CN115176166A - 电流测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种电流测量系统，包括多相开环电流传感器，以用于测量在多相电气系统的多个(n个)初级导体中流动的相电流(I1、I2、I3)。所述传感器包括：壳体(2)；磁芯(3)，包括第一芯部件(3a)和第二芯部件(3b)；和多个(n+1个)磁场检测器(4)，安装在所述初级导体的横贯所述电流传感器的壳体的部分所处的在所述第一芯部件和所述第二芯部件之间的所述壳体(2)中。所述系统还包括非易失性存储器和计算单元，在所述非易失性存储器中存储有在校准过程中预定义的至少一个耦合矩阵(K)，所述至少一个耦合矩阵将在所述初级电流中流动的相电流(I1、I2、I3)与所述磁场检测器检测到的磁感应场(B1、B2、B3、B4)链接，所述计算单元被配置为使用所述耦合矩阵用所述n+1个磁场检测器的输出来计算所述n个相电流的值。所述计算单元还被配置为使用n+1个降阶模式耦合矩阵来以降阶模式估计n个相电流，从而允许检测所述磁场检测器中的故障、漏电流或过电流。

Description

电流测量系统
本发明涉及包括多相开环电流传感器(current transducer)的用于多相电气系统的电流测量系统。
许多电气系统被供应多相电流(特别地，三相电流)，这种系统包括例如在诸如电动车辆之类的车辆应用中的电动机。在这种应用中，需要鲁棒可靠但其制造和安装也是经济的电流传感器。
安全是重要因素，由此电流传感器应该快速和可靠地检测故障，以便控制系统关闭或改变故障系统的设置。过电流和漏电流通常指示电气系统有故障。
外部磁场的影响(例如，可以源自靠近电流传感器的其他电导体和部件)不应不利地影响电流传感器的准确性和可靠性。
诸如在电动车辆中发现的在恶劣环境中实现的电流传感器还需要承受机械冲击、振动和大的热变化。
对于现有传感器来说，响应经济制造和安装的需求同时还满足对安全性、耐用性、可靠性和准确电流测量的高要求是一个挑战。
已知提供包括磁芯部件的三相开环电流传感器，磁芯部件被组装在布置在公共平面中的三个初级导体的相对侧，以便在每个相中产生电流输出。注意，如果测得了其中两个相的电流，则第三相的电流可以从两个其他相推断出。然而，这种常规的开环电流传感器的安装和驱动成本相对高，并还可能缺乏快速应对故障所必要的响应时间。此外，传感器故障的检测可能不可靠。
鉴于以上，本发明的一个目的是提供一种具有开环电流传感器的多相(特别地，三相)电流测量系统，该系统的制作和安装经济，又是鲁棒、安全和可靠的，同时确保了精确测量。
有利的是，提供一种能够非常快速地检测故障特别是漏电流或过电流的多相电流测量系统。
有利的是，提供一种紧凑的多相电流测量系统的多相开环电流传感器。
本发明的目的已通过提供根据权利要求1所述的多相电流测量系统来实现。
本发明的目的已通过提供根据权利要求14所述的在多相电气系统中的多个(n个)初级导体中流动的多个电流的测量方法来实现。
本文中公开了一种电流测量系统，该电流测量系统包括多相开环电流传感器，用于测量在多相电气系统的多个(n个)初级导体中流动的相电流(I1、I2、I3)。所述传感器包括：壳体；磁芯，包括第一芯部件和第二芯部件；和多个(n+1个)磁场检测器，安装在初级导体横贯电流传感器壳体的部分所处的在第一芯部件和第二芯部件之间的壳体中。该系统还包括非易失性存储器和计算单元，在该非易失性存储器中存储关于在校准过程中预定义的尺寸为n×n+1的至少一个耦合矩阵(K)的信息，所述至少一个耦合矩阵将在初级电流中流动的相电流(I1、I2、I3)与所述磁场检测器检测到的磁感应场(B1、B2、B3、B4)链接，该计算单元被配置为使用耦合矩阵用所述n+1个磁场检测器的输出来计算所述n个相电流的值。所述计算单元还被配置为使用n+1个降阶模式耦合矩阵来以降阶模式估计n个相电流，尺寸n×n的每一个基于所述n+1个磁场检测器中的子集n的输出，从而允许检测磁场检测器中的故障、漏电流或过电流。
