CN115398247B - 快速且不受电压漂移影响的Rogowski电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于测量在导体(COND)中流动的电流(I)的电路(100)，包括：串联在一起的2xN个线圈(110至113)，N为大于或等于2的整数；和与所述2xN个线圈中每一个相关联的共模滤波元件(120至123)，每个滤波元件与相关联的线圈并联布置并且能够完成所述2xN个线圈的共模滤波，所述2×N个线圈的芯(180)的相对磁导率小于10，在所述2×N线圈中N个线圈的缠绕方向与其他N个线圈的缠绕方向相反。

Description

快速且不受电压漂移影响的Rogowski电流传感器

技术领域

本发明涉及对导体中流动的电流进行测量，更具体地涉及通过罗哥夫斯基线圈(Rogowski)型装置测量高频电流。

背景技术

要测量高频电流(通常超过10kHz)，可以使用依靠法拉第效应的光纤传感器。然而，这些传感器相对笨重，并且需要将要测量的电流在其中多次流动的导体包围起来。此外，它们不能测量小电流(几安培)。

还存在电流互感器类型的电流传感器，其能够确保测量装置和测量效果(themeasurement)之间的电流分离。对于高频测量，需要具有高相对磁导率的芯，这使得它们对直流电敏感，直流电会使磁芯饱和，从而降低测量效果。这些传感器还很笨重，质量很重。

Rogowski型电流传感器还能够测量高频电流。这些传感器可以根据弱磁性或甚至非磁性空气或芯线圈中的电流产生的电压来确定导体中流动的电流值，产生的电压与电流的时间导数成正比。这种类型的传感器相对紧凑，并且由于线圈中没有磁芯，因此对电流的直接分量不敏感。这种传感器的温度精度取决于负载阻抗；传感器内阻的热漂移相对于负载阻抗不能太高。因此使用了高负载电阻，通常比传感器的内部电阻高100倍，这会导致传感器在高频下产生强烈谐振。在高电流变化速度的情况下，这会降低测量效果或使电子器件饱和。

此外，为了使自身免受导体电压的快速变化，使用静电屏蔽是不可取的，因为它会降低传感器的通带。

因此，需要一种适用于高频(通常超过10kHz)的紧凑型电流测量装置，即适用于快速换向(rapid commutation)时间(通常小于10μs)，同时不受电压、电流和温度漂移的快速变化的影响。

发明内容

本发明涉及一种用于测量导体中流动的电流的电路，包括：

串联在一起的2xN个线圈，N为大于或等于2的整数；和

与所述2xN个线圈中每一个相关联的共模滤波元件，每个滤波元件与相关联的线圈平行放置并且能够完成所述2xN个线圈的共模滤波，

所述2×N个线圈的芯，相对磁导率小于10，在所述2×N线圈中，N个线圈的缠绕方向与其他N个线圈的缠绕方向相反。

“线圈”是指由至少一个限定线圈内部空间的多匝绕组构成的环形偶极子。因此，线圈的内部空间是导体周围的测量空间，由线圈的多匝绕组限定的待测量电流在其中流动。

使用N大于或等于2的2xN个线圈，可以改善线圈的共模抑制，因为滤波元件与2xN绕组并联设置。事实上，在高频下，共模滤波元件是电容性的。因此，能够衰减2xN个线圈的输出电流的共模电容(滤波元件的等效电容)等效于由一组并联的滤波元件形成的电容。而限制通带的差模电容等效于由一组串联的滤波元件形成的电容。如果单个滤波元件的电容记为C0，并且认为滤波元件相同，则共模电容为2xNxC0，差模电容为C0/(2xN)。因此，通过增加线圈的数量，可以增加共模电容以提高共模抑制，同时减少差模电容以避免限制通带。

使用一定数量的偶数线圈，其中一半线圈朝一个方向绕，另一半朝相反方向绕。这允许创建一个多极，其中有用的信号，即由于导体和线圈中流动的电流之间的磁耦合而产生的电动势，以差模出现；而寄生信号，即导体电位和线圈之间电容耦合产生的电压，以共模出现。由于线圈的芯是弱磁性的(相对磁导率小于10)，这还允许具有与包含2xN个绕组的Rogowski型线圈等效的电路。因此，可以以与Rogowski型线圈相同的方式确定在导体中流动的电流。通过将2xN个线圈的绕组放置在需要测量的导体周围，产生与线圈中所述电流的时间导数成比例的电压。通过在2xN个线圈的端子处恢复该电压，因此可以通过积分确定导体中的电流。

