)的匝数与尺寸一致，且选用相同规格漆包线。
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