本文还公开了一种测量在多相电气系统的多个(n个)初级导体中流动的多个电流(I1、I2、I3)的方法。
-提供电流测量系统，所述电流测量系统包括传感器，所述传感器包括：壳体、包括第一磁芯部件和第二磁芯部件的磁芯、和安装在初级导体的横贯电流传感器壳体的部分所处的在第一芯部件和第二芯部件之间的壳体中的多个(n+1个)磁场检测器，其中所述传感器连接到所述多相电气系统的电路；
-在用于测量在所述初级导体中流动的所述相电流的所述传感器的操作之前，执行校准方法，以计算尺寸为n×n+1的至少一个耦合矩阵(K)，所述至少一个耦合矩阵将初级电流中流动的相电流(I1、I2、I3)与所述磁场检测器检测到的磁感应场(B1、B2、B3、B4)链接。
-将所述至少一个耦合矩阵存储在所述传感器的非易失性存储器或所述多相电气系统的所述电路的非易失性存储器中；
-在用于测量在所述初级导体中流动的所述相电流的所述传感器的操作期间，在所述电流测量系统的计算单元中，使用所述至少一个耦合矩阵用所述n+1个磁场检测器的测量输出来计算所述n个相电流的值；
-在所述计算单元中，使用尺寸为n×n的降阶耦合矩阵来计算所述多个电流(I1、I2、I3)的冗余测量值以检测磁场检测器中的故障，对于n相系统n+1个磁场检测器当中的n个被用于计算n+1个降阶模式耦合矩阵(K123 K124 K134 K234)。
在一个有利的实施例中，其中存储关于至少一个耦合矩阵(K)的信息的所述非易失性存储器设置在形成所述磁场检测器中的至少一个磁场检测器的至少一个专用集成电路(ASIC)中，或者设置在所述传感器的电路的存储器中。
在一个有利的实施例中，其中存储关于至少一个耦合矩阵(K)的信息的所述非易失性存储器是可经由电流传感器的连接器通过外部电路可读的，以将关于所述至少一个耦合矩阵的所述信息传输到所述外部电路并在所述外部电路中计算相电流的值。
在一个有利的实施例中，其中存储关于至少一个耦合矩阵(K)的信息的所述非易失性存储器被布置在传感器外部的所述电气系统中。
在一个有利的实施例中，所述系统还包括计算单元，所述计算单元被配置为执行至少两种不同的计算方法来估计电流，包括例如诸如Moore-Penrose逆计算之类的伪逆方法和差分方法。
在一个有利的实施例中，第一磁芯部件和第二磁芯部件呈由层压的软磁材料片材的堆叠形成的基本上直的矩形条的形式。
在一个有利的实施例中，磁芯部件中的每一个被接纳在相应的壳体部件中，壳体部件被形成为单独部件，所述单独部件组装在一起的，所述壳体部件中的一个容纳所述多个磁场检测器，并且所述初级导体部分延伸穿过壳体。
在一个有利的实施例中，初级导体延伸穿过的通道由所述壳体部件中的所述一个中的凹陷或穿通腔形成，另一个壳体部件具有基本上平的配合面。
在一个有利的实施例中，所述传感器包括电路板，电路板沿着壳体的与磁场检测器的连接端子重叠的侧面，布置在与其中形成所述磁芯部件之间的气隙的平面基本上正交的平面中。
在一个有利的实施例中，磁场检测器在制造期间被预组装到电路板，由此在将电路板靠着壳体底座部件组装期间，磁场检测器插入到用于接纳磁场检测器的壳体部件中的腔体中，所述腔体包括处于初级导体的任一外侧的腔体和相邻初级导体之间的腔体。
在一个有利的实施例中，所述传感器用于三相电气系统并包括四个磁场检测器，两个布置在三个初级导体的外侧而另两个中的每一个布置在相应的相邻初级导体之间。
在一个有利的实施例中，所述磁场检测器呈ASIC的形式。
在一个有利的实施例中，比较器可以连接到各磁场检测器，被配置为在针对每个磁场检测器确定的特定电压阈值下生成控制信号，以生成在电气故障或过电流的情况下受电流控制的电气系统的关闭控制信号。
