CN1260573C - 测量传感器和具有这种测量传感器的控制元件、变频器以及风力发电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量传感器，所述测量传感器用来对流经一段导体的电流与一参考电流进行比较，其包括：一个由一个环形铁心形成的磁路；一段有待测电流流经的导体，所述导体被所述的环形铁心环绕；一个设置在所述环形铁心上的次级线圈；和一个磁场测量元件，所述磁场测量元件设置在所述环形铁心的一气隙中，并对所述气隙中的磁场敏感。为了使所述的测量传感器能够可靠地检测出待测电流相对于一参考电流的高频偏移，在本发明中建议设置一参考电流设定装置，用于把一个参考电流作用在所述的次级线圈上。本发明中所述的测量传感器优选地用于测量风力发电设备的变频器的输出电流。
Description
发明领域
本发明涉及了一种测量传感器，所述测量传感器用来对流经一段导体的电流与一参考电流进行比较，其包括：一个由一个环形铁心形成的磁路；一段有电流流经的导体，所述导体被所述的环形铁心环绕；一个设置在所述环形铁心上的次级线圈；和一个磁场测量元件，所述磁场测量元件设置在所述环形铁心的一气隙中，并对所述气隙中的磁场敏感。本发明还涉及一种控制元件，所述控制元件用来控制或调整流经一导体的电流；一种变频器，所述变频器尤其适用于风力发电设备；以及一种包含一个所述变频器的风力发电设备。
背景技术
本说明书开头部分所述的测量传感器与EP 0 194 225中所述的测量传感器不同。在后者所述的测量传感器中，用作磁通量测量元件的一个霍尔元件的放大输出信号馈给所述的次级线圈。所述次级线圈的缠绕方向被设定，以使其产生的磁场方向与环绕在电流流过的导体外的磁场方向相反。在此情况下，所述次级线圈由放大器馈给的方式是试图使得由所述导体产生的磁场归零。流经所述次级线圈的电流用作对流经所述导体的电流的量度值，也就是说，所述次级线圈输出的信号给出导体中流动的瞬时电流的绝对值。
在本说明书开头部分所述的更进一步的测量传感器，与《电子工业》(electronik industrie)8-2001第49与51页中所述的不同。在后者所述的测量传感器中，还是有一个线圈缠绕在环形铁心上，流经导体的电流仍然在线圈中感应产生一个电流。所述感应电流与由霍尔元件测量到的可能存在的偏离相叠加，然后得出流经导体的电流的绝对值做为测量值。但是应该指出的是，在此种测量传感器中，感应电流的主要分量仍然流过次级线圈。霍尔元件与放大器联合可以检测流经导体的相应部分，而不能检测环形铁心上的次级线圈中流经的部分。
在已知的测量传感器中，因为相应的输出信号而不能检测环形铁心上的次级线圈中流经的部分。
本说明书开头部分所述的测量传感器进一步地还与EP 0 580 473 A1中所述的测量传感器不同。EP 0 157 054 A揭示了一种故障电流保护开关，所述故障电流保护开关在环形铁心上设置有两个线圈匝。所设置的一个比较器用来把霍尔元件的输出电压与一个参考电压进行比较，所述霍尔元件设置在环形铁心的介质空间内。然后，所述开关通过所述比较器的输出电压进行控制。
由Ogasawara et al所著的文章“用于脉宽调制变频器的数字电流传感器”，《工业应用协会年会学报》，休斯顿，1992年10月4日，美国纽约，卷1，1992年10月4日，第949页至第955页(‘A Digital Current Sensorfor PWM Inverters’，Proceedings of the Industry Applications Society AnnualMeeting，Houston，October 4，1992，New York，US，Vol.1，4th October1992，pages 949-955)，在图2中揭示了一种进一步的用于测量模拟电流的测量传感器，其与EP 0 194 225中公开的测量传感器大体上一致。
