CN114585930A - 磁通门电流互感器 - Google Patents

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Abstract

磁通门电流互感器(2)包括：磁通门设备(3)，磁通门设备(3)包括可饱和软磁芯(4)和励磁线圈(6)；以及处理电路(5)，处理电路(5)包括控制电路(7)和连接到控制电路以用于在励磁线圈中产生交流电的电压发生器(9)，电压发生器产生被配置为交替地使软磁芯(4)饱和的在最大正电压(+U)和最大负电压(‑U)之间振荡的电压。信号处理电路包括连接到控制电路(7)的过载电路部分(11)，被配置为在多个交流电压周期(P)中的至少一个周期期间，在检测到励磁线圈电流达到代表磁芯饱和的正阈值电流和负阈值电流(+S3，‑S3)之后，在时间窗口(Tn)内产生通过励磁线圈的过载电流。

Description

磁通门电流互感器
技术领域
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。
背景技术
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具有Ne匝的励磁线圈6包围的可饱和软磁芯4(参见图1)。励磁线圈与具有Np匝的补偿线圈或初级线圈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，补偿线圈谋求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(由初级线圈8表示)。但是，鉴于磁通门磁场检测器的高灵敏度，它们主要以闭环配置使用。
已知用于磁通门电流互感器的各种电路配置，如例如在图2a和2b中所示的。通常，这种互感器包括控制电路7，该控制电路7产生到电压发生器9的电压控制输出10，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'和最大正值+U'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，从而导致正电压信号和负电压信号的持续时间不对称。持续时间的比率t1'/t2'提供了外部磁场振幅的测量，并且因此可以用于确定待测电流的振幅和方向。这样的原理是众所周知的。
如参考图3最好看到的，图3描绘了对于基本为0的外部场，励磁线圈电流的绝对值(或整流电流值)，在半周期的初始阶段S1'期间，励磁线圈电流Imeas上升直到阶段S2'，在阶段S2'磁芯进入饱和直到阈值点S3'，在阈值点S3'控制电路检测到阈值饱和并反转由电压发生器9向励磁线圈6供应的电压。
为了增加互感器的灵敏度，可以增加测量电阻器Rmeas的电阻，但结果是，对于给定的励磁线圈电压的最大绝对值U'，励磁线圈电流Imeas会降低。对于测量电阻器的较高电阻值，饱和阈值点S3'应设置得较低。增加测量电阻器的电阻值因此减小了磁芯4的交变饱和的幅度。
当具有远高于磁通门换能器测量能力的幅度的外部磁场中的浪涌(例如，由于初级导体中的电流浪涌)发生时，可能在磁芯4中产生剩余磁场。但是，通过降低励磁电流来降低磁芯4的交变饱和的幅度可能会导致交变饱和场的幅度不足以完全消除磁芯中的剩余磁场，从而导致测量输出的偏移的情况。
发明内容
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，其准确且可靠，还对磁场浪涌和可能引起互感器的测量输出偏移的其它情况具有弹性。
提供一种成本有效且可靠的磁通门电流互感器是有利的。
提供一种易于安装和操作的磁通门电流互感器是有利的。
本发明的目的已经通过提供根据权利要求1所述的磁通门电流互感器和根据权利要求8所述的操作磁通门电流互感器的方法被实现。
本文公开了一种磁通门电流互感器，包括：磁通门设备，该磁通门设备包括可饱和软磁芯和励磁线圈；以及信号处理电路，该信号处理电路包括控制电路和连接到控制电路以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和最大负电压之间振荡的电压，该电压被配置为交替地使软磁芯饱和。信号处理电路包括连接到控制电路的过载电路部分，被配置为在多个交流电压周期中的至少一个周期期间，在检测到励磁线圈电流达到代表磁芯饱和的正阈值电流和负阈值电流之后，在时间窗口内通过励磁线圈产生过载电流，所述过载电流与在相同交流电压周期内的励磁线圈电流具有相同的极性。
在有利的实施例中，所述过载电路部分包括与处理电路的测量电阻器并联连接的开关和过载电阻器，控制电路被配置为产生在所述时间窗口期间闭合开关的过载脉冲信号。
在有利的实施例中，控制电路被配置为产生具有恒定值时间窗口的过载脉冲信号。
在有利的实施例中，控制电路被配置为产生具有可变值时间窗口的过载脉冲信号。
在有利的实施例中，可变值时间窗口包括连续减小值时间窗口。
在有利的实施例中，控制电路被配置为在由励磁电压的没有过载脉冲的一个或多个周期隔开的一个或多个周期内产生过载脉冲信号。
在有利的实施例中，控制电路设置在现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器、微控制器或ASIC中的任何一个中。
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，该磁通门设备包括可饱和软磁芯和励磁线圈；以及信号处理电路，该信号处理电路包括控制电路和连接到控制电路以用于在励磁线圈中产生交流电的电压发生器，电压发生器产生被配置为交替地使软磁芯饱和的、在最大正电压(+U)和最大负电压(-U)之间振荡的电压，其中控制电路产生过载脉冲信号电流，其致动连接到控制电路的过载电路部分，以在检测到励磁线圈电流达到代表磁芯饱和的正阈值电流和负阈值电流之后在时间窗口内产生通过励磁线圈的过载脉冲信号，所述过载脉冲信号在电压发生器的多个交流电压周期中的至少一个周期期间产生，过载电流与在相同交流电压周期中的励磁线圈电流具有相同的极性。