在一个有利的实施例中，电流测量系统的电路的计算单元对各相电流执行差分测量，其中，用所述校准方法确定用于差分测量的耦合矩阵K′。
在一个有利的实施例中，降阶模式矩阵由n×n个系数形成。
本发明的其他目的和有利特征将从权利要求书、具体说明和附图中将是显而易见的，其中:
图1a是根据本发明的实施例的电流测量系统的电流传感器的立体图；
图1b是通过图1a的电流传感器的截面图；
图1c是没有初级导体部分的图1a的电流传感器的立体图；
图1d是其中底座部件和盖部件被拆卸的图1a的传感器的视图；
图2是其中去除了壳体部件的根据本发明的实施例的电流传感器的变型的立体图；
图3a是根据本发明的另一实施例的电流传感器的立体图；
图3b是图3a的传感器的侧面的视图；
图4是图示了根据本发明的实施例的电流传感器的磁芯部件、磁场检测器和初级导体的简化示意图；
图5图示了根据本发明的实施例的电流传感器的校准方法的流程图；
图6是根据本发明的实施例的电流传感器的安全分析过程的流程图；
图7图示了根据本发明的实施例的电流传感器的测量过程的流程图；
图8是根据本发明的实施例的电流传感器的信号处理电路的一部分的示意图，特别地图示了用于检测故障的比较器功能。
根据本发明的实施例的电流测量系统包括用于连接到电气系统(未示出)的电路(未示出)的电流传感器1。电气系统可以例如是电机或电机或其他类型的电气机器的控制器。电流测量系统包括用于处理测量信号的电路元件，其包括计算单元。计算单元可以被包括在传感器1内，或者是用于在传感器外部处理测量信号的电气系统的部分。在后一实施例中，电流传感器1可以输出来自各磁场检测器4的测量信号，然后在传感器外部的电路中处理该测量信号，以计算在初级导体中流动的电流的电流测量值。
计算单元可以包括适于执行计算和处理测量信号的任何形式的计算设备(集成电路、FPGA、微控制器等)或者由其组成。
参照附图，特别地从图1a至图4开始，根据本发明的实施例的多相(在这种情况下，三相)开环电流传感器1包括：壳体2；磁芯3，包括第一芯部件3a和第二芯部件3b；以及安装在壳体2中的多个磁场检测器4。
可选地，电流传感器可以还包括连接到磁场检测器4的信号处理电路5，并且可选地可以包括集成或预组装到电流传感器的多个初级导体部分6a、6b、6c。
在一些实施例中，电路5可以包括用于将磁场检测器与用于连接到外部电路的连接器互连的电路迹线，然而却没有用于信号处理的电子部件，信号处理是在传感器所连接的电气系统的电路中执行的。
在一个实施例中，电流传感器可以设置为没有初级导体部分，被配置用于围绕多相电气系统(未示出)的初级导体6组装，电流传感器壳体包括用于接纳从其穿过的外部初级导体6的通道11。在所图示的实施例中，电流传感器用于三相电气系统，例如，用于三相电机的控制。初级导体承载待测量的电流。然而，在本发明的范围内，利用就三相实施例描述的原理，也可以具有两相、四相、五相、六相或数目更高的相的电流传感器。
磁芯部件3a、3b由具有高磁导率的材料制成，特别地由诸如FeSi合金或FeNi的软磁材料制成，这种磁性材料本身是众所周知的。
有利地，磁芯部件3a、3b可以成直的或基本上直的矩形条的形式，其制造特别经济，例如，通过对堆叠以形成所述条的软磁材料片材的冲压操作来制造。
磁芯部件3a、3b在其间形成有气隙，初级导体6和磁场检测器4处于气隙中。气隙基本上沿着平面P延伸，由此，在一有利的实施例中，初级导体和磁场检测器可以沿着平面P基本上对准。
在一有利的实施例中，磁芯部件可以是相同的，以进一步降低制造成本，并简化在制作电流传感器时使用的部件的数量。
