CN114174848B - 降低磁通门电流互感器中的噪声的方法 - Google Patents

降低磁通门电流互感器中的噪声的方法 Download PDF

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Abstract

磁通门电流互感器(2)包括磁通门设备(3)以及处理电路(5)，磁通门设备(3)包括可饱和软磁芯(4)和励磁线圈(6)，处理电路(5)包括控制电路(7)和连接到控制电路的用于在励磁线圈中产生交流电的电压发生器(9)，电压发生器产生在最大正电压(+Umax)和最大负电压(‑Umax)之间振荡的被配置为交替地使软磁芯(4)饱和的电压。控制电路(7)被配置为在检测到励磁线圈电流达到阈值电流(S3)之后的可变时间窗口(Tn，Tn+1，Tn+2，Tn+3)期间产生幅度的绝对值小于所述最大正电压(+Umax)和所述最大负电压(‑Umax)电压的绝对值的电压，阈值电流表示在多个交替电压周期(P)的至少子集期间磁芯的饱和。

Description

降低磁通门电流互感器中的噪声的方法
本发明涉及磁通门电流互感器和操作磁通门电流互感器的方法。
磁通门电流互感器是众所周知的并且用于许多电流感测应用中。磁通门电流互感器通常包括磁场检测器，该磁场检测器具有被带有Ne个绕组的励磁线圈6包围的可饱和软磁芯4(参见图1)。励磁线圈与具有Nm个绕组的补偿线圈或测量线圈8磁耦合。这种布置具有变压器的特性。在许多磁通门互感器中，承载待测电流的初级导体延伸穿过磁场检测器的中心通道。在闭环互感器中，存在磁耦合到磁场检测器并在反馈电路中连接到信号处理电路的补偿线圈，补偿线圈试图抵消由初级导体产生的磁场。这种布置是众所周知的。也可以以开环方式使用磁通门，由此没有补偿线圈并且只有承载待测电流的初级导体(由测量线圈8表示)。但是，鉴于磁通门磁场检测器的高灵敏度，它们主要用于闭环配置。
例如在图2a和图2b中所示的磁通门电流互感器的各种电路配置是已知的。通常，这种互感器包括控制电路7，该控制电路7向电压发生器9产生电压控制输出10，该电压发生器9输出基本上方形的振荡励磁线圈电压。如图3中所示，基本上方形或梯形的电压信号在最大负值-U'max和最大正值+U'max之间振荡。
励磁线圈电压交替地使磁通门设备3的软磁芯4饱和，由此该饱和影响占空比的定时t1'、t2'。诸如由承载待测电流的初级导体产生的磁场导致可饱和软磁芯在一个方向上比在另一个方向上更快地饱和，从而导致正和负电压信号的持续时间不对称。定时t1'/t2'的持续时间提供了外部磁场幅度的测量，并且因此可以用于确定待测电流的幅度和方向。这样的原理是众所周知的。
如参考图3最好看到的，图3描绘了基本为0的外部场的励磁线圈电流的绝对值(正值)，在半周期的初始阶段S1'期间，励磁线圈电流Imeas一直上升到其中磁芯进入饱和的阶段S2'，直到控制电路检测到阈值饱和并反转供应励磁线圈6的电压发生器9的电压的阈值点S3'为止。
如图4中最好地示出的，施加在励磁线圈上的励磁信号在连接到补偿或测量线圈的用户网络上产生噪声，由此在某些情况下，这些干扰的幅度超过电磁和电磁兼容性(EMI/EMC)标准。可以通过降低施加在励磁线圈上的交替电压的幅度来降低噪声，但是这也会通过增加测量输出的噪声与信号比而影响了测量准确度。
鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供一种磁通门电流互感器和一种操作磁通门电流互感器的方法，其具有高测量信噪比，但在电流互感器连接到用户网络时产生低电磁干扰。特别地，电磁干扰应该低于与电磁干扰和电磁兼容性标准(EMI/EMC标准)对应的阈值。
有利的是提供一种具有成本效益且可靠的磁通门电流互感器。
有利的是提供一种易于安装和操作的磁通门电流互感器。
本发明的目的已经通过提供根据权利要求1的磁通门电流互感器和根据权利要求10的操作磁通门电流互感器的方法来实现。
