CN117110693A - 一种自激型磁通门电流传感器、测量方法及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自激型磁通门电流传感器、测量方法及电子设备，传感器包括：直流、交流零磁通检测模块、激励磁通辅助模块和磁通补偿模块；直流零磁通检测模块包括自激振荡电路和低通滤波器，自激振荡电路产生第一激励电压并输入激励磁通辅助模块，根据第一激励电压生成激励电压感应信号输入低通滤波器；低通滤波器将激励电压感应信号中的直流信号输入磁通补偿模块；激励磁通辅助模块根据第一激励电压生成第二激励电压；交流零磁通检测模块产生交流信号并输入磁通补偿模块，磁通补偿模块根据直流信号和交流信号生成补偿电流，以产生补偿磁通抵消被测电流产生的磁通。本发明能减少测量误差，拓宽测量频带，实现大带宽、大量程、高精度的电流检测。
Description
技术领域
本发明涉及电流传感器技术领域，尤其是涉及一种自激型磁通门电流传感器、测量方法及电子设备。
背景技术
随着新型电力系统的发展，电力电子设备越来越复杂，为保障电网安全可靠运行，必须对数千HZ的宽频范围的电网状态量进行精准检测。其中，大带宽、大量程、高精度的电流传感检测技术最具难度和挑战性。
目前已有多种电流检测方法，磁通门电流传感器具有高分辨率、高灵敏度、高精度、温漂小和体积小等优点，在电流检测中广泛应用。但现有的磁通门电流传感器，均是针对具体特定场景的应用需求而研发的，其适用范围和特性不同，不能直接用于新型电力系统宽频电流检测。
现有的磁通门电流传感器应用于电力系统宽频电流检测时，存在以下缺点：
（1）在提取偶次谐波的过程中需要进行选频放大、相敏整流、积分滤波等一系列操作，导致其精度较差、温度漂移较大、检测电路较为复杂；
（2）传感器的磁芯存在变压器效应，激励绕组中的电流噪声可以耦合到一次电流绕组中，进一步导致其测量精度下降，同时易引发磁饱和现象，限制电流测量量程；
（3）磁通门电流传感器的测量频带受到零磁通检测电路最大工作频率的限制，只能用于低频和直流场景，难以适应数千HZ的宽频范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种自激型磁通门电流传感器、测量方法及电子设备，以解决现有的磁通门电流传感器检测电路复杂、检测精度较差、电流测量量程有限的技术问题。
本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种自激型磁通门电流传感器，包括：
电气连接的直流零磁通检测模块、激励磁通辅助模块、交流零磁通检测模块和磁通补偿模块；
其中，直流零磁通检测模块包括：电气连接的自激振荡电路和低通滤波器，所述自激振荡电路产生第一激励电压并输入所述激励磁通辅助模块，根据所述第一激励电压生成激励电压感应信号并输入所述低通滤波器；所述低通滤波器滤除所述激励电压感应信号中的高频分量，将所述激励电压感应信号中的直流信号输入所述磁通补偿模块；
所述激励磁通辅助模块根据所述第一激励电压生成第二激励电压，所述第二激励电压与所述第一激励电压的大小相等但方向相反，以便在实现直流零磁通检测的同时抑制电流噪声；
所述交流零磁通检测模块产生交流信号并输入所述磁通补偿模块；
所述磁通补偿模块根据所述直流信号和所述交流信号生成补偿电流，所述补偿电流与被测电流之间存在预设的比例关系，所述补偿电流产生的补偿磁通与所述被测电流产生的磁通大小相等但方向相反。
可选地，所述自激振荡电路包括：
第一磁芯、第一绕组、比较器、第一采样电阻、第一门限电压设置电阻、第二门限电压设置电阻、第一限流电阻、第二限流电阻和功率放大器；
其中，所述第一绕组绕制在所述第一磁芯上，所述第一绕组的一端连接所述第一限流电阻，另一端连接所述功率放大器、所述第二门限电压设置电阻与所述激励磁通辅助模块；所述比较器的第一端连接所述第一采样电阻与所述第一限流电阻，第二端连接所述第一门限电压设置电阻与所述第二门限电压设置电阻，第三端连接所述第二限流电阻；所述第一采样电阻的一端接地，另一端连接所述低通滤波器与所述第一限流电阻；所述第一门限电压设置电阻的一端接地，另一端连接所述第二门限电压设置电阻与所述比较器；所述第二门限电压设置电阻的一端连接所述第一门限电压设置电阻与所述比较器，另一端连接所述功率放大器、所述第一绕组与所述激励磁通辅助模块；所述第一限流电阻的一端连接所述第一采样电阻、所述低通滤波器和所述比较器，另一端连接所述第一绕组；所述第二限流电阻的一端连接所述比较器，另一端连接所述功率放大器；所述功率放大器的一端连接所述第二限流电阻，另一端连接所述第一绕组、所述第二门限电压设置电阻与所述激励磁通辅助模块。
可选地，所述激励磁通辅助模块包括：
第二磁芯、第二绕组、单位增益反相器、第二采样电阻；
