CN1189620A - 使电流变压器芯饱和测量交流电流的装置和方法 - Google Patents

Abstract

通过测量到达饱和点的次级电流并使该结果乘以次级电流基本为零时饱和之后的波形缺损部分所形成的调节因子,实质性地增加了电流变压器的动态范围。调节因子是用来确定希望的电流测量的电流的函数(诸如用于RMS测量的sine²)的积分对到达饱和点的函数的积分的比。函数的累计值乘以调节因子而产生调节的累计值用来计算该电流。在由计算机进行数字化实现时,调节因子存储在由非零样本的计数(即饱和之前的样本数)作索引的一个表中。

Description

使电流变压器芯饱和测量交流电流的装置和方法

本发明涉及测量交流(AC)电流的装置和方法，并特别涉及使用电流变压器测量AC电流，这种电流变压器在使用到达饱和点的次级电流值的高电流达到饱和。

电流变压器(CT)通常用于检测AC电流。例如，它们常用在载荷控制和检测装置中，诸如接触器；电动机起动器和控制器；电路断路器；监视器和分析器；并带有配电系统。在许多这种应用中，负载电流可能有很宽的动态范围。遗憾的是，通常用于电流变压器芯的磁性材料限制了检测装置的动态范围。最高磁通密度是动态范围上端限制因素，而芯损耗/衰减的导磁率是下端限制。对于给定的芯材料和需要的精度，这些参数限制了电流变压器的工作范围。虽然通过增加芯材料的体积和/或次级线圈的匝数可以延伸动态范围，但这些办法增加了常常是很苛刻的CT的尺寸，并还增加了在低端产品不可接受的成本。由于许多这种产品是多方面的，故这些因素的影响是复杂的。

1996年1月31日提交的共同拥有的美国专利申请No.08/594,977透露了一种装置和方法，该装置和方法对于到达电流波形90度之才使得芯饱和这样量值的电流使给定的电流变压器动态范围加倍。这是只使用零交叉和90度点之间的电流数值实现的。为了产生RMS电流测量，对从零到90度的电流的平方积分，并然后在求出平方根计算RMS电流之前加倍。这一现有应用的方法和装置还考虑了复位能量，因而对于测量非失真AC电流是相当精确的。该技术是由微型计算机实现的，微机对次级电流进行数字采样并使用程序确定由饱和的芯中的复位能量产生的电流掩盖的零交叉。对于测量使用一种采样速率并使用较快采样速率监测零交叉的这一技术，对微机造成沉重的处理负担，并在使电流变压器动态范围倍增方面受到限制。

需要一种改进的方法和装置，使用在被测电流动态范围高端饱和的电流变压器用于测量AC电流。

需要能够增加电流变压器动态范围二倍以上的那样一种改进的方法和装置。

还需要那样一种改进的方法和装置，它在进行数字处理时对微机不造成过度的负担。

又需要一种改进的装置和方法，它不需要以两个不同的采样速率对波形采样。

本发明满足了这些和其它需要，本发明涉及使用被测AC电流动态范围高端饱和的电流变压器用于测量AC电流的方法和装置，这种方法和装置使用到达饱和点的次级电流测量。包括甚至是在AC电流90度之前的芯饱和，这种情形下动态范围能够增加到一个数量级。具体而言，与所进行的检测相关的次级电流量值的被选的函数被累计到饱和点。然后通过与芯饱和在波形中的出现点相关的或系数调节变量来调节这一累计值。一般来说，调节变量是一种比例系数，即要求测量所需要选择的非饱和正弦波函数的积分与到达饱和点的正弦波的选择的函数的积分的比率。