根据一个实施例，电路包括至少一个保护环，该保护环围绕2xN个线圈和滤波元件并且将滤波元件连接到电接地。

使用至少一个保护环可以提高共模抑制。通过围绕2xN个线圈和滤波元件，保护环将电路包围起来并确保对强场的保护(电磁兼容性保护，称为“EMC”保护)。由于专用于该目的的迹线，它还允许将滤波元件连接到电接地。

根据本发明的一个特定特征，滤波元件是三端电容器，例如那些采用技术开发的电容器。

技术电容器是陶瓷电容器，可以降低成本并提高滤波性能，因为这些电容器比传统电容器更紧凑、成本更低并且可以承受更高的频率。

根据本发明的另一特定特征，电路包括具有连接到2xN个线圈的屏蔽编织层的连接电缆。

使用保护环时，也可与连接电缆的屏蔽编织层连接。由于屏蔽编织层，电路对“EMC”扰动具有良好的抗扰性。

根据本发明的另一特定特征，连接电缆是屏蔽双绞线，其阻抗特性由并联放置的电阻器R加载，连接电缆位于并联电阻和由2xN个线圈和滤波元件组成的装置之间。

如果电阻器R较弱，即如果时间常数L/R的倒数小于待测电流的频率，L是一组2xN线圈的电感，则由于自积分效应，与导体中的电流成正比的电压会在该电阻器的端子处恢复。

根据一个实施例，电路还包括负载，该负载位于沿相同方向缠绕的N个线圈和沿相反方向缠绕的其他N个线圈之间。

该负载允许创建阻抗匹配，以消除超高频率的反射，从而确保尽管存在长距离传输线，但通带仍会增加。因此，测量电路的行为类似于传输线，允许长距离传输有用信号而不会产生差模变形，而由于高等效电容，共模扰动电流被滤波元件滤波。

根据本发明的特定特征，负载是小于或等于100欧姆，特别是小于或等于75欧姆，甚至更特别是小于或等于50欧姆的电阻器。

根据本发明的另一特定特征，2xN个线圈仅包括一层匝。这允许增加测量电路的通带。

根据一个实施例，电路包括积分器，其输入端连接到2xN个线圈。

积分器允许积分2xN个线圈的输出信号，尤其是由导体中的电流在线圈中产生的电压，以确定在所述导体中流动的电流。积分器的输入端连接到2xN个线圈，以完成对导体中流动电流的差分测量。

根据本发明的另一特定特征，积分器是运算放大器积分器组件。

根据本发明的另一特定特征，2xN个线圈和滤波元件存在于至少一个柔性支撑件上。

根据本发明的另一特定特征，2xN个线圈和滤波元件存在于至少一个印刷电路上。印刷电路对测量电路的大量线圈来说是一个特别合适的支撑。

本发明的另一个目的是一种包括根据本发明的电路的电流传感器。

根据本发明的特定特征，传感器包括导体，缠绕在导体周围的2xN线圈。这尤其允许测量在导电部件或介电组件或电路中流动的电流，而无需将该部件或组件或电路放置在2xN个线圈的绕组中，因为传感器的导体与该部件、组件或电路相连。

附图说明

参考附图，本发明的其他特征和优点将从以下给出的描述中显现，附图无任何限制地示出了本发明的示例性实施例。

图1示意性地部分表示根据本发明的一个实施例的用于测量电流的电路。

图2示意性地部分表示根据本发明的另一个实施例的用于测量电流的电路。

图3示意性地部分表示根据本发明的另一个实施例的用于测量电流的电路。

具体实施方式

如上所述，“线圈”是指环形偶极子，由至少一个多匝绕组组成，划定线圈内部空间以及导体周围的测量空间。图1示意性地和部分地表示根据本发明的一个实施例的用于测量在导体COND中流动的电流I的电路100。该电路100包括四个线圈110、111、112和113，拟绕在导体COND上。四个线圈110、111、112和113串联在一起。它们的芯180具有小于10的相对磁导率，因此它们的芯180是弱磁性的。它们也可以是非磁性的。线圈110～113也可以是空气线圈；在这种情况下，它们的芯180将仅由空气形成。

