CN117723807A - 一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，包括非接触式高频电流传感器、第一通道输出端子、第二通道输出端子和第三通道输出端子，所述第一通道输出端子与所述非接触式高频电流传感器相连，输出基频电流信号和直流信号；所述第二通道输出端子和所述第三通道输出端子通过信号处理电路与所述非接触式高频电流传感器相连，分别输出高频电流信号和开关事件信号；所述非接触式高频电流传感器利用电力电子系统自带的电流传感器进行设计。与现有技术相比，本发明通过非接触方式采集电力电子系统中宽频段范围的电流信号并通过信号处理电路实现多通道输出，具有安全、灵敏、适用性强、精度高的优点。

Description

一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置

技术领域

本发明属于电力电子系统监测技术领域，尤其是涉及一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置。

背景技术

现代电力电子系统中一般用电流传感器如霍尔电流传感器，采集电流作电流和功率控制，现有的霍尔电流传感器能够较为精确地采集基波电流或者反映PWM谐波，从功率控制的角度能够满足要求，但是电力电子系统结构复杂，实际运行工况呈现强动态特点，而功率器件的热耐量时间尺度小，对系统的安全可靠运行提出了极高的要求。电力电子装置中的常规电流传感器难以全面监测系统运行状态和健康状态。电力电子功率器件的高速开关会在系统中激励产生高频暂态响应电流，其中蕴含着丰富的系统状态信息和开关事件信息，利用这些信息可以对电力电子系统进行健康状态感知和监测，但其频率一般较高为MHz以上，常规霍尔电流传感器带宽不能满足需求。因此，从电子系统安全可靠运行的角度，需要在不同的时间尺度监测系统的运行状态，在采集基波电流的同时又能够采集高频暂态电流信息和开关事件信息。

中国专利申请CN202010258599.4公开了一种隔离电流传感器，通过采集采样电阻上的压降将电流信号转变为电压信号，并通过隔离放大输出，另通过罗氏线圈采集电路中的高频电流信号经滤波后输出。该发明结构简单，体积小，但是实际采样电阻上的电压采集与原边电路仍有接触，且采样电阻精度有限，容易受温度影响，无法保证其准确性。中国专利申请CN201210159878.0公开了一种无线电流传感器，使用电流互感器感应线路中的电流大小，并从中汲取能量用于将采集到的信号通过无线数据收发器发送至接收端。该发明使用无线发送数据具有新意，但是电流互感器能采集到的信号带宽非常有限，无线发送数据不能保证实时性。中国专利申请CN201310438624.7公开了一种基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器及联合监测系统，使用具有开口磁芯的罗氏线圈采集电缆中的高频局放检测信号，灵敏度高，抗干扰能力强，但是不能采集到低频信号和直流信号，无法满足系统基本的过流保护等需求。综上所述，需要设计一种电力电子传感装置，满足电气隔离的安全性、高速传递电流信号的实时性以及宽频段输出特性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，解决高集成度电力电子系统宽频段、多时间尺度的状态感知难题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，包括非接触式高频电流传感器、第一通道输出端子、第二通道输出端子和第三通道输出端子，

所述第一通道输出端子与所述非接触式高频电流传感器相连，输出基频电流信号和直流信号；所述第二通道输出端子和所述第三通道输出端子通过信号处理电路与所述非接触式高频电流传感器相连，分别输出高频电流信号和开关事件信号；

所述非接触式高频电流传感器利用电力电子系统自带的电流传感器进行设计。

进一步地，所述非接触式高频电流传感器的设计具体如下：将线圈绕组绕制在电力电子系统自带的电流传感器的外壳上，作为所述非接触式高频电流传感器的感应线圈。

进一步地，所述信号处理电路包括积分电路和开关时间处理电路，所述线圈绕组与积分电路相连，所述积分电路与开关时间处理电路以及所述第二通道输出端子相连，所述开关时间处理电路和所述第三通道输出端子相连。