本发明最好由对电流变压器次级电流进行数字化采样的传感装置数字化地实现。对选择的数字采样量值函数进行累计以产生累计值。变量调节是通过调节装置施加的，该调节装置包含用来产生非零采样计数(换言之，即饱和之前的采样计数)的装置。适当的系数存储在由非零采样计数作索引的表中。累计数值乘以所述系数以产生被调节的积累值，然后该累计值由输出装置使用以产生选择的测量。对于RMS(均方)电流测量，数字采样的量值被平方并求和以产生累计值。存储在计算机表中的系数是作为非饱和正弦波平方的积分与到达饱和点平方的正弦波积分的比率而产生的。平方的累计和乘以所述系数或调节变量以产生被调节的积累。输出装置对被调节的积累值求平方根而产生RMS电流信号。可通过积累非零或饱和之前次级电流采样量值的和而产生平均电流信号。系数或调节变量是作为非饱和正弦波积分与到达饱和点正弦波积分的比率而产生的。调节的积累值除以一周期中的采样数以产生平均电流信号。

本发明既涉及使用到达饱和点的次级电流的测量而测量电流变压器的AC电流的装置也涉及其方法。

可从以下参照附图阅读优选实施例的说明而获得对本发明彻底的理解，这些附图是：

图1是结合本发明的电动机起动机安装的原理图。

图2是表示饱和的电流变压器响应的曲线图。

图3A和3B表示用来实现本发明的计算机程序的流程图。

将对本发明作为用于包括用来测量负载电流的电流变压器的电动机起动机进行说明。需要由这些电流变压器测量的负载电流具有能够引起电流变压器芯饱和的很宽的动态范围。本发明对电动机起动机的应用只是作为示例，业内专业人士应当能够理解，本发明对于用于测量宽动态范围电流的电流变压器具有广泛的应用。

参见图1，结合了本发明的电动机起动机1控制着由电源5通过三相导体7A，7B，和7C供给的三相AC电流激励的电动机3。电动机起动机1包括一个装有线圈11的接触器9，该线圈在受到激励时闭合将导体7A，7B与7C中的触头13A，13B和13C以便把电动机3连接到电源5。

电动机起动机1还包含具有电流变压器(CT)17A，17B和17C的过载继电器15，这些电流变压器提供表示各相导体7A，7B和7C中电流的模拟信号。每一电流变压器各包含环形芯19A，19B和19C。各个导体7A，7B，和7C通过环形芯形成电流变压器的初级线圈。次级线圈21A，21B，和21C产生表示相关导体中电流的模拟信号。这些模拟信号通过导线25A，25B，和25C加到模拟-数字(A/D)转换器23。A/D转换器2 3以由微机25控制的间隔数字化模拟CT次级电流。数字化的电流样本由微机25用来提供对电动机的过载保护，其方式是业内人士所熟知的。如果超过预定的电流/时间特性，则微机停止激励接触器9的线圈11打开触头13A，13B和13C，并从而停止激励电动机3。

如上所述，由CT 17测量的电流具有宽的动态范围。动态范围的高端电流可能使CT芯19饱和。这一状态示于图2，其中轨迹27表示加到CT 17的初级电流，而轨迹29表示次级电流。正如所见，芯在点31处所示波形中的饱和正好通过电学上90度点，故CT的输出降为零。于是，CT虽然是饱和的，也提供了到达饱和点电流的精确测量。

根据本发明，到达饱和点的电流乘以一个因子，该因子表示采样周期剩余时间的电流值没有饱和发生。施加的该因子取决于饱和点及所作的电流测量的类型，并且是在没有饱和的整个半周期上被积分的为了提供所希望的测量而被选择的电流函数与半周期中到达饱和点被积分的所选择的电流函数的比率。例如，如果要测量电流的RMS数值，则该因子等于求平方的正弦波积分比上到达饱和点求平方的正弦波积分。当希望测量平均电流时，该因子等于半个周期的正弦波的积分对半周期中到达饱和点的正弦波积分的比率。

在本发明的优选实施例中，正如微机这样的数字处理器被用来产生表示所希望的电流测量的输出信号。这样，包含模拟-数字转换器的传感电路被用来数字化CT的次级电流的样本。当芯饱和时数字样本的量值基本为零，于是可通过计数样本值非零的采样周期中全部样本数目中之外的样本数来判断饱和点。每次计数脉冲之后对于饱和的调节变量系数的预先计算的数值可存储在由计算机检索的表中。本发明的示例性实施例中，使用了单级模拟-数字转换器，于是数字采样在反向半周期将具有零值。这种情形下，为了确定要施加的可用的调节因子，非零数字样本的计数仅与半周期的采样周期中的样本数有关。