有利地，磁场检测器4可以呈专用集成电路(ASIC)的形式，其中包括磁场检测器的集成电路被包覆成型并连接到用于电力和信号传输的连接引脚，这种ASIC本身是电流传感器领域中熟知的。ASIC通常可以是基于霍尔效应检测器，本身也是熟知的。在实施例中，可以使用诸如TMR(隧穿磁阻)或GMR(巨磁阻)之类的其他磁场检测器。
磁芯部件3a、3b中的每一个被接纳在相应的壳体部件2a、2b中，在一个有利的实施例中，壳体部件可以形成为单独的部件，它们被组装在一起并通过闩锁元件12或其他固定构件(诸如，螺钉或夹持件)固定，或者壳体部件可以通过焊接或接合而固定在一起，使得它们在组装之后是不可分离的。
在变型例中，如所图示的，壳体部件可以被原位组装在一起，例如，以便围绕外部系统的初级导体安装。
在初级导体部分6a、6b、6c直接集成在电流传感器中的变型例中，可以在将电流传感器组装在外部装置中之前，将壳体部件2a、2b围绕初级导体部分永久性地成型、焊接或布置，以用于连接到承载待测量电流的外部初级导体。
设置在磁场检测器4任一侧的磁芯部件3a、3b具有足够的宽度和长度，从而当在与初级导体6和磁场检测器对准的平面P正交的方向D上观察时，足以完全覆盖并延伸超出磁场检测器的表面区域，使得外部磁场(例如由于电流传感器附近的电气部件而导致)基本上均匀地分布在两个芯部件3a、3b之间的气隙中。磁芯部件3a、3b具有这样的截面，该截面被配置为足以在将要由传感器测量的指定的最大电流下以高可靠性不饱和。
如将在下文讨论的，使用磁场检测器的差分测量允许消除源自外部场的磁场值。
初级导体6、6a、6b、6c延伸穿过的通道11可以由壳体部件中的一个2a(底座部件2a)中的凹陷或穿通腔形成，另一个壳体部件2b具有与底座部2a的配合面联接的基本上平的配合面。初级导体6a、6b、6c可以例如如图示的矩形条的形状设置，然而也可以设置圆柱形、椭圆形、梯形或其他轮廓形状的初级导体条。
其中组装有磁性部件3b的第二壳体部件2b的联接面可以涂覆或设置有绝缘层，以将磁芯部件3b与初级导体6a、6b、6c绝缘地分离。
电路5包括电路板7，有利地电路板7可以沿着与磁场检测器4的连接端子重叠的壳体的侧面13，布置在与气隙沿着其对准的平面P基本上正交的平面中。
磁场检测器4可以在制造期间被预组装到电路板7，由此在将电路板靠着壳体底座部件2a组装期间，磁场检测器4插入到用于接纳磁场检测器的壳体部件中的腔体13中，所述腔体包括处于初级导体的任一外侧的腔体13a、13d和在相邻初级导体之间的腔体13b、13c。因此，对于三相电气系统，存在四个磁场检测器4a、4b、4c、4d，并且在特定的有利实施例中，它们是ASIC的形式(本文被表示为ASIC1、ASIC2、ASIC3、ASIC4)。
壳体2可以包括其他元件，例如，用于将电流传感器固定到外部支撑件的安装凸耳14。
电路5还包括连接器8，用于连接到外部电路，所述外部电路包括用于驱动电流传感器的信号处理电路和磁场检测器的电源，以及用于接收来自电流传感器的电流测量输出。
在所图示的实施例中，连接器8包括壳体部分，该壳体部分被直接集成在壳体底座部件2a中并包括引脚端子，以用于连接到外部电路板或用于插入连接到外部连接器。可以提供其他类型的接触件以用于插入或夹持或焊接连接，如连接系统的领域中本身已知的。
在一个实施例中，电路5的电路板7包括用于磁场检测器16的接触部分，其经由电路迹线与电路板上的电子部件互连，电子部件允许在经由连接件8输出之前能够对测量信号进行处理或预处理。用于信号处理的微控制器可以例如被安装在电路板7上。在另一实施例中，电路5的电路板7包括经由电路迹线与连接器8互连的用于磁场检测器16的接触部分，由此在传感器所连接的外部电路中执行对由磁场检测器输出的测量信号的处理。