其中，所述第二绕组绕制在所述第二磁芯上，所述第二绕组的一端连接所述单位增益反相器，另一端连接所述第二采样电阻；所述单位增益反相器的一端连接所述第一绕组、所述功率放大器与所述第二门限电压设置电阻，另一端连接所述第二绕组；第二绕组为激励磁通辅助绕组；所述第二采样电阻的一端接地，另一端连接所述第二绕组；
所述单位增益反相器将所述第一激励电压转换成所述第二激励电压；所述第二绕组在所述第二激励电压的作用下产生第二激励电流；所述第二采样电阻根据所述第二激励电流生成第二激励电压感应信号。
可选地，所述第一磁芯与所述第二磁芯的参数相同，且所述第一绕组与所述第二绕组的参数相同，且所述第一采样电阻与所述第二采样电阻的参数相同。
可选地，所述交流零磁通检测模块包括：
第三磁芯和第三绕组；所述第三绕组绕制在第三磁芯上，所述第三绕组的一端接地，另一端连接所述磁通补偿模块；
所述第三绕组产生交流信号并输入所述磁通补偿模，所述第三磁芯与所述第一磁芯、所述第二磁芯的参数相同。
可选地，所述磁通补偿模块包括：
比例积分器、驱动单元、补偿绕组和测量电阻；
其中，所述比例积分器的一端连接所述低通滤波器、所述第三绕组，另一端连接所述驱动单元；所述驱动单元的一端连接所述比例积分器，另一端连接所述补偿绕组；所述补偿绕组的一端连接所述驱动单元，另一端连接所述测量电阻；所述测量电阻的一端接地，另一端连接所述补偿绕组；
所述比例积分器根据输入的直流信号和所述交流信号生成补偿电流，所述驱动单元将所述补偿电流输入所述补偿绕组以驱动所述补偿绕组；所述补偿绕组根据所述补偿电流产生补偿磁场；所述测量电阻将所述补偿电流转换为测量电压。
可选地，所述驱动单元为H桥驱动。
可选地，所述预设的比例关系为1000，表示所述被测电流是所述补偿电流的1000倍。
第二方面，本发明提供了一种自激型磁通门电流传感器的测量方法，应用在一种自激型磁通门电流传感器上，包括以下步骤：
利用自激振荡电路产生激励电压感应信号并输入低通滤波器，产生第一激励电压并输入激励磁通辅助模块；利用低通滤波器滤除所述激励电压感应信号中的高频分量，将所述激励电压感应信号中的直流信号输入所述磁通补偿模块；
利用激励磁通辅助模块根据所述第一激励电压生成第二激励电压，所述第二激励电压与所述第一激励电压的大小相等但方向相反，以便在实现直流零磁通检测的同时抑制电流噪声；
利用交流零磁通检测模块产生交流信号并输入所述磁通补偿模块；
利用所述磁通补偿模块根据所述直流信号和所述交流信号生成补偿电流，所述补偿电流与被测电流之间存在预设的比例关系，所述补偿电流产生的补偿磁通与所述被测电流产生的磁通大小相等但方向相反。
第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括一种自激型磁通门电流传感器。
有鉴如此，本发明带来的有益效果是：
本发明在传统磁通门电流传感器的结构基础上，加入了第二磁芯作为激励磁通辅助磁芯，能避免直流零磁通检测模块中的电流噪声耦合到一次电流绕组中，解决了由噪声所带来的测量精度低和量程受限的问题，实现直流零磁通检测的同时达到抑制噪声的效果；自激振荡电路输出的第一激励电压信号经滤波处理后得到直流信号，能够减小测量误差；交流零磁通检测模块绕组产生交流信号；在交流零磁通检测模块中加入了第三磁芯，极大拓宽了电流传感器的测量频带，可测量数千HZ的宽频电流；将直流信号和交流信号共同输入磁通补偿模块生成补偿电流，补偿电流产生的补偿磁通与被测电流产生的磁通大小相等但方向相反，使电流传感器达到零磁通状态，根据补偿电流与被测电流之间存在的预设比例关系，能实现高精度的电流测量。
附图说明
图1为本发明自激型磁通门电流传感器传感器实施例的结构示意图；
图2为本发明传感器实施例中自激振荡电路的结构示意图；
图3为本发明传感器实施例中噪声抑制与信号调节功能的实现过程示意图；
图4为本发明传感器实施例中比例积分器的结构示意图；
图5为被测电流为直流时本发明传感器实施例的工作原理示意图；
图6为被测电流为交流时本发明传感器实施例的工作原理示意图；
图7为本发明测量方法实施例的流程示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种自激型磁通门电流传感器、测量方法及电子设备，以解决现有的磁通门电流传感器检测电路复杂、检测精度较差、电流测量量程有限的技术问题。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
随着新型电力系统的发展，系统中的电力电子设备占比越来越高，复杂多样化的数字控制间相互作用，使得系统动态特性不再局限于传统的50Hz工频附近，而是扩展至数千Hz的宽频范围。为保障电网安全可靠运行，必须对数千Hz宽频范围的电网状态量进行精准检测。其中，大带宽、大量程、高精度的电流传感检测技术最具难度和挑战性。目前的电流检测方法有很多，主要有分流电阻器、电流互感器、罗氏线圈、霍尔电流传感器、巨磁阻电流传感器、磁光效应传感器以及磁通门电流传感器。这些电流检测技术从原理上可分为不同类型，主要包括基于电学原理、基于光学原理或者基于磁学原理。在实际应用中，根据应用特性又可分为非隔离式电流传感器如分流电阻器，以及隔离式电流传感器如电流互感器、罗氏线圈、磁通门电流传感器等。根据电流检测场景的不同，上述电流传感器都有着广泛应用。