在产生表示AC电流的RMS数值的输出信号时，把数字电流样本的数值平方并求和以产生累计数值。这一累计数值乘以如上所述选择的调节因子，以便产生作为被调节的平方和的被调节的累计数值。然后求被调节的平方和的平方根以判断电流的RMS数值。类似地，在产生表示平均电流值的输出信号时，对电流样本的量值求和以产生累计的数值，然后该数值乘以用于平均电流的调节因子以产生调节的和，然后这一和除以半周期中的样本数。

如前所述，在新半周期开始芯由于脱离饱和，芯复位能量使CT次级电流畸变。在图2中33处可以看到，在CT初级电流的37处负到正零交叉之前在35处的正方向次级电流开始上升。为了尽量减小这一复位能量引起的误差，本发明只使用具有阈值以上的量值的样本，该阈值是电流在时间上CT初级电流真正的零交叉出现之处39处的电流值。

以下是本发明使用双极模拟-数字转换器的一例，于是只测量交替半周期的样本，且其中每周期产生八十个样本，或者每半周期四十个样本。这样，在每4.5°的电学角度进行采样。在产生用于测量电流的RMS数值调节因子时，使用以下积分函数

调节因子是整个半周期的这一积分对到达饱和点的半周期部分的比率，或者：

方程式2的分子数值为π/2，于是调节因子方程式变为：

从45°到180°的4.5°增量芯饱和调节因子的数值示于表一中如下：

            表一

非零样本数	饱和前的非零样本角度	系数
10	45	11.008
			11	49.5	8.4886
12	54	6.7279
			13	58.5	5.4588
14	63	4.5199
			15	67.5	3.8101
16	72	3.2632
			17	76.5	2.8349

18	81	2.4949
			19	85.5	2.2217
			20	90	2
21	94.5	1.8185
			22	99	1.6689
23	103.5	1.5450
			24	108	1.4419
25	112.5	1.3559
			26	117	1.2841
27	27	1.2243
			28	126	1.1746
29	130.5	1.1335
30	135	1.0999
			31	139.5	1.0727
32	144	1.0511
			33	148.5	1.0343
34	153	1.0217
			35	157.5	1.0126
36	162	1.0065
			37	165.5	1.0028
38	171	1.0008
			39	175.5	1.0001
40	180	1

图3A和3B表示用于实现本发明由计算机25运行的中断程序41的流程图。程序41在43被调用，在示例中在43样本速率为每秒80次。响应于该中断，在45进行采样。如果样本的量值大于图2中设置的高于点39的阈值，如在47确定的，这时非零计数器在49增加一。在两种情形下，都要在51处进行检验以判断样本量值是否大于最小饱和电平。最小饱和电平是在其以上即可预期芯将饱和的那样一个电平。如果大于，则在53处设置饱和标志。如果似乎没有饱和发生，则允许程序旁路对于饱和的调节。设置阈值带有足够的裕度以保证标志是对结果将必然饱和的电流设置的。

不论是否预期饱和，在55对样本的量值求平方并在57加到在一个采样周期中对所有样本平方和的累计中，以便产生累计值。这一处理对每周期所取的全部八十个样本重复进行。对于如在59处确定第八十样本以前的样本，样本计数器在61计数。当取得最后一个样本时，在63进行检验看是否已经设置了饱和标志。如果已经设置，则如65处所示，对计算机中的索引寄存器加入包含调节因子的表的地址。然后在67处通过检索存储在索引加非零计数器中的计数减去表偏移处的因子，对在发生饱和的半周期中的点检索调节因子。表偏移是考虑到表不包含在周期中早先发生的饱和的项，这在本例中是45°以前。于是，由于表中的第一项是对45°处取得的第十个样本，故表一中的偏移是十(10)。然后在69调节因子乘以所述的和或累计值以产生调节的和或调节的累计值。