进一步地，所述积分电路为自积分电路。

进一步地，所述积分电路为外积分电路。

进一步地，所述开关时间处理电路使用电压比较器将高频电流信号与参考电压作比较，比较结果作用于施密特触发器，输出开关事件信号。

进一步地，所述开关时间处理电路使用峰值检测电路，当检测到一次峰值时输出一次信号。

进一步地，电力电子系统自带的电流传感器通过低通滤波器与所述第一通道输出端子相连。

进一步地，所述低通滤波器为数字式低通滤波器或模拟式低通滤波器。

进一步地，所述第一通道输出端子、第二通道输出端子和第三通道输出端子采用BNC端子或SMA接线端子。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用电力电子系统自带的电流传感器设计高频电流传感器，以非接触方式精确采集并以多通道的形式快速输出用于电力电子系统功率控制的基频电流信号和直流信号、用于反映系统健康运行状态的高频电流信号和用于反映功率器件开关状态的开关事件信号，在多时间尺度上安全的监测电流，实现了高集成度电力电子系统宽频段、多时间尺度的状态感知，为系统状态监测、控制和保护提供更全面的信息。

2、本发明适用于大部分有开关器件的电力电子系统，且系统无需额外的传感器，利用系统中现有的传感器外绕线圈，通过信号处理电路，包括积分电路和开关时间处理电路，即可增加高频电流信号和开关事件信号的输出，使状态感知装置可以进一步小型化，成本低、集成度高，更适用于现代电力电子系统。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中，1、电力电子系统自带的电流传感器；2、低通滤波器；3、第一通道输出端子；4、磁芯；5、线圈绕组；6、积分电路；7、第二通道输出端子；8、开关时间处理电路；9、第三通道输出端子；10、被测导线；

图2为使用本发明的电气实验原理图；

图3为本发明三通道输出波形图；

图4为本发明第一通道输出波形与商用电流探头输出波形对比图；

图5为本发明第二通道输出波形与商用电流探头输出波形对比图；

图6为本发明第三通道输出波形与IGBT集电极-发射极电压波形对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

本实施例提供一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，如图1所示，利用电力电子系统自带的电流传感器1设计非接触式高频电流传感器，通过第一通道输出端子3输出基频电流信号和直流信号，通过第二通道输出端子7输出高频电流信号，通过第三通道输出端子9输出开关事件信号。第一通道输出端子3、第二通道输出端子7和第三通道输出端子9可以使用BNC端子或SMA接线端子。

电力电子系统自带的电流传感器1可以为霍尔电流传感器，用于检测并输出被测导线10中的基频电流信号和直流信号，并为线圈绕组5提供骨架支撑和磁芯4，电力电子系统自带的电流传感器1的输出频率范围一般为0-200kHz，结构可以采用穿孔式或开口式。磁芯4通常镶嵌于电力电子系统自带的电流传感器1的外壳内，有绝缘材料包裹，其材料包括但不限于坡莫合金、硅钢片、纳米非晶体、铁氧体，用于导磁。非接触式高频电流传感器的参数需根据磁芯4的实际尺寸计算，非接触式高频电流传感器的下限频率与磁芯4的相对磁导率与成反比，灵敏度与磁芯4的相对磁导率成正比。

线圈绕组5均匀或非均匀绕制在的电力电子系统自带的电流传感器1的外壳上，作为非接触式高频电流传感器的感应线圈，其材质包括但不限于漆包线、护套线；其匝数需根据所需采集高频信号频率范围、灵敏度以及后级积分电路参数决定，且灵敏度和下限频率与匝数成反比；其线径需考虑被测导线的直径，在不影响其穿过电流传感器通孔的范围内即可。

积分电路6前与线圈绕组5相连，后与第二通道输出端子7相连，积分电路6包括但不限于由终端电阻组成的自积分电路以及由运算放大器构成的外积分电路，其输出信号的灵敏度和下限频率与积分电路等效电阻值成正比。

开关事件处理电路8前与积分电路6相连，后与第三通道输出端子9相连，包括但不限于以下方案：方案1)使用电压比较器将高频电流信号与参考电压作比较，比较结果作用于施密特触发器，输出开关事件信号；方案2)使用峰值检测电路，当检测到一次峰值时输出一次信号。选取电压比较器以及运算放大器芯片时建议使用压摆率为500V/us以上，带宽为50M以上的型号用于保证输出实时性。