根据实施例，在传感器中或在传感器所连接的电气系统的电路中外部实现的计算单元可以被有利地配置为执行若干方法，以处理由多个磁场检测器测得的电流，从而获得对于每个相的准确的初级电流值，例如，如图7中图示的。
在一个有利的实施例中，所述方法包括伪逆方法(pseudo inverse method)和差分方法。对于这两种方法以及可以在本发明的范围内可以使用的其他方法，执行如图5中图示的校准过程，以确定耦合矩阵K，耦合矩阵K将在初级导体中流动的相电流I1、I2、I3与通过磁场检测器4a、4b、4c、4d(ASIC1、ASIC2、ASIC3、ASIC4)发现的磁感应场B1、B2、B3、B4链接。耦合矩阵可以是n×n+1个系数的矩形矩阵，其中，n是待测量相的数量，而n+1是磁场检测器的数量。
伪逆方法可以有利地使用已知的Moore-Penrose逆执行计算，这对于包括矩形矩阵的不可逆矩阵的逆是有用的。这种方法使用通过磁场检测器ASIC1，ASIC2，ASIC3，ASIC4发现的磁感应场{B1，B2B3，B4}的耦合矩阵K的伪逆矩阵K+。可以注意，这种方法被表示为通过ASIC测得的实际磁通密度，它也可以被表示为ASIC的输出信号(可以是电压V1、V2、V3、V4信号、或电流信号，其可以包括或不包括信号中的偏移)。
Figure BDA0003737117490000091
Figure BDA0003737117490000092
因此，K+被表示为如下。
K+＝tK(KtK)-1
这种方法使得能够直接发现使I与B之间有联系的特有矩阵(unique matrix)，由此在与电气系统的电路连接时传感器进行电流测量操作之前，可以在校准处理期间确定耦合矩阵，所述校准处理优选地在制作传感器期间或之后执行。
根据本发明的一个有利方面，耦合矩阵可以被存储在电路5的非易失性存储器中或ASIC中的一个或多个的非易失性存储器中。因此，传感器包含关于耦合矩阵的信息。在第一实施例中，在包括具有被配置为输出电流测量值的计算单元的信号处理电路的实施例的情况下，关于耦合矩阵的信息可以用于计算传感器内的电流测量值。
在另一实施例中，存储在传感器中的关于耦合矩阵的信息可以被发送到传感器所连接的电气系统(未示出)的电路，以在该电气系统中处理电流测量值。
在另一实施例中，关于耦合矩阵的信息可以被存储在传感器外部的电气系统的电路中，耦合矩阵专用于该传感器并在对所述传感器执行校准过程之后被加载在所述电路的存储器中。
耦合矩阵的值，其在将传感器用于传感器所连接的电气系统中的电流测量的之前，针对各传感器或各制作批次的传感器的校准处理期间确定，有利地耦合矩阵的值提供了针对各传感器或传感器制作批次调整的矩阵值。因此，矩阵值考虑了每个传感器的制造和材料公差和差异，因此在用于测量电气系统中的电流时对于每个传感器提供了精确的测量值。
在大多数情况下，外部磁场产生都沿着磁芯部件3a、3b之间的中心气隙的基本上相同的通量。在这种情况下，例如，使用下述方法，可以在电流测量中消除该场的影响。原理是针对各电流进行差分测量，其中，可以用与上述相同的校准方法来确定针对差分测量的耦合矩阵K′(尽管在以下公式中替代地使用作为所测得磁感应B1、B2、B3、B4的表示像(image)的ASIC的输出电压信号的V1、V2、V3、V4)。
Figure BDA0003737117490000101
其中K′是方的，因此是可逆的，因此如下地估计电流:
Figure BDA0003737117490000102
该方法的优点是：
·具有方的K′矩阵(计算更简单)
·针对各电流进行差分测量(消除外部场对测量结果的影响)
·在对差分耦合矩阵K′进行分析之后，与更远离相导体的ASIC的其他系数相比，表示与所述相导体最接近的ASIC的输出的系数明显更高，例如，大约高1000倍。这意味着，使用围绕相导体的两个最接近的ASIC足以执行差分测量，并且不必使用其他ASIC来进行良好的测量。换句话说，就来自临近的ASIC的耦合系数而言，可以忽略来自远离的ASIC的耦合系数。