然后在71没有饱和而没调节的和或者和调节的传送到主程序缓存器。然后主程序对累计的平方和取平方根而产生表示RMS数值的输出信号。在需要电流平均值的情形，主程序把样本量值调节的或者没调节的累计值除以40(半测量周期中的样本数)以产生平均值。然后在73非零计数器清零，复位样本计数器，饱和标志清除且求和清零，以便在75中断程序退出之前准备产生另一个数据周期。

以上的例子说明了在数字样本以每周期八十个样本的速率产生时本发明的实现方式。在本发明的许多应用中逐一周期地计算电流是不必要的，可以使用等价采样技术这可进一步减轻计算机的负担。在等价采样技术中，不是按每周期整数个样本的速率取得样本，使得后继周期上在稍微不同的时间或者电学角度取得样本。虽然采样速率在一个周期中不产生整数个样本，但在数个周期中它产生整数个样本。选择周期的数目及样本的定时使得在采样期间的周期上，样本均匀地分布在周期上。于是，在本发明一优选实施例中，按每六个周期九十七个样本的速率对电流进行采样。这产生了每周期16.167个样本的采样速率，于是在每22.268电学角度采样。通过累计在六个周期上这样取得的样本，实现了每六个周期九十七个样本的等价采样速率。这种等价采样速率适用于量值变化不快的电流，诸如由过载继电器15测量热过载。

本发明明显扩展了CT的动态范围，使得较小的比较廉价的CT可测量给定的动态范围的电流。实现这一点并没有给计算机增加额外的负担。仅需要较慢的采样速率。

虽然已经详细描述了本发明特定的实施例，业内专业人士会明白，遵从所透露的技术可以研制出细节上不同的各种变形和替代物。于是，所透露的特定配置仅仅是作为示例，而并不是对本发明范围的限制，本发明的完全范围是由所附权利要求及其任何及所有等价物给出的。

Claims (20)

1.测量具有给定动态范围的电流的装置，该装置包括：

具有初级线圈、次级线圈及芯的电流变压器，初级线圈加有AC电流，次级线圈产生正比于所述AC电流的次级电流，芯耦合所述初级线圈和所述次级线圈，所述芯在所述给定的所述AC电流动态范围的高端饱；以及

检测所述次级电流的传感装置；以及

响应所述传感装置的测量装置，用来从到达所述芯任何饱和被传感的所述次级电流产生表示对所述AC电流选择的测量的输出信号。

2.权利要求1的装置，其中所述测量装置包括从到达所述芯任何饱和被检测的所述次级电流产生RMS电流信号的装置。

3.权利要求1的装置，其中所述测量装置包括用来从到达所述芯任何饱和被检测的所述次级电流产生平均电流信号的装置。

4.权利要求1的装置，其中所述测量装置包括在所述次级电流的一个周期期间产生作为到达所述芯饱和点的所述次级电流量值的选择的函数累计值的装置，向所述累计量值施加调节变量以产生调节的累计量值的调节装置，所述调节变量是基于所述次级电流周期期间所述芯的所述饱和点选择的，以及从所述调节的累计量值产生表示所述选择的对所述AC电流的测量的所述输出信号的装置。

5.权利要求4的装置，其中所述调节装置包括把所述累计量值乘以一个系数的装置，该系数是选择的无饱和正弦波函数的积分对所述选择的到达所述饱和点的正弦波函数积分之比。

6.权利要求5的装置，其中产生所述累计值的所述装置产生次级电流量值平方和，所述调节装置把所述次级电流量值平方和乘以一个系数，该系数是所述无饱和正弦波平方的积分对到达所述饱和的正弦波函数平方积分之比，以便产生所述调节的累计值，并且产生所述输出信号的所述装置包括产生作为所述调节累计值的平方根的RMS电流信号的装置。

7.权利要求5的装置，其中产生所述累计数值的所述装置产生次级电流量值的和，所述调节装置包括把所述次级电流量值的所述和乘以一个系数的装置，该系数是所述采样周期无饱和的所述正弦波的积分对所述正弦波到达饱和点的积分的比率，并且产生所述输出信号的所述装置包括产生作为调节的累计数值除以所述次级电流的所述采样周期的持续时间的一个平均电流信号。