低通滤波器2前与电力电子系统自带的电流传感器1相连，后与第一通道输出端子3相连，用于滤除基波电流信号中的噪声干扰，如PWM纹波和开关噪声干扰，可以使用数字式或模拟式低通滤波器。数字式滤波器包括但不限于使用DSP、单片机、计算机平台的数字滤波算法，模拟式滤波器包括但不限于一阶RC低通滤波器，其截止频率可以根据具体应用电路正常工作时的基波频率设定。

本实施例中，通过对比实验对本发明的可行性与有效性进行了验证。实验系统如图2所示，包括电压为V_DC的直流电源、IGBT逆变器、负载电机、示波器和本发明设计的非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，IGBT逆变器及负载电机系统参数如表1所示，非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置的设计参数如表2所示，将本发明应用在图2所示的实验系统中进行了状态感知实验。

表1IGBT逆变器及电机系统参数

表2非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置参数

如图2所示，每一相都设置有一个非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，选取其中一相，在系统正常运行时，测得本发明三个通道输出的波形如图3所示，可以看到本装置的三个通道分别输出了与预期功能相符的信号。第一通道3输出基频电流与商用电流探头对比如图4所示，可以看到本发明第一通道输出的基频信号准确，能够用于功率控制和过流保护等；第二通道7输出高频电流信号与商用电流探头对比如图5所示，可以看到本发明第二通道输出的高频信号准确，能够用于系统健康状态监测；第三通道9输出开通事件信号与IGBT集电极-发射极电压对比如图6所示，可以看到本发明第三通道输出的开通事件信息准确，与IGBT开关状态一一对应，能够反应器件的故障信息和开关频率信息等。综上所述，本发明可以在多时间尺度上，为系统状态监测、控制和保护提供全面的信息，具有安全、灵敏、适用性强和精度高的优点。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，其特征在于，包括非接触式高频电流传感器、第一通道输出端子(3)、第二通道输出端子(7)和第三通道输出端子(9)，

所述第一通道输出端子(3)与所述非接触式高频电流传感器相连，输出基频电流信号和直流信号；所述第二通道输出端子(7)和所述第三通道输出端子(9)通过信号处理电路与所述非接触式高频电流传感器相连，分别输出高频电流信号和开关事件信号；

所述非接触式高频电流传感器利用电力电子系统自带的电流传感器(1)进行设计。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，其特征在于，所述非接触式高频电流传感器的设计具体如下：将线圈绕组(5)绕制在电力电子系统自带的电流传感器(1)的外壳上，作为所述非接触式高频电流传感器的感应线圈。

3.根据权利要求2所述的一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，其特征在于，所述信号处理电路包括积分电路(6)和开关时间处理电路(8)，所述线圈绕组(5)与积分电路(6)相连，所述积分电路(6)与开关时间处理电路(8)以及所述第二通道输出端子(7)相连，所述开关时间处理电路(8)和所述第三通道输出端子(9)相连。

4.根据权利要求3所述的一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，其特征在于，所述积分电路(6)为自积分电路。

5.根据权利要求3所述的一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，其特征在于，所述积分电路(6)为外积分电路。

6.根据权利要求3所述的一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，其特征在于，所述开关时间处理电路(8)使用电压比较器将高频电流信号与参考电压作比较，比较结果作用于施密特触发器，输出开关事件信号。

7.根据权利要求3所述的一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，其特征在于，所述开关时间处理电路(8)使用峰值检测电路，当检测到一次峰值时输出一次信号。

8.根据权利要求1所述的一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，其特征在于，电力电子系统自带的电流传感器(1)通过低通滤波器(2)与所述第一通道输出端子(3)相连。

9.根据权利要求8所述的一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，其特征在于，所述低通滤波器(2)为数字式低通滤波器或模拟式低通滤波器。

10.根据权利要求1所述的一种非接触式电力电子系统宽频电流多通道状态感知装置，其特征在于，所述第一通道输出端子(3)、第二通道输出端子(7)和第三通道输出端子(9)采用BNC端子或SMA接线端子。