磁通门电流传感器最早用于弱磁场的测量，目前在电流检测中开始广泛应用，与上述几类电流传感器相比，具有高分辨率、高灵敏度、高精度、温漂小和体积小等优点。根据应用场景的不同，已研究提出很多新方法和新结构，如磁致伸缩效应电流传感器、激励电压占空比电流传感器、正交磁通门电流传感器、时间差型磁通门传感器、零磁通电流传感器等。但是值得注意的是，这些不同方法和结构的磁通门电流传感器，均是针对具体特定场景的应用需求而研发的，其适用范围和特性不同，不能直接用于新型电力系统宽频电流检测。例如时间差型磁通门适合于小电流检测，但是检测精度受温度变化影响较大，因此研发出基于纳米晶合金材料的磁通门电流传感器，以提高传感器的温度稳定性。
对新型电力系统宽频电流检测而言，不但需要检测小电流，而且需要检测故障期间的冲击大电流，因此对测量量程提出了很高要求，但由于长期运行于继电保护室，工作环境较好，温度变化不大，因此对温度稳定性的要求反而并不高。可见，针对新型电力系统宽频电流检测，研发满足其性能要求的磁通门电流传感器，实现大带宽、大量程、高精度的电流检测是必然之路。
传统的磁通门传感器通常采用偶次谐波法来检测电流，偶次谐波法在磁通门检测方法中简单直观，也是提出较早的方法，但是在提取偶次谐波的过程中需要进行选频放大、相敏整流、积分滤波等一系列操作，导致其精度较差、温度漂移较大、检测电路较为复杂。此外，由于传感器的磁芯存在变压器效应，激励绕组中的电流噪声可以耦合到初级电流绕组中，进一步导致其精度下降，且受磁材料费用影响，其制造成本高。
请参阅图1，本发明实施例一提供的自激型磁通门电流传感器，包括：
电气连接的直流零磁通检测模块、激励磁通辅助模块、交流零磁通检测模块和磁通补偿模块；
其中，直流零磁通检测模块包括：电气连接的自激振荡电路和低通滤波器，所述自激振荡电路产生第一激励电压并输入所述激励磁通辅助模块，根据所述第一激励电压生成激励电压感应信号并输入所述低通滤波器；所述低通滤波器滤除所述激励电压感应信号中的高频分量，将所述激励电压感应信号中的直流信号输入所述磁通补偿模块；
所述激励磁通辅助模块根据所述第一激励电压生成第二激励电压，所述第二激励电压与所述第一激励电压的大小相等但方向相反，以便在实现直流零磁通检测的同时抑制电流噪声；
所述交流零磁通检测模块产生交流信号并输入所述磁通补偿模块；
所述磁通补偿模块根据所述直流信号和所述交流信号生成补偿电流，所述补偿电流与被测电流之间存在预设的比例关系，所述补偿电流产生的补偿磁通与所述被测电流产生的磁通大小相等但方向相反，以便进行抵消实现零磁通。
本实施例提供的自激型磁通门电流传感器，主要包括测量部分和电路部分，其中测量部分主要由环形磁芯和漆包线绕组构成。具体的，其测量部分由三个环形磁芯即第一磁芯、第二磁芯/>、第三磁芯/>、第一绕组/>、第二绕组/>、第三绕组/>、补偿绕组以及一次绕组/>组成；其中，三个环形磁芯/>、/>、/>的参数完全相同；四个绕组/>、、/>和/>的匝数分别是/>、/>、/>和/>。需要说明的是，/>为激励绕组，/>为激励磁通辅助绕组，/>为交流零磁通检测模块绕组，一次绕组/>的匝数通常为1，即一条穿过磁芯的单导线。
在一个实施例中，直流零磁通检测模块包括：电气连接的自激振荡电路和低通滤波器；自激振荡电路产生激励电压感应信号并输入低通滤波器，产生第一激励电压并输入激励磁通辅助模块；低通滤波器滤除激励电压感应信号中的高频分量，将激励电压感应信号中的直流信号输入磁通补偿模块。
自激振荡磁通门技术是指在磁通门电流传感器中加入了自激振荡电路，无需像传统磁通门那样必须外接激励源，因此，利用自激振荡磁通门技术生产的自激振荡磁通门电流传感器，是对传统磁通门电路的一种改进。
请参阅图2，在一个实施例中，自激振荡电路可以包括：第一磁芯、第一绕组/>、比较器/>、第一采样电阻/>、第一门限电压设置电阻/>、第二门限电压设置电阻/>、第一限流电阻/>、第二限流电阻/>和功率放大器/>；
其中，第一绕组绕制在第一磁芯/>上，第一绕组/>的一端连接第一限流电阻，另一端连接功率放大器/>、第二门限电压设置电阻/>与激励磁通辅助模块；比较器的第一端连接第一采样电阻/>与第一限流电阻/>，第二端连接第一门限电压设置电阻与第二门限电压设置电阻/>，第三端连接第二限流电阻/>；第一采样电阻/>的一端接地，另一端连接低通滤波器与第一限流电阻/>；第一门限电压设置电阻/>的一端接地，另一端连接第二门限电压设置电阻/>与比较器/>；第二门限电压设置电阻/>的一端连接第一门限电压设置电阻/>与比较器/>，另一端连接功率放大器/>、第一绕组/>与激励磁通辅助模块；第一限流电阻/>的一端连接第一采样电阻/>、低通滤波器和比较器/>，另一端连接第一绕组/>；第二限流电阻/>的一端连接比较器/>，另一端连接功率放大器/>；功率放大器/>的一端连接第二限流电阻/>，另一端连接第一绕组/>、第二门限电压设置电阻/>与激励磁通辅助模块。