两个线圈110和111沿第一方向缠绕，另外两个线圈112和113沿相反方向缠绕。这允许抑制导体COND的电位和线圈110至113之间的电容耦合。

线圈110至113的共模滤波元件120、121、122和123也存在于电路100中。滤波元件与每个线圈并联布置。因此，滤波元件120与线圈110并联布置，滤波元件121与线圈111并联布置，滤波元件122与线圈112并联布置，滤波元件123与线圈113并联布置。在共模中，滤波元件120至123的组件因此表现为滤波元件120至123的并联设置，而在差模中，它们的组件表现为相同元件的串联设置。这允许改善线圈110至113的共模抑制而不降低测量电路100的通带。

由于线圈110至113的芯180是弱磁性的，因此线圈110至113缠绕在待测电流I流过的导体COND周围，并且线圈110至111的一半沿一个方向缠绕，并且另一半112和113沿另一个方向缠绕，四个线圈110至113的组合形成Rogowski型线圈。因此，电流I在导体COND中的流动会在线圈110至113中产生一个电压，该电压与电流I的导数成比例。因此，为了确定电流I的值，可以对线圈110至113中产生的电压进行积分。为此，电路100包括用于处理由线圈110至113产生的电压的装置150。该处理装置例如是积分装置，放置在线圈110到113以及它们相关联的滤波元件120到123的输出端。

根据本发明的特定特征，滤波元件120至123是电容元件，并且更具体地是陶瓷电容器。/>电容器的使用允许创建成本更低且更紧凑的测量电路100，其能够比使用传统电容器创建的电路耐受更高的频率。

此外，用C0表示电容器的电容，共模电容，即共模滤波元件的等效电容，等于4xC0。因此，滤波元件允许在线圈组110至112和滤波元件120至123的输出端显著衰减共模扰动电流。差模电容等于C0/4，差模扰动电流因此减小。

根据本发明的另一特定特征，电路100包括2xN个线圈，其中N为大于或等于2的整数。在2xN个线圈中，N个线圈沿第一方向缠绕，其他N个线圈沿相反方向缠绕。线圈数量的增加还允许增加与线圈并联的滤波元件的数量，从而提高共模抑制。事实上，对于2xN个线圈，共模等效电容等于2xNxC0，而差模等效电容等于C0/(2xN)。因此，线圈组和滤波元件输出端的共模扰动将显著降低，而有用信号(差模)将受到轻微影响。

根据本发明的另一特定特征，线圈110至113包括分布在单层上的匝，即它们包括单层多匝绕组。

图2示意性地部分地表示根据本发明的另一个实施例的用于测量电流I的电路200。

电路200包括串联连接的四个线圈210、211、212和213，每个线圈并联连接到线圈210至213的共模滤波元件220、221、222和223。如前所述，线圈210至213的芯是弱磁性的，即其芯的相对磁导率小于10，甚至小于2，甚至小于1.1。四个线圈中的两个沿第一方向缠绕，另外两个沿相反方向缠绕。因此，线圈形成用于测量导体中流动的电流的Rogowski型装置。为了附图清楚起见，图2中未显示导体。

电路200还包括保护环230，该保护环230连接到电接地并围绕滤波元件220至223和线圈210至213。每个滤波元件220至223都连接到保护环230，因此连接到电接地。通过围绕它们，保护环230允许均匀地分布滤波元件220至223，从而保护线圈210至213免受电磁干扰。由于专用迹线，它还允许将滤波元件220至223接地。因此，它提高了共模抑制。

电路200还包括连接电缆240，该连接电缆240包括屏蔽编织物，该屏蔽编织物允许消除可能的电子器件250向线圈210至213和滤波元件220至223的反射，该电子器件确定期望测量的电流I。