本文公开了一种磁通门电流互感器，包括：磁通门设备以及处理电路，该磁通门设备包括可饱和软磁芯和励磁线圈，该处理电路包括控制电路和连接到控制电路的用于在励磁线圈中产生交流电的电压发生器，电压发生器产生在最大正电压(+Umax)和最大负电压(-Umax)之间振荡的被配置为交替地使软磁芯饱和的电压。控制电路被配置为在检测到励磁线圈电流达到阈值电流(S3)之后的可变时间窗口(Tn，Tn+1，Tn+2，Tn+3)期间产生幅度的绝对值小于所述最大正电压(+Umax)和所述最大负电压(-Umax)电压的绝对值的电压，阈值电流表示在多个交替电压周期(P)的至少子集期间磁芯的饱和。
与常规解决方案相比，可变时间窗有利地具有传播谐波以降低EMI噪声并因此允许电流互感器具有增加的测量信噪比但产生低电磁干扰的效果。
在有利的实施例中，控制电路被配置为产生在可变时间窗口期间基本恒定的设定电压。
在有利的实施例中，设定电压为零或绝对值小于所述最大电压(+Umax，-Umax)的绝对值的50％的非零电压。
在有利的实施例中，控制电路被配置为在每个交替激励电压周期产生至少一个可变时间窗口。
在有利的实施例中，可变时间窗口出现在每半个交替电压周期(P)。
在另一个实施例中，可变时间窗口被配置为在多个周期上间歇地出现。
在有利的实施例中，在可变时间窗口期间设置的电压基本上是恒定的。
在另一个实施例中，在可变时间窗口期间设置的电压是非恒定的。
在有利的实施例中，控制电路设在现场可编程门阵列(FPGA)中。在其它实施例中，控制电路也可以设在微处理器、微控制器或ASIC中。
本文还公开了一种操作磁通门电流互感器的方法，该磁通门电流互感器包括磁通门设备以及处理电路，该磁通门设备包括可饱和软磁芯和励磁线圈，该处理电路包括控制电路和连接到控制电路的用于在励磁线圈中产生交流电的电压发生器，电压发生器产生在最大正电压(+Umax)和最大负电压(-Umax)之间振荡的被配置为交替地使软磁芯饱和的电压。控制电路在检测到励磁线圈电流达到阈值电流(S3)之后的可变时间窗口(Tn，Tn+1，Tn+2，Tn+3)期间产生幅度的绝对值小于所述最大正电压(+Umax)和所述最大负电压(-Umax)电压的绝对值的电压，阈值电流表示在多个交替电压周期(P)的至少子集期间磁芯的饱和。
在有利的实施例中，控制电路产生在可变时间窗口期间基本恒定的设定电压。
在有利的实施例中，设定电压为零或绝对值小于所述最大电压(+Umax，-Umax)的绝对值的50％的非零电压。
在有利的实施例中，控制电路在每个交替激励电压周期产生至少一个可变时间窗口。
在有利的实施例中，可变时间窗口出现在每半个交替电压周期(P)。
在另一个实施例中，可变时间窗口在多个周期内间歇地出现。
从权利要求、详细描述和附图中，本发明的其它目的和有利特征将是清楚的，其中：
图1是磁通门电流互感器的常规磁通门测量头的示意性简化视图；
图2a和图2b示出了常规磁通门电流互感器的示意电路图；
图3示出了常规磁通门电流互感器的励磁线圈中电压和电流随时间变化的曲线图；
图4示意性地图示了连接到用户网络的常规磁通门电流互感器的测量输出的频谱；
图5示出了根据本发明的实施例的磁通门电流互感器的励磁线圈中的电压和电流随时间变化的曲线图；
图5a和图5b示意性地图示了根据本发明的实施例的磁通门电流互感器的励磁线圈电压的其它实施例；
图6示出了根据本发明的实施例的磁通门电流互感器的示意电路图；
图7图示了由连接到用户网络的常规磁通门电流互感器输出的EMI噪声的随时间变化的幅度；
图8图示了由根据本发明的实施例的连接到用户网络的磁通门电流互感器输出的EMI噪声的随时间变化的幅度。
参考图5和图6，根据本发明的实施例的磁通门电流互感器2包括以磁通门测量头3形式的磁场检测器，以及连接到磁通门测量头的信号处理电路5。
磁通门测量头3可以具有在磁通门磁场检测器领域中本身已知的各种配置，这样的配置至少包括可饱和软磁芯4和带有Ne个绕组的围绕磁芯缠绕的励磁线圈6。
磁通门电流互感器还可以包括带有Nm个绕组的补偿线圈8，其磁耦合到励磁线圈6和可饱和软磁芯4。补偿线圈8可以在反馈回路中连接到处理电路5，以便产生磁场，该磁场试图抵消由承载待测电流的初级导体产生的磁场。前述闭环磁通门互感器的原理本身是众所周知的并且不需要在本文详细描述。