正常工作时，比较器输出正反幅值对称的激励方波电压，激励环形磁芯/>反复进入饱和，当一次电流/>为零时，此时的激励电流和激励磁通都是对称的；当一次电流/>不为零时，会在环形磁芯/>上产生偏置磁场，进而导致激励电流和激励磁通不再对称，从而产生磁通门效应。比较器/>由运算放大器构成，比较器/>之后加入了功率放大器/>，用于保证激励方波电压的波形质量。自激电压正反幅值通过对同一个参考电压进行线性放大，通过对放大倍数的选择，得到一个正反幅值对称性和稳定性非常好的激励方波电压。
请参阅图3，在一个实施例中，自激振荡电路产生激励电压感应信号并输入低通滤波器，激励电压感应信号/>中既有直流分量也有高频分量，其中，直流分量属于有用分量，高频分量属于无用分量，可以选择低频滤波器将/>中的高频分量滤除，低通滤波器输出的直流分量作为电流传感器的直流信号/>，从而减小测量误差。低通滤波器的传递函数如式（1）所示：
；（1）
其中，j表示复数，表示角频率，/>表示复频域，将/>用拉普拉斯算子/>代替，为低通滤波器的传递函数，/>为低通滤波器的输入信号（激励电压感应信号），/>为低通滤波器的输出信号（传感器系统的直流信号/>）、/>为低通滤波器的电阻，/>为低通滤波器的电容参数。需要说明的是，直流信号/>为传感器系统中比例积分器PI的直流输入信号。
在一个实施例中，激励磁通辅助模块包括：
第二磁芯、第二绕组/>、单位增益反相器/>、第二采样电阻/>；
其中，第二绕组绕制在第二磁芯/>上，第二绕组/>的一端连接单位增益反相器/>，另一端连接第二采样电阻/>；单位增益反相器/>的一端连接第一绕组、功率放大器与第二门限电压设置电阻，另一端连接第二绕组/>；第二绕组/>为激励磁通辅助绕组；第二采样电阻/>的一端接地，另一端连接第二绕组/>；
单位增益反相器将第一激励电压转换成第二激励电压；第二绕组/>在第二激励电压的作用下产生第二激励电流；第二采样电阻/>根据第二激励电流生成第二激励电压感应信号。
需要说明的是，第一采样电阻为激励电流感应电阻，第二采样电阻/>为激励磁通辅助电流感应电阻。
在电流传感器的环形磁芯中，激励绕组/>中的电流噪声可以耦合到一次电流绕组/>中，导致传感器的测量精度下降。为应对所带来的测量精度问题，本发明实施例采用的解决方案是加入第二磁芯/>作为激励磁通辅助磁芯，并在第二磁芯/>上缠绕激励磁通辅助绕组/>；并且，第一磁芯/>与第二磁芯/>这两个磁芯的参数相同，第一绕组/>和第二绕组/>这两个绕组的参数相同，第一绕组/>串联的电阻/>与第二绕组/>串联的电阻/>的参数相同，比较器/>输出对称的激励方波电压/>（第一激励电压），单位增益反相器/>将第一激励电压/>变换为与激励电压/>幅值相等，相位相反的激励磁通辅助电压（第二激励电压），由于两个磁芯(/>和/>)的参数完全相同、两个绕组(/>和/>)的参数完全相同、绕组串联的两个电阻(/>和/>)的参数完全相同，因此，激励电流/>与激励磁通辅助电流/>的大小相等但方向相反，第二绕组/>在第二磁芯/>上产生的激励辅助磁通与第一绕组/>在第一磁芯/>上产生的激励磁通也是幅值相等但相位相反，由于补偿绕组和一次绕组同时环绕第一磁芯/>、第二磁芯/>和第三磁芯/>，因此对于补偿绕组/>和一次绕组/>而言，磁芯的合成磁通为零，因而不会产生感应电动势，刚好抵消噪声影响，实现直流零磁通检测的同时达到抑制噪声的效果。
需要说明的是，通过激励磁通辅助模块，能防止激励绕组中的电流噪声耦合到一次电流绕组中，激励磁通辅助电路是实现噪声抑制和信号解调功能的一部分。
在一个实施例中，交流零磁通检测模块包括：
第三磁芯和第三绕组/>；第三绕组/>绕制在第三磁芯/>上，第三绕组/>的一端接地，另一端连接磁通补偿模块。
第三绕组产生交流信号/>并输入磁通补偿模，第三磁芯/>与第一磁芯/>、第二磁芯/>的参数相同。
可以理解的是，直流信号是指自激振荡电路输出的激励电压信号经激励绕组和低通滤波后的信号，交流信号/>是指交流零磁通检测模块绕组/>所产生的信号。
在一个实施例中，磁通补偿模块包括：
比例积分器PI、驱动单元、补偿绕组和测量电阻/>；
其中，比例积分器PI的一端连接低通滤波器、第三绕组，另一端连接驱动单元；驱动单元的一端连接比例积分器PI，另一端连接补偿绕组/>；补偿绕组/>的一端连接驱动单元，另一端连接测量电阻/>；测量电阻/>的一端接地，另一端连接补偿绕组/>；