8.权利要求4的装置，其中所述传感装置包括产生所述次级电流数字样本的数字采样装置，所述数字样本具有与包含在所述芯饱和时基本为零的量值的所述次级电流量值相关的量值，并且其中所述测量装置包括带有所述累计装置的数字处理装置，所述累计装置包括累计所述数字样本量值的所述选择的函数的和以产生所述累计数值的装置，所述调节装置包括产生饱和之前对采样周期中样本计数的计数装置，以及基于所述计数选择所述调节变量值的装置。

9.权利要求8的装置，其中选择所述调节变量值的所述装置包括表装置，该表中存储用于所述芯饱和之前样本的所述计数的系数。

10.权利要求9的装置，其中所述表装置存储系数，这些系数是选择的无饱和正弦波函数的积分对到达所述饱和点样本的每一计数选择的所述正弦波函数的积分的比率。

11.权利要求10的装置，其中产生所述累计数值的所述装置产生数字样本量值的平方和，所述调节装置包括把所述平方和乘以一个系数以产生所述调节的累计值，该系数是无饱和正弦波的平方的积分与对于到达饱和点样本数平方的正弦波积分的比率，并且所述输出装置包括产生作为所述调节的累计值的平方根的RMS电流信号的装置。

12.权利要求10的装置，其中产生所述累计值的所述装置产生到达芯饱和点数字样本量值的和，所述调节装置包括使所述数字样本量值的和乘以一个系数以产生所述调节的累计数值的装置，该系数是采样周期期间无饱和正弦波积分对到达饱和的样本计数正弦波的积分的比，并且所述输出装置包括产生作为调节的累计值除以所述次级电流的所述采样周期中数字样本数的平均电流信号的装置。

13.权利要求1的装置，其中所述传感装置包括产生所述次级电流的数字电流样本的数字采样装置，并且其中所述测量装置包括从到达所述芯的任何饱和的所述数字电流样本产生表示所述选择的AC电流的测量的所述信号的数字处理装置。

14.权利要求13的装置，其中所述数字采样装置包括产生具有正比于包含所述芯饱和时基本为零的量值的所述次级电流量值的数字样本的装置，并且所述数字处理装置包含累计每一数字样本的所述量值函数之和的装置，产生周期期间非零数字样本非零计数的装置，向所述和施加基于所述非零计数的系数以产生调节的和的装置，以及从所述调节的和产生所述输出信号的装置。

15.权利要求14的装置，其中施加所述系数的所述装置包括含有对每一非零计数具有预定系数的表的存储器装置。

16.使用具有芯的电流变压器测量具有宽动态范围的AC电流的方法，该芯在所述动态范围高端饱和，所述方法包括步骤：

检测所述电流变压器次级电流；以及

从到达所述次级电流饱和的所述次级电流的量值确定选择所述AC电流的测量。

17.权利要求16的方法，其中确定所述选择的测量的所述步骤包括累计到达芯饱和点的周期期间次级电流量值的选择的函数数值，向所述累计的数值基于所述芯的饱和点施加一调节变量以便产生调节的累计数值，并从所述调节的累计数值产生表示选择的所述AC电流测量的信号。

18.权利要求17的方法，其中所述检测包括对所述电流变压器次级电流的数字采样以产生次级电流的数字样本，累计所述累计的数值包括累计选择的到达芯饱和的所述数字样本的函数的和，且施加调节变量包括产生非零数字样本的计数，并把所述累计的和乘以基于非零样本计数选择的系数。

19.权利要求17的方法，其中累计作为选择的次级电流量值的函数的累计数值的所述步骤包括产生作为所述数字样本平方和的累计数值，且所述产生输出信号包括作为调节累计数值的平方根产生一RMS电流信号。

20.权利要求18的方法，其中累计选择的数字样本函数之和的所述步骤包括累计采样周期期间数字样本量值之和，以及产生所述输出信号包括产生作为调节的累计和除以所述采样周期中样本数的平均电流信号。

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