在已知的测量传感器中，因为相应的输出信号给出导体中流动的瞬时电流的绝对值，所以可以采用任何方式对其作进一步的处理。比如，通过一个后接的比较器，可以把所述电流的绝对值与一参考电流值或目标电流值进行比较，以得到控制信号，比如用于通过上述导体传递电流的变频器。因为所述电流可以轻易地达到数百安培——瞬时峰值可以达到750安培左右——所以与之相适应，次级线圈的安(培)匝(数)必须达到适当高的数目。在此情况下，可能流经次级线圈的电流越小，相应的匝(数)就必须越多。
然而，这也是公知结构的严重的不足之处。自感应也总是形成一个时间常数，并因此限制了快速反应流经导体的电流的波动。更严重的情况是，次级线圈本身的自感性，因为其带有典型的感应特性，使得快速的信号变化不可能实现。
发明内容
所以，本发明的目的在于提供一种测量传感器，对上述不利的方面加以改进，特别是使得流经导体的电流相对于参考电流甚至更高频率的偏离都能被可靠地检测到，特别是，所述测量传感器可以用于风力发电设备用的变频器中。
在本发明中，上述目的通过采用下述方式实现：设置一个参考电流设定装置，把一个参考电流作用在所述的次级线圈上，所述参考电流可设定有电流流经的导体中的电流。
与已知的结构不同，在本发明中，所述次级线圈不是连接在磁通量测量元件的输出端，也不是连接在与所述磁通量测量元件相连的放大器上。与之相反，而是馈给次级线圈一个参考电流。在本发明一个较佳的实施例中，磁通量测量元件的输出端或者连接在其上的放大器，作为信号输出端。在理想状态下，流经导体的电流与输入次级线圈的参考电流一致，以使得环形铁心中因此而产生的磁通量和磁通量测量元件输出端的信号归零。
如果所述导体中的电流的大小与所述参考电流的大小不同，在环形铁心中会因此而产生一个磁通量，并在所述的磁通量测量元件的输出端会产生相应的信号。所述信号反应导体中流动的电流与次级线圈中的参考电流之间的偏差，是上述偏差的一个量度值。因为，在磁通量测量元件与信号输出端之间的支路上不存在自感应，所以即使相对于参考电流的高频变化也能被可靠地检测到，并可以放大后通过输出端输出。相应地，以风力发电设备为例，为了以最好的方式尽可能快地使实际电流值接近于参考电流值，可以通过所述的输出信号，为变频器快速地提供相应的控制或者调整信号。
本发明中所述的测量传感器的优选的配置在从属权利要求中阐述。优选地，用一个霍尔元件作为所述的磁通量测量元件。另外，在磁通量测量元件的输出信号通过信号输出端输出之前，优选地采用放大器将所述信号放大。
为了得到导体中的电流的绝对值，可以把参考电流叠加到磁通量测量元件或者与磁通量测量元件相接的放大器的输出信号上，优选地，此过程在连接信号输出端之后的元件中执行。
本发明还涉及一种用来控制或调整导体中的电流的控制单元，所述控制单元具有一个本发明所述的测量传感器，用于测量导体中的电流。优选地，将本发明中所述的测量传感器用于风力发电设备的变频器中，以测量所述变频器的输出电流。相应地，本发明还涉及一种具有一上述变频器的风力发电设备。
附图说明
在下文中，参考附图对本发明作更为详细的描述，其中：
图1是一种已知的测量传感器的简图；和
图2是本发明所述的测量传感器的简图。
具体实施方式
图1是一个简化视图，所示为EP 0 194 225中所述测量传感器的基本原理。首先，该已知测量传感器包含一个铁磁性材料制成的环形铁心10，该环形铁心中穿过一导体16，该导体中流经可测量的电流。一个霍尔元件12设置在环形铁心10的气隙11中。导体16中流动的电流产生的磁场在环形铁心10中产生一个磁通量，该磁通量也穿过所述霍尔元件12。所述霍尔元件12的输出端的信号馈给放大器14，该放大器14的输出端与缠绕在环形铁心10上的次级线圈18相连。