比例积分器PI根据输入的直流信号和交流信号生成补偿电流，驱动单元将补偿电流/>输入补偿绕组/>以驱动补偿绕组/>；补偿绕组/>根据补偿电流/>产生补偿磁场；测量电阻/>将补偿电流/>转换为测量电压。
请参阅图4，图4所示为比例积分器PI，当运算放大器为理想运放时，比例积分器PI的传递函数如式（2）所示：
；（2）
式中，；如图4所示，/>为比例积分器PI的传递函数，/>为比例积分器PI的直流输入信号，/>为比例积分器PI的交流输入信号，/>为比例积分器PI的输出信号，/>都是比例积分器PI的电阻参数，/>为电容参数。需要注意的是，当一次电流/>为纯直流时，交流输入信号/>；当一次电流为纯交流时，直流输入信号/>。
在本发明实施例中， 比例积分器PI策略是指比例积分控制策略，其工作过程主要包括：
自激振荡电路输出的信号经激励绕组和低通滤波后得到直流信号，交流零磁通检测模块绕组产生交流信号/>，将直流信号/>和交流信号/>共同输入比例积分器PI输出补偿电流，补偿电流再经H桥驱动、补偿绕组产生补偿磁场，用以抵消被测电流产生的磁场，从而构成闭环电路实现零磁通。此后，任何原因引起的磁通不平衡都会导致比例积分器PI的输入信号不为零，该非零信号经过比例积分器PI和驱动单元（如H桥驱动）输出补偿电流，直到磁通门电流传感器再次达到零磁通状态。
本发明实施例基于零磁通原理，在磁通补偿模块中加入了闭环比例积分器PI结构，解决了传统磁通门传感器精度较差、温度漂移较大、检测电路较为复杂等问题。
本发明实施例提供的自激型磁通门电流传感器，基于零磁通原理，将自激振荡磁通门电路（简称自激振荡电路）和比例积分器PI的控制策略相结合，目的是采用比例积分器PI的高开环增益使得磁芯始终处于零磁通状态；二者相结合能够更好的补偿被测电流产生的磁场，从而构成闭环电路实现零磁通。本发明实施例提供的自激型磁通门电流传感器，是一种三磁芯四绕组闭环集成磁通门电流传感器，能够适用于新型电力系统的宽频测量。
请参阅图5和图6，本发明实施例的工作原理如下：
（1）当被测电流（一次电流）为直流时，正常工作时，比较器/>输出对称的激励方波电压（简称激励电压），该激励电压作用于激励绕组/>并产生激励电流/>；激励磁通辅助模块中的单位增益反相器/>将激励电压/>反相输出为第二激励电压/>，/>作用于激励磁通辅助绕组/>，并产生辅助电流/>，可以选用参数相同的两个绕组/>、/>以及参数相同的两个电阻/>、/>，此时激励电流/>与辅助电流/>大小相等，但方向相反，可以有效防止激励绕组中的电流噪声耦合到一次电流绕组中，此时直流零磁通检测模块、激励磁通辅助模块、比例积分器PI、H桥驱动、补偿绕组/>以及测量电/>组成闭环控制回路，如图5所示。
同时，激励电流通过激励感应电阻/>并产生电压信号/>，激励电压感应信号/>中含有直流分量和高频分量，其中直流分量属于有用分量，高频分量属于无用分量，激励电压感应信号/>经过低通滤波器，输出为直流信号/>。由于被测的一次电流是直流，故此时法拉第电磁感应定律不适用，交流零磁通检测模块失效(虚线部分为失效)，直流信号/>经过比例积分器PI和H桥驱动得到补偿电流/>，补偿电流/>进入补偿绕组/>产生补偿磁场，补偿电流/>产生的补偿磁通与一次电流/>产生的一次磁通刚好大小相等但方向相反，使磁通门电流传感器处于零磁通状态，此时电流传感器处于安匝平衡，一次电流与补偿电流/>满足式（3）：
；（3）
考虑到正常情况下，一次绕组是一条穿过磁芯的单导线，故式（3）可简化为式（4）：
；（4）
本实施例中，补偿电流与一次电流/>之间存在一定的比例关系，可以实现高精度的电流测量。从公式（4）可知，这里的比例关系指的是补偿绕组/>的匝数/>。需要说明的是，补偿绕组/>的匝数/>没有固定的取值，需要根据磁芯的尺寸与所设计的磁通门电流传感器的测量量程来确定。考虑到经济型，补偿绕组/>的匝数/>取值通常为被测电流的10倍，在本实施例中可以取1000。
经过磁通补偿模块，一次电流可按照预设的比例关系被转换为补偿电流/>,补偿电流/>进而可以通过测量电阻/>转换为电压信号，由于一次电流/>与补偿电流/>之间的转换比例已知，因此，可以根据补偿电流/>得到一次电流/>的大小。
（2）当一次电流为交流时，此时由于激励电流的频率以及低通滤波器的截止频率限制，直流零磁通检测模块失效（虚线部分为失效），此时交流零磁通检测模块、比例积分器PI、H桥驱动、补偿绕组/>和测量电阻/>形成闭环回路，如图6所示。由于法拉第电磁感应定律，若一次电流不为零，第三绕组/>上会产生感应电压，该电压作为交流信号/>，并作为比例积分器PI的输入信号。
需要说明的是，交流零磁通检测模块与直流零磁通检测模块的相同点在于：均可以通过磁通补偿模块中的比例积分器PI，使磁通门电流传感器始终处于零磁通状态。