在替代实施例中，磁通门电流互感器可以是没有补偿线圈的开环互感器，在这种情况下，励磁线圈6和可饱和软磁芯4之间的耦合直接耦合到测量线圈8，该测量线圈8可以直接穿过磁芯和励磁线圈的中心通道并且可以具有由数字Nm表示的多个绕组。
处理电路5包括命令或控制电路7和电压发生器9。
控制电路7包括电压控制输出10，其控制电压发生器9以便为励磁线圈产生交替电压信号。处理电路还包括励磁线圈测量电路12和为用户输出测量信号的互感器测量输出端14。由控制电路输出的测量信号表示互感器旨在测量的初级导体中流动的初级电流值。
如图6的实施例中所示的一般电路布局本身是已知的，并且在本发明的范围内可以使用其它本身已知的磁通门电路布局。但是，根据本发明，控制电路7被配置为向电压发生器9产生电压输出命令信号，该电压输出命令信号在半磁通门周期(循环)结束处的电压反转之间在电压信号中包括时延Tn、Tn+1、Tn+2、Tn+3。
处理电路5例如可以在信号处理电路领域中本身众所周知的FPGA(现场可编程门阵列)中实现。在其它实施例中，处理电路5也可以在微处理器、微控制器或ASIC(专用集成电路)中实现。
如在图5中最好看到的，当电压在初始阶段S1期间切换到最大幅度+Umax或-Umax时，励磁线圈中的电流Iflux上升，直到磁芯4在阶段S2期间进入饱和，直到它达到由控制电路7检测到的阈值。从这个阈值点S3开始，控制电路插入可变时间窗口Tn、Tn+1、Tn+2、Tn+3，其中电压被切断为零值或设置为介于由电压发生器9输出的最大幅度值+Umax和-Umax之间的非零值。
在图5所示的示例中，在每个半磁通门周期(每个半循环)之后的可变时间窗口期间的电压被设置为零。在本发明的范围内，根据变体，可以在可变时间窗口期间设置多于一个电压水平，或者甚至在可变时间窗口内设置变化的电压，只要电压的绝对值保持小于由电压发生器产生的最大电压+Umax和-Umax的绝对值，优选地小于50％。
如图5中最好看到的，具有零或非零中间电压的可变时间窗口在多个循环(这里也称为周期P)内具有至少两个不同的时间。在所示实施例中，激励电压信号的第一半循环中的时间窗口Tn不同于另一个半循环磁通门信号的第二时间窗口的时间窗口Tn+1，第一半循环和第二半循环形成周期P。在从最大电压切换到符号相反的最大电压之间的可变时间窗口期间，时间的测量从用于测量外部磁场的电流信号中置之度外(忽略或去除)。因此，为了提供作为待测的初级电流的图像的外部磁场的测量或为了控制补偿电流，仅在周期P期间不包括可变时间窗口的半循环t1和t2的时间被用于计算当前测量输出。
在可变时间窗口Tn、Tn+1、Tn+2、Tn+3期间施加的零电压或非零电压有利地具有显著降低EMI噪声的效果，如图7中所示，其示出了由根据本发明的实施例的磁通门电流互感器发射的噪声与由如图6中所示的常规磁通门电流互感器产生的噪声比较。
优选地，在多个周期上使用多于两个不同的可变时间窗口Tn、Tn+1、Tn+2、Tn+3，换句话说，具有多于两个不同的时间，由此可变时间窗口具有传播谐波以降低EMI噪声的效果。虽然图5中所示的实施例示出了用于交替电压循环的每个半周期的可变时间窗口，但在本发明的范围内，可以仅具有一个可变时间窗口，其中每个周期P具有减小的电压幅度，或者甚至间歇性地提供减小的电压幅度，例如仅每两个或每三个周期P提供。
如图5、图5a和图5b中所示，可变时间窗口Tn期间的电压可以是恒定的(图5)，或者可以是阶梯式的(图5b)或者可以变化(图5a)，只要在可变时间窗口期间的电压的绝对幅度低于最大值+Umax和-Umax的绝对幅度，优选地小于最大值的50％即可。
但是，为了电路的简单性，优选实施例是在可变时间窗口Tn、Tn+1、Tn+2、Tn+3期间具有单个设定的恒定电压，优选地为零伏。
特征列表
磁通门电流互感器2
磁通门设备3
可饱和软磁芯4
励磁线圈(Ne绕组)6
补偿线圈或测量线圈(Nm绕组)8处理电路5
命令电路7
电压控制输出10
励磁线圈测量电路12
测量电阻Rmeas
互感器测量输出14
电压发生器9
励磁线圈电流Imeas