在有利的实施例中，控制电路产生具有恒定值时间窗口的过载脉冲信号。
在有利的实施例中，控制电路产生具有可变值时间窗口的过载脉冲信号。
在有利的实施例中，可变值时间窗口包括连续减小值时间窗口。
在有利的实施例中，控制电路在由励磁电压的没有过载脉冲的一个或多个周期隔开的一个或多个周期内产生过载脉冲信号。
附图说明
从权利要求、详细描述和附图中，本发明的进一步的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2b示出了常规磁通门电流互感器的示意电路图；
图3分别示出了常规磁通门电流互感器的励磁线圈中的随时间变化的电压和电流的曲线图；
图4a和4b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5a至5c分别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随时间变化的电压和电流的曲线图，其中图5a、5b和5c是具有不同过载脉冲命令信号的变型；
图6示出了常规电流互感器和根据本发明的实施例的电流互感器的磁偏移与初级电流浪涌的曲线图。
具体实施方式
参考图4a和4b，根据本发明的实施例的磁通门电流互感器2包括磁通门测量头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和使用Ne匝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具有Np匝的补偿线圈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，该磁场谋求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待测电流在其中流动的初级导体8。初级导体8可以直接穿过磁芯和励磁线圈的中心通道，或者可以具有由数量Np表示的多个匝数。
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流电压信号。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14由控制电路输出的测量信号表示在互感器旨在测量的初级导体中流动的初级电流的值。
如图2a和2b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。根据本发明，信号处理电路还包括过载脉冲电路部分11，并且控制电路7被配置为产生过载脉冲控制信号，该过载脉冲控制信号经由开关设备15致动通过励磁线圈6的过载电流Ioverload的注入。开关设备15可以通过由控制电路7输出的逻辑信号和电阻器Roverload控制。当开关设备闭合时，测量电阻器Rmeas与电阻器Roverload并联，从而降低了电路的通过励磁线圈的电阻(1/Rcircuit＝1/Rmeas+1/Roverload)并导致通过励磁线圈的电流增加以产生过载电流。
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5a中最好看到的，当电压在初始阶段S1期间切换到最大振幅+U或-U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S3。从这个阈值点S3开始，控制电路7在时间Tn期间产生闭合开关15的过载脉冲控制信号。在此Tn时间窗口期间，磁通门励磁线圈中的电流Iflux增加到由与测量电阻Rmeas并联连接的过载电阻Roverload确定的水平。过载脉冲信号在每个电流方向上产生至少一次，即对于由正电压+U驱动的正电流+Imeas和对于由负电压-U驱动的负电流-Imeas，以便确保高磁饱和场在软磁芯的两个方向上施加，以便消除磁芯中可能存在的任何剩余磁场。
振荡励磁电压信号U的基频可以在具有过载脉冲和没有过载脉冲的情况下保持相同。但是，在变型中，也可以修改激励电压的基频以适应过载脉冲电流。
初始阶段S1和进入饱和直到阈值S3的第二阶段S2的电流形状也可以在具有和没有过载脉冲的情况下保持相同。后者允许占空比的测量输出不受在时间窗口Tn中的过载脉冲电流影响的被测量的初级电流的值。在根据到饱和的时间的测量结果t1、t2计算初级电流值时，时间分量Tn可以在计算中被去除、不包括在计算中或在计算中考虑。
在图5a所示的实施例中，控制电路在每个正阈值+S3和每个负阈值-S3处产生逻辑过载脉冲信号。逻辑过载脉冲信号可以在每次振荡时产生，或者在被没有过载脉冲信号的一个或多个周期中断的一个或多个周期内产生，例如如图5b中所示。间歇性过载脉冲信号可以由控制电路以规则的预定义方式产生，或者可以随机产生。过载脉冲信号可以具有固定或恒定的时间窗口Tn，如图5a和5b的实施例中所示，或者可以具有变化的时间窗口T0、T1、T2，如图5c中所示。在本发明的范围内可以产生变化的时间窗口和连续或间歇的过载脉冲信号的组合。
如图5c中所示的变化时间脉冲信号优选地具有连续减小的时间窗口T2<T1<T0，使得取决于激励电流Imeas的饱和振幅的绝对值随着连续脉冲而减小，从而通过提供逐渐降低的交变饱和来消除或减少可能由过载脉冲电流本身产生的任何剩磁。
因此，根据本发明的磁通门换能器使得能够使用高电阻测量电阻器以在测量励磁电流Imeas时具有更高的灵敏度，同时避免由于励磁线圈的软磁芯中的剩磁产生的偏移而导致的测量误差。
特征列表
磁通门电流互感器2
磁通门设备3
饱和软磁芯4
励磁线圈(Ne绕组)6
补偿线圈或初级线圈(Np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
测量电阻器Rmeas
过载电路部分11
过载脉冲输出13
开关15
过载电阻器Roverload
测量输出14
电压发生器9
励磁线圈电流Imeas
过载脉冲电流Ioverload