本实施例中，在磁通补偿模块中加入了闭环比例积分器PI结构生成补偿电流，解决了传统磁通门传感器精度较差、温度漂移较大、检测电路较为复杂的问题；在传统磁通门传感器的结构基础之上，加入第二磁芯作为激励磁通辅助磁芯，解决了由变压器效应所带来的测量精度低和量程受限的问题；在传统磁通门传感器的结构基础上，在交流零磁通检测模块中加入了第三磁芯，使磁通门电流传感器的测量频带极大拓宽，可测量数千Hz的宽频电流，解决了传统磁通门电流传感器只能用于测量低频或直流电流场景的问题。
本发明实施例提供的自激型磁通门电流传感器，在传统磁通门电流传感器的结构基础上，加入了第二磁芯作为激励磁通辅助磁芯，能避免直流零磁通检测模块中的电流噪声耦合到一次电流绕组中，解决了由噪声所带来的测量精度低和量程受限的问题，实现直流零磁通检测的同时达到抑制噪声的效果；自激振荡电路输出的第一激励电压信号经滤波处理后得到直流信号，能够减小测量误差；交流零磁通检测模块绕组产生交流信号；在交流零磁通检测模块中加入了第三磁芯，极大拓宽了电流传感器的测量频带，可测量数千HZ的宽频电流；将直流信号和交流信号共同输入磁通补偿模块生成补偿电流，补偿电流产生的补偿磁通与被测电流产生的磁通大小相等但方向相反，使电流传感器达到零磁通状态，根据补偿电流与被测电流之间存在的预设比例关系，能实现高精度的电流测量。
请参阅图7，本发明实施例提供了一种自激型磁通门电流传感器的测量方法，应用在一种自激型磁通门电流传感器上，包括以下步骤：
利用自激振荡电路产生激励电压感应信号并输入低通滤波器，产生第一激励电压并输入激励磁通辅助模块；利用低通滤波器滤除所述激励电压感应信号中的高频分量，将所述激励电压感应信号中的直流信号输入所述磁通补偿模块；
利用激励磁通辅助模块根据所述第一激励电压生成第二激励电压，所述第二激励电压与所述第一激励电压的大小相等但方向相反，以便在实现直流零磁通检测的同时抑制电流噪声；
利用交流零磁通检测模块产生交流信号并输入所述磁通补偿模块；
利用所述磁通补偿模块根据所述直流信号和所述交流信号生成补偿电流，所述补偿电流与被测电流之间存在预设的比例关系，所述补偿电流产生的补偿磁通与所述被测电流产生的磁通大小相等但方向相反。
通过上述步骤，能实现大带宽、大量程、高精度的电流检测。
此外，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括一种自激型磁通门电流传感器。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如， 单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例 方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种自激型磁通门电流传感器，其特征在于，包括：
电气连接的直流零磁通检测模块、激励磁通辅助模块、交流零磁通检测模块和磁通补偿模块；
其中，直流零磁通检测模块包括：电气连接的自激振荡电路和低通滤波器，所述自激振荡电路产生第一激励电压并输入所述激励磁通辅助模块，根据所述第一激励电压生成激励电压感应信号并输入所述低通滤波器；所述低通滤波器滤除所述激励电压感应信号中的高频分量，将所述激励电压感应信号中的直流信号输入所述磁通补偿模块；
所述激励磁通辅助模块根据所述第一激励电压生成第二激励电压，所述第二激励电压与所述第一激励电压的大小相等但方向相反，以便在实现直流零磁通检测的同时抑制电流噪声；
所述交流零磁通检测模块产生交流信号并输入所述磁通补偿模块；
所述磁通补偿模块根据所述直流信号和所述交流信号生成补偿电流，所述补偿电流与被测电流之间存在预设的比例关系，所述补偿电流产生的补偿磁通与所述被测电流产生的磁通大小相等但方向相反，以便进行抵消实现零磁通。
2.根据权利要求1所述的自激型磁通门电流传感器，其特征在于，所述自激振荡电路包括：
第一磁芯、第一绕组、比较器、第一采样电阻、第一门限电压设置电阻、第二门限电压设置电阻、第一限流电阻、第二限流电阻和功率放大器；
其中，所述第一绕组绕制在所述第一磁芯上，所述第一绕组的一端连接所述第一限流电阻，另一端连接所述功率放大器、所述第二门限电压设置电阻与所述激励磁通辅助模块；所述比较器的第一端连接所述第一采样电阻与所述第一限流电阻，第二端连接所述第一门限电压设置电阻与所述第二门限电压设置电阻，第三端连接所述第二限流电阻；所述第一采样电阻的一端接地，另一端连接所述低通滤波器与所述第一限流电阻；所述第一门限电压设置电阻的一端接地，另一端连接所述第二门限电压设置电阻与所述比较器；所述第二门限电压设置电阻的一端连接所述第一门限电压设置电阻与所述比较器，另一端连接所述功率放大器、所述第一绕组与所述激励磁通辅助模块；所述第一限流电阻的一端连接所述第一采样电阻、所述低通滤波器和所述比较器，另一端连接所述第一绕组；所述第二限流电阻的一端连接所述比较器，另一端连接所述功率放大器；所述功率放大器的一端连接所述第二限流电阻，另一端连接所述第一绕组、所述第二门限电压设置电阻与所述激励磁通辅助模块。