因此，可以仅使用如下三个系数来简化问题:
I1≈k11'.(V4-V3)I2≈k22'.(V3-V2)I3≈k33'.(V2-V1)
Figure BDA0003737117490000111
为了提供测量冗余并检测磁场检测器4中的故障，用于n相系统的n+1个磁场检测器中的n个(例如，在本示例中，(用于三相系统的)四个磁场检测器当中的三个)可以用于定义n+1个新的降阶模式矩阵(degraded mode matrixes)(即，在本示例中，四个)，然后可以使用该n+1个新的降阶模式矩阵来以另一模式(本文中被称为降阶模式)估计相电流。
K123 K124 K134 K234
其中
Figure BDA0003737117490000112
所述n+1个新的降阶模式矩阵Kabc可以是n×n个系数的方阵，其中，n是待测量相位的数量而n+1是磁场检测器的数量。
因为每个降阶耦合矩阵Kabc是方阵，所以可以将其直接求逆。当前矩阵Iabc并未给出电流的精确估计，但它允许检测磁场检测器的故障。降阶模式耦合矩阵Kabc由n行(line)构成(Moore Penrose K矩阵)：
Figure BDA0003737117490000113
Figure BDA0003737117490000121
Figure BDA0003737117490000122
如果磁场检测器故障，则误差将影响特定相电流I1、I2或I3值的计算值，取决于使用了哪个降阶模式耦合矩阵。因此，通过将计算出的这些相电流I1、I2或I3与降阶模式耦合矩阵进行比较，可以确定故障的起源。此外，这种方法使得能够检测漏电流。以下描述图6中图示的这种安全性分析方法：
1.用降阶模式耦合矩阵K123 K124 K134 K234 KPseudo和KDiff估计相电流I1I2I3
2.得到对于每个矩阵的三相电流之和
3.如果所有这些总和(S1)为零，
Figure BDA0003737117490000123
那么应该就没有问题。
4.如果所有这些总和(S2)具有相同的值，
Figure BDA0003737117490000131
那么在被测量的系统中存在具有所述值的大小的漏电流。
5.如果所有这些总和(S3)中的一个或两个为零，
Figure BDA0003737117490000132
那么磁场检测器故障并且可以使用降阶模式来确定哪个磁场检测器故障。
5.1如果来自K123的电流总和为零(S4)，
Figure BDA0003737117490000133
那么磁场检测器ASIC4障，并且只需要使用该降阶模式矩阵，因为该矩阵不使用有故障的ASIC来计算电流。
5.2如果来自K234的电流总和为零(S5)，
Figure BDA0003737117490000134
那么磁场检测器ASIC1故障并且只需要使用该矩阵
5.3如果来自K124和K134的电流总和为零(S6)，
Figure BDA0003737117490000135
则磁场检测器ASIC2或ASIC3中的任一个故障
5.3.1对于低电流(＜300A)，可以如下地估计I2：(I2)Deg＝KDeg(B1-B4)其中，KDeg是在校准期间确定的常数
5.3.2如果(I2)124对(I2)Deg的绝对误差低于(I2)134，则磁场检测器ASIC3故障并且需要使用耦合矩阵K124。否则，磁场检测器ASIC2故障并且需要使用耦合矩阵K134(S7)。
Figure BDA0003737117490000141