Claims (12)

1.一种磁通门电流互感器(2)，包括：磁通门设备(3)，所述磁通门设备(3)包括可饱和软磁芯(4)和励磁线圈(6)；以及信号处理电路(5)，所述信号处理电路(5)包括控制电路(7)和连接到控制电路以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被配置为交替地使软磁芯(4)饱和的、在最大正电压(+U)和最大负电压(-U)之间振荡的电压，其特征在于，所述信号处理电路包括连接到控制电路(7)的过载电路部分(11)，所述过载电路部分(11)被配置为在多个交流电压周期(P)中的至少一个周期期间，在检测到励磁线圈电流达到代表磁芯饱和的正阈值电流和负阈值电流(+S3，-S3)之后，在时间窗口(Tn)内产生通过励磁线圈的过载电流，所述过载电流与在相同交流电压周期中的励磁线圈电流具有相同的极性。
2.根据前述权利要求所述的电流互感器，其中所述过载电路部分包括与处理电路的测量电阻器(Rmeas)并联连接的开关和过载电阻器(Roverload)，控制电路被配置为产生在所述时间窗口(Tn)期间闭合所述开关的过载脉冲信号。
3.根据任何前述权利要求所述的电流互感器，其中控制电路被配置为产生具有恒定值时间窗口的过载脉冲信号。
4.根据任何前述权利要求1-3所述的电流互感器，其中控制电路被配置为产生具有可变值时间窗口的过载脉冲信号。
5.根据前述权利要求所述的电流互感器，其中可变值时间窗口包括连续减小值时间窗口(T0，T1，T2)。
6.根据任何前述权利要求所述的电流互感器，其中控制电路被配置为在由励磁电压的没有过载脉冲的一个或多个周期隔开的一个或多个周期内产生过载脉冲信号。
7.根据任何前述权利要求所述的电流互感器，其中控制电路设置在现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器、微控制器或ASIC中的任何一个中。
8.一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)，所述磁通门设备(3)包括可饱和软磁芯(4)和励磁线圈(6)；以及信号处理电路(5)，所述信号处理电路(5)包括控制电路(7)和连接到控制电路以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被配置为交替地使软磁芯(4)饱和的、在最大正电压(+U)和最大负电压(-U)之间振荡的电压，其特征在于，控制电路(7)产生过载脉冲信号电流，所述过载脉冲信号电流致动连接到控制电路(7)的过载电路部分(11)，以在检测到励磁线圈电流达到代表磁芯饱和的正阈值电流和负阈值电流(+S3，-S3)之后在时间窗口(Tn)内产生通过励磁线圈的过载脉冲信号，所述过载脉冲信号在电压发生器的多个交流电压周期(P)中的至少一个周期期间产生，所述过载电流与在相同交流电压周期中的励磁线圈电流具有相同的极性。
9.根据前述权利要求所述的方法，其中控制电路产生具有恒定值时间窗口的过载脉冲信号。
10.根据权利要求8所述的方法，其中控制电路产生具有可变值时间窗口的过载脉冲信号。
11.根据前述权利要求所述的方法，其中可变值时间窗口包括连续减小值时间窗口(T0、T1、T2)。
12.根据任何前述权利要求所述的方法，其中控制电路在由励磁电压的没有过载脉冲的一个或多个周期隔开的一个或多个周期内产生过载脉冲信号。
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