根据本发明的特定特征，连接电缆240是屏蔽双绞线，其特征阻抗由并联放置的电阻器241加载。电阻器241置于连接电缆240的输出端。

根据本发明的另一特定特征，保护环230还围绕连接电缆240。

根据本发明的另一特定特征，电阻器241的值较低，即时间常数L/R的倒数小于待测电流的频率，其中R为电阻241，L为2xN个线圈的电感。这允许在连接电缆240的屏蔽编织物和电阻器241的输出端获得与期望在导体中测量的电流I直接成正比的电流。因此，连接到测量电路200的可能的电子器件250允许确定在导体中流动的电流I的值，但不执行任何用于确定电流I的积分功能。

图3示意性地部分表示根据本发明的另一个实施例的用于测量在导体中流动的电流I的电路300。为了附图清楚起见，图3中未显示导体。

电路300包括八个线圈310至317。线圈310至313沿第一方向缠绕，线圈314至317沿相反方向缠绕。电阻器360将这两组线圈分开。线圈310至313串联连接在一起，并串联连接到电阻器360。线圈314至317串联连接在一起，并串联连接到电阻器360。共模滤波元件320至327与每个线圈310至317并联布置。

线圈310至317的芯是弱磁性的，因此其相对磁导率小于10。如前所述，线圈310至317形成Rogowski型装置。

电路300包括连接电缆340，连接电缆340包括连接到线圈310至317的屏蔽编织物以及与屏蔽编织物并联布置的电阻器341。积分器350存在于电阻器341之后的电路中。积分器350更具体地是允许确定电流I的值的运算放大器积分器组件。积分器的输入端通过电阻器341和连接电缆340的屏蔽编织物连接到线圈310至317，以完成对电流I的差分测量。

电阻器360允许在连接电缆340及其并联电阻器341的输出端(以及在线圈310至317的输出端)获得具有低阻抗的信号。电子器件350因此可以具有低阻抗。电阻器360的值例如是100欧姆。

电路300还包括围绕线圈310至317、滤波元件320至327和连接电缆340的两个保护环331和332。两个保护环331和332连接到电接地。保护环331连接到滤波元件320至323并且将这些元件连接到电接地。保护环332连接到滤波元件324至327并且将这些元件连接到电接地。

根据本发明的另一特定特征，线圈和线圈的共模滤波元件存在于至少一个柔性支撑件上。

根据本发明的另一特定特征，线圈和线圈的共模滤波元件存在于至少一个印刷电路上。印刷电路特别适合支持大量线圈以形成紧凑的测量电路。

本发明还涉及一种包括如前所述的测量电路的电流传感器。流过被测电流的导体放置在测量电路的线圈绕组中。

根据本发明的特定特征，传感器包括放置在线圈绕组中的导体。以这种方式，如果需要测量在导电部件中或在电气组件中或在传感器外部和/或不能放置在线圈绕组中的电路中流动的电流，只需将该部件、组件或电路连接到传感器的导体上，从而使在该部件、组件或电流中流动的电流也在传感器的导体中流动。

Claims (10)

1.一种用于测量在导体(COND)中流动的电流(I)的电路(100、200、300)，包括：

串联在一起的2xN个线圈(110至113、210至213、310至317)，N为大于或等于2的整数；和

与所述2xN个线圈中每一个相关联的共模滤波元件(120至123、220至223、320至327)，每个滤波元件与相关联的线圈并联布置并且能够完成所述2xN个线圈的共模滤波，

所述2×N个线圈的芯(180)的相对磁导率小于10，在所述2×N线圈中，N个线圈的缠绕方向与其他N个线圈的缠绕方向相反。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述2×N个线圈仅包括一层匝。

3.根据权利要求1或2所述的电路，包括至少一个保护环(230、331、332)，所述保护环围绕所述2xN个线圈和滤波元件，并且将所述滤波元件连接到电接地。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电路，其中，所述滤波元件是三极电容器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电路，还包括连接电缆(240、340)，所述连接电缆包括连接到所述2xN个线圈的屏蔽编织物。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电路，还包括负载(360)，所述负载位于沿相同方向缠绕的N个线圈(310至313)和沿相反方向缠绕的其他N个线圈(314至317)之间。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电路，还包括积分器(350)，其输入端与所述2xN个线圈相连。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器，其中，所述2×N个线圈和所述滤波元件存在于至少一个印刷电路上。

9.一种电流传感器，包括根据权利要求1至8中任一项所述的电路。

10.根据权利要求9所述的电流传感器，包括导体，所述2xN个线圈缠绕在所述导体周围。