为了提高安全性，需要快速地检测电气故障；但估计电流花费的时间过多。为了达到更快的检测，可以在信号处理电路中实现如图8中图示的比较器以生成控制信号，诸如，处于特定电压阈值的关断信号。当高电流正在电流传感器中流动时，可以只使用最接近对应初级导体的磁场检测器粗略估计各电流。因此，可以针对每个磁场检测器确定电压阈值，以在电气故障或过电流的情况下针对受外部控制的系统生成关闭控制信号。
例如，当I1高(具有5至10％的相对误差)时，I1≈k1.V4；如果关闭外部系统的最大电流为
Figure BDA0003737117490000143
，因此
Figure BDA0003737117490000142
根据本发明的实施例的电流传感器有利地使得能够提供紧凑且简单的多相电流传感器(例如，三相电流传感器)。
传感器的信号处理电路或连接到电流传感器的外部电路中的信号处理电路可以有利地配置有至少两种计算方法以精确估计电流：其可以有利地包括伪逆方法和差分方法。
传感器的信号处理电路或连接到电流传感器的外部电路中的信号处理电路可以有利地还包括降阶模式计算，以估计使得能够检测磁场检测器中的故障、漏电流或过电流的电流。
所使用参考符号的列表
电流测量系统
电流传感器1
壳体2
壳体部件
底座2a
盖2b
闩锁元件12
用于初级导体的通道11
安装凸耳14
磁芯3
第一芯部件3a和第二芯部件3b
磁场检测器4、4a、4b、4c、4d、4e、4f
ASIC
ASIC1、ASIC2、ASIC3、ASIC4
霍尔效应检测器
电路5
电路板7
用于检测器16的接触部分
电路迹线
用于连接器18的接触部分
连接器8
初级导体6
相导体6a、6b、6c
计算单元

Claims (15)

1.一种电流测量系统，所述电流测量系统包括多相开环电流传感器，用于测量在多相电气系统的多个即n个初级导体中流动的相电流(I1、I2、I3)，
所述传感器包括：壳体(2)；磁芯(3)，包括第一芯部件(3a)和第二芯部件(3b)；和多个即n+1个磁场检测器(4)，安装在所述初级导体的横贯所述电流传感器的壳体的部分所处的在所述第一芯部件和所述第二芯部件之间的所述壳体(2)中，
所述系统还包括非易失性存储器和计算单元，在所述非易失性存储器中存储关于在校准过程中预定义的尺寸n×n+1的至少一个耦合矩阵(K)的信息，所述至少一个耦合矩阵将在所述初级电流中流动的相电流(I1、I2、I3)与所述磁场检测器检测到的磁感应场(B1、B2、B3、B4)链接，所述计算单元被配置为使用所述耦合矩阵用所述n+1个磁场检测器的输出来计算所述n个相电流的值，
其特征在于，所述计算单元还被配置为使用n+1个降阶模式耦合矩阵来以降阶模式估计n个相电流，尺寸n×n的每一个基于所述n+1个磁场检测器中的子集n的输出，从而允许检测所述磁场检测器中的故障、漏电流或过电流。
2.根据前述权利要求所述的电流测量系统，其中，其中存储关于至少一个耦合矩阵(K)的信息的所述非易失性存储器设置在形成所述磁场检测器中的至少一个的至少一个专用集成电路ASIC中，或者设置在所述传感器的电路(5)的存储器中。
3.根据前述权利要求所述的电流测量系统，其中，其中存储有关于至少一个耦合矩阵(K)的信息的所述非易失性存储器是可经由所述电流传感器的连接器(8)通过外部电路读取的，以将关于所述至少一个耦合矩阵的所述信息传输到所述外部电路并在所述外部电路中计算所述相电流的值。
4.根据权利要求1所述的电流测量系统，其中，其中存储有关于至少一个耦合矩阵(K)的信息的所述非易失性存储器被布置在所述传感器外部的所述电气系统中。
5.根据任何前述权利要求所述的电流测量系统，所述系统还包括被配置为执行至少两种不同的计算方法来估计电流计算单元，包括例如诸如Moore-Penrose逆计算的伪逆方法和差分方法。
6.根据任何前述权利要求所述的电流测量系统，其中，所述第一磁芯部件和所述第二磁芯部件呈由层压的软磁材料片材的堆叠形成的基本上直的矩形条的形式。