3.根据权利要求2所述的自激型磁通门电流传感器，其特征在于，所述激励磁通辅助模块包括：
第二磁芯、第二绕组、单位增益反相器、第二采样电阻；
其中，所述第二绕组绕制在所述第二磁芯上，所述第二绕组的一端连接所述单位增益反相器，另一端连接所述第二采样电阻；所述单位增益反相器的一端连接所述第一绕组、所述功率放大器与所述第二门限电压设置电阻，另一端连接所述第二绕组；第二绕组为激励磁通辅助绕组；所述第二采样电阻的一端接地，另一端连接所述第二绕组；
所述单位增益反相器将所述第一激励电压转换成所述第二激励电压；所述第二绕组在所述第二激励电压的作用下产生第二激励电流；所述第二采样电阻根据所述第二激励电流生成第二激励电压感应信号。
4.根据权利要求3所述的自激型磁通门电流传感器，其特征在于，所述第一磁芯与所述第二磁芯的参数相同，且所述第一绕组与所述第二绕组的参数相同，且所述第一采样电阻与所述第二采样电阻的参数相同。
5.根据权利要求4所述的自激型磁通门电流传感器，其特征在于，所述交流零磁通检测模块包括：
第三磁芯和第三绕组；所述第三绕组绕制在第三磁芯上，所述第三绕组的一端接地，另一端连接所述磁通补偿模块；
所述第三绕组产生交流信号并输入所述磁通补偿模，所述第三磁芯与所述第一磁芯、所述第二磁芯的参数相同。
6.根据权利要求5所述的自激型磁通门电流传感器，其特征在于，所述磁通补偿模块包括：
比例积分器、驱动单元、补偿绕组和测量电阻；
其中，所述比例积分器的一端连接所述低通滤波器、所述第三绕组，另一端连接所述驱动单元；所述驱动单元的一端连接所述比例积分器，另一端连接所述补偿绕组；所述补偿绕组的一端连接所述驱动单元，另一端连接所述测量电阻；所述测量电阻的一端接地，另一端连接所述补偿绕组；
所述比例积分器根据输入的直流信号和所述交流信号生成补偿电流，所述驱动单元将所述补偿电流输入所述补偿绕组以驱动所述补偿绕组；所述补偿绕组根据所述补偿电流产生补偿磁场；所述测量电阻将所述补偿电流转换为测量电压。
7.根据权利要求6所述的自激型磁通门电流传感器，其特征在于，所述驱动单元为H桥驱动。
8.根据权利要求1所述的自激型磁通门电流传感器，其特征在于，所述预设的比例关系为1000，表示所述被测电流是所述补偿电流的1000倍。
9.一种自激型磁通门电流传感器的测量方法，应用在如权利要求1至8中任一项所述的自激型磁通门电流传感器上，其特征在于，包括以下步骤：
利用自激振荡电路产生激励电压感应信号并输入低通滤波器，产生第一激励电压并输入激励磁通辅助模块；利用低通滤波器滤除所述激励电压感应信号中的高频分量，将所述激励电压感应信号中的直流信号输入所述磁通补偿模块；
利用激励磁通辅助模块根据所述第一激励电压生成第二激励电压，所述第二激励电压与所述第一激励电压的大小相等但方向相反，以便在实现直流零磁通检测的同时抑制电流噪声；
利用交流零磁通检测模块产生交流信号并输入所述磁通补偿模块；
利用所述磁通补偿模块根据所述直流信号和所述交流信号生成补偿电流，将所述补偿电流产生的补偿磁通与所述被测电流产生的磁通进行抵消以实现零磁通，所述补偿电流与被测电流之间存在预设的比例关系，所述补偿电流产生的补偿磁通与所述被测电流产生的磁通大小相等但方向相反。
10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的自激型磁通门电流传感器。
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| CN202311387128.3A CN117110693A (zh) | 2023-10-25 | 2023-10-25 | 一种自激型磁通门电流传感器、测量方法及电子设备 |
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Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1808133A (zh) * | 2005-01-07 | 2006-07-26 | 旦菲斯克公司 | 用于测量电流的检测电路 |
| US20150331015A1 (en) * | 2012-10-31 | 2015-11-19 | HISEN TECH Co., Ltd. | Flux-gate type non-contact current measuring device |
| CN105304303A (zh) * | 2015-09-30 | 2016-02-03 | 中国计量科学研究院 | 一种精密交直流大电流互感器 |
| CN105353190A (zh) * | 2015-09-30 | 2016-02-24 | 中国计量科学研究院 | 一种低纹波磁调制电流传感器 |