Claims (15)

1.一种磁通门电流互感器(2)，包括磁通门设备(3)以及处理电路(5)，所述磁通门设备(3)包括可饱和软磁芯(4)和励磁线圈(6)，所述处理电路(5)包括控制电路(7)和连接到控制电路的用于在励磁线圈中产生交流电的电压发生器(9)，所述电压发生器产生施加在励磁线圈中的在最大正电压+Umax和最大负电压-Umax之间振荡的被配置为交替地使软磁芯(4)饱和的电压，其特征在于，控制电路(7)被配置为在检测到励磁线圈电流达到阈值电流(S3)之后的可变时间窗口期间产生施加在励磁线圈中的幅度的绝对值小于所述最大正电压+Umax和所述最大负电压-Umax电压的绝对值的电压，所述阈值电流表示在至少多个交替电压周期(P)的子集期间磁芯的饱和。
2.根据权利要求1所述的电流互感器，其中，控制电路被配置为产生施加在励磁线圈中的设定电压，所述设定电压在可变时间窗口期间基本恒定。
3.根据权利要求2所述的电流互感器，其中，所述设定电压为零或绝对值小于所述最大正电压+Umax和所述最大负电压-Umax的绝对值的50％的非零电压。
4.根据权利要求1所述的电流互感器，其中，控制电路被配置为在每个交替激励电压周期产生至少一个可变时间窗口。
5.根据权利要求4所述的电流互感器，其中，可变时间窗口出现在每半个交替电压周期(P)。
6.根据权利要求1所述的电流互感器，其中，可变时间窗口被配置为在多个周期内间歇地出现。
7.根据权利要求1所述的电流互感器，其中，在可变时间窗口期间设置的电压基本上是恒定的。
8.根据权利要求1所述的电流互感器，其中，在可变时间窗口期间设置的电压是非恒定的。
9.根据权利要求1所述的电流互感器，其中，控制电路设在现场可编程门阵列FPGA、微处理器、微控制器或ASIC中的任一个中。
10.一种操作磁通门电流互感器(2)的方法，所述磁通门电流互感器(2)包括磁通门设备(3)以及处理电路(5)，所述磁通门设备(3)包括可饱和软磁芯(4)和励磁线圈(6)，所述处理电路(5)包括控制电路(7)和连接到控制电路的用于在励磁线圈中产生交流电的电压发生器(9)，所述电压发生器产生施加在励磁线圈中的在最大正电压+Umax和最大负电压-Umax之间振荡的被配置为交替地使软磁芯(4)饱和的电压，其特征在于，控制电路(7)在检测到励磁线圈电流达到阈值电流(S3)之后的可变时间窗口期间产生施加在励磁线圈中的幅度的绝对值小于所述最大正电压+Umax和所述最大负电压-Umax电压的绝对值的电压，所述阈值电流表示在至少多个交替电压周期(P)的子集期间磁芯的饱和。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，控制电路产生施加在励磁线圈中的设定电压，所述设定电压在可变时间窗口期间基本恒定。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述设定电压为零或绝对值小于所述最大正电压+Umax和所述最大负电压-Umax的绝对值的50％的非零电压。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，控制电路在每个交替激励电压周期产生至少一个可变时间窗口。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，可变时间窗口出现在每半个交替电压周期(P)。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，可变时间窗口在多个周期内间歇地出现。
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