7.根据任何前述权利要求所述的电流测量系统，其中，所述磁芯部件中的每一个被接纳在相应的壳体部件(2a、2b)中，所述壳体部件被形成为单独部件，单独部件组装在一起，所述壳体部件中的一个(2a)容纳所述多个磁场检测器，并且所述初级导体部分延伸穿过所述壳体。
8.根据任何前述权利要求所述的电流测量系统，其中，所述初级导体延伸穿过的通道(11)由所述壳体部件中的所述一个(2a)中的凹陷或穿通腔形成，另一个壳体部件(2b)具有基本上平的配合面。
9.根据任何前述权利要求所述的电流测量系统，其中，所述传感器包括电路板(7)，所述电路板沿着所述壳体的与所述磁场检测器的连接端子重叠的侧面(13)布置在与其中形成所述磁芯部件之间的气隙的平面(P)基本上正交的平面中。
10.根据任何前述权利要求所述的电流测量系统，其中，所述磁场检测器在制造期间被预组装到所述电路板，由此在将所述电路板靠着所述壳体的底座部件组装期间，所述磁场检测器插入到用于接纳所述磁场检测器的所述壳体部件中的腔体(13)中，所述腔体包括处于所述初级导体的任一外侧的腔体(13a、13d)和相邻的所述初级导体之间的腔体(13b、13c)。
11.根据任何前述权利要求所述的电流测量系统，其中，所述传感器用于三相电气系统并包括四个磁场检测器(4a、4b、4c、4d)，两个(4a、4d)布置在三个初级导体(6a、6b、6c)的外侧而另两个(4b、4c)中的每一个布置在相应的相邻的所述初级导体(6a、6b；6b、6c)之间。
12.根据任何前述权利要求所述的电流测量系统，其中，所述磁场检测器呈ASIC的形式。
13.根据任何前述权利要求所述的电流测量系统，所述电流测量系统包括比较器，所述比较器连接到各磁场检测器，被配置为在针对每个磁场检测器确定的特定电压阈值下生成控制信号，以生成在电气故障或过电流的情况下受所述电流控制的用于电气系统的关闭控制信号。
14.一种测量多个电流(I1、I2、I3)的方法，所述多个电流在多相电气系统的多个即n个初级导体中流动，包括：
-提供电流测量系统，所述电流测量系统包括传感器，所述传感器包括：壳体(2)；磁芯(3)，包括第一磁芯部件(3a)和第二磁芯部件(3b)；和多个即n+1个磁场检测器(4)，安装在所述初级导体横贯所述电流传感器的壳体的部分所处的在所述第一芯部件和所述第二芯部件之间的所述壳体(2)中，其中所述传感器连接到所述多相电气系统的电路；
-在用于测量在所述初级导体中流动的所述相电流的所述传感器的操作之前，执行校准方法，以计算尺寸n×n+1的至少一个耦合矩阵(K)，所述至少一个耦合矩阵将所述初级电流中流动的所述相电流(I1、I2、I3)与所述磁场检测器检测到的磁感应场(B1、B2、B3、B4)链接；
-将所述至少一个耦合矩阵存储在所述传感器的非易失性存储器或所述多相电气系统的所述电路的非易失性存储器中；
-在用于测量在所述初级导体中流动的所述相电流的所述传感器的操作期间，在所述电流测量系统的计算单元中，使用所述至少一个耦合矩阵用所述n+1个磁场检测器的测量输出来计算所述n个相电流的值；
-在所述计算单元中，使用尺寸n×n的降阶耦合矩阵来计算所述多个电流(I1、I2、I3)的冗余测量值以检测所述磁场检测器中的故障，对于于n相系统n+1个磁场检测器当中的n个被用于计算n+1个降阶模式耦合矩阵(K123 K124 K134 K234)。
15.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述电流测量系统的电路的计算单元对各相电流执行差分测量，其中，利用所述校准方法确定用于所述差分测量的耦合矩阵K′。
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