| CN105652140A (zh) * | 2016-01-22 | 2016-06-08 | 深圳市艾华迪技术有限公司 | 一种漏电流检测电路 |
| CN108562778A (zh) * | 2018-06-21 | 2018-09-21 | 深圳市航智精密电子有限公司 | 一种开口式电流传感器及其控制方法 |
| CN110133355A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-08-16 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种磁调制电流传感器及其制作方法 |
| CN112986654A (zh) * | 2021-02-10 | 2021-06-18 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种宽频带交直流的电流测量装置 |
| CN215866858U (zh) * | 2021-04-02 | 2022-02-18 | 浙江正泰电器股份有限公司 | 零磁通电流传感器 |
| CN115267295A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-11-01 | 温州大学乐清工业研究院 | 一种磁通门电流传感器的确定方法及系统 |
| WO2022249709A1 (ja) * | 2021-05-24 | 2022-12-01 | 日置電機株式会社 | インピーダンス測定装置 |
-
2023
- 2023-10-25 CN CN202311387128.3A patent/CN117110693A/zh active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1808133A (zh) * | 2005-01-07 | 2006-07-26 | 旦菲斯克公司 | 用于测量电流的检测电路 |
| US20150331015A1 (en) * | 2012-10-31 | 2015-11-19 | HISEN TECH Co., Ltd. | Flux-gate type non-contact current measuring device |
| CN105304303A (zh) * | 2015-09-30 | 2016-02-03 | 中国计量科学研究院 | 一种精密交直流大电流互感器 |
| CN105353190A (zh) * | 2015-09-30 | 2016-02-24 | 中国计量科学研究院 | 一种低纹波磁调制电流传感器 |
| CN105652140A (zh) * | 2016-01-22 | 2016-06-08 | 深圳市艾华迪技术有限公司 | 一种漏电流检测电路 |
| CN108562778A (zh) * | 2018-06-21 | 2018-09-21 | 深圳市航智精密电子有限公司 | 一种开口式电流传感器及其控制方法 |
| CN110133355A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-08-16 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种磁调制电流传感器及其制作方法 |
| CN112986654A (zh) * | 2021-02-10 | 2021-06-18 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种宽频带交直流的电流测量装置 |
| CN215866858U (zh) * | 2021-04-02 | 2022-02-18 | 浙江正泰电器股份有限公司 | 零磁通电流传感器 |
| WO2022249709A1 (ja) * | 2021-05-24 | 2022-12-01 | 日置電機株式会社 | インピーダンス測定装置 |
| CN115267295A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-11-01 | 温州大学乐清工业研究院 | 一种磁通门电流传感器的确定方法及系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 王农: "精密测量直流大电流的自激振荡磁通门法研究", 中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑, no. 2, pages 140 - 87 * |
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