这样，当电流流经次级线圈18时，该次级线圈18也形成了一个磁场。次级线圈18的缠绕方向，使得所述次级线圈18产生的磁场与导体16中电流产生的磁场方向相反。如此，所述两个磁场相互抵消，也就是说，当所述两个磁场大小相等时，在环形铁心10中将不再产生磁通量，并且随之霍尔元件12也不再产生信号。正如已知的，次级线圈18中流过的电流是导体16所产生磁场的量度值，因而，也是导体16中流动的电流的量度值。这样，可以在次级线圈18的输出端20处测量，得到一个表征导体16中流动电流的量度的信号。
输出端20的所述输出信号，因为表征瞬时电流的绝对值，所以可以采用任何期望的方式对之作进一步地处理。通过后接的比较器(未图示)，可以把该值与参考值进行比较，比如，可以由此得到变频器的控制信号，所述变频器的电流是通过导体16传递的。
因为所述的电流容易达到数百安培，所以次级线圈18的安培匝数必须达到相应多的匝数。在这种情况下，流经次级线圈18的电流越小，与此相应的匝数必须越多。这种结构的另一个严重不足之处在于，因为此种结构的自感应总是形成一个时间常数，限制了对流经导体16的电流的高频偏离的快速响应。另一方面，次级线圈18本身的自感应也增加了难度，因为其自身的感应性，使得不能实现快速的信号变化。
本发明所述的测量传感器的一个实施方式如图2所示。所述测量传感器也包含一个环形铁心10，所述环形铁心10包含一块带气隙11的铁磁性材料，在所述的气隙中也设置有一个磁通量测量元件12，比如还是一个霍尔元件。在所述霍尔元件12的输出端连接着一个放大器14，用以放大霍尔元件12的电输出信号。与已知的测量传感器一样，待测电流流经的导体16穿过环形铁心10。
与已知的测量传感器不同的是，次级线圈18不是与放大器14的输出端连接。其代替方案是，所述次级线圈18的一端为输入端子22，其另一端接地。放大器14的输出端用作信号输出端24。
然而在已知的测量传感器中，次级线圈18总是被供给一个用来补偿导体16的磁场的电流，如此形成对流经导体16的待测电流的测量值，在本发明中，把预先设定的一个参考电流供给次级线圈18。所述参考电流是通过一个参考电流设定装置26传送至输入端子22的。在理想状态下，导体16中的电流与所述的参考电流一致，使得环形铁心10中的磁通量为零，霍尔元件12的信号为零，这样，输出端24也没有信号输出。
如果导体16中流动的电流偏离参考值，会在环形铁心10中产生一个磁通量，并在霍尔元件12中产生相应的信号，该信号通过放大器14放大后，到达输出端24。所述输出信号表征导体16中的电流相对于次级线圈18中流过的参考电流的偏离程度。
当本发明中所述的测量传感器用于测量变频器的输出电流时，也就是说，当待测电流流经导体16时，参考电流的频率是50Hz。这会使次级线圈18中的电流产生一个非常缓慢的变化。因此，次级线圈18的自感应无关轻重。
应该指出的是，导体16中电流的波动，根据外部影响，比如网络的电抗，可能频率很高。但是，在本发明所述的技术方案中，因为在包含霍尔元件12、放大器14和输出端24的支路中不存在自感应，所以甚至是更高频率的相对于参考电流的偏离都能被可靠地检测、放大并通过输出端24输出。相应地，也可以从输出端24的信号快速地为变频器(未图示)产生相应的控制或调整信号，其方式为：采用一个控制单元28，使实际电流的大小与参考值尽可能快地一致。
在已知的结构中，为了在参考值与实际值之间进行比较，比较器必须连接在测量传感器之后，本发明中的结构与其不同，所述比较过程已经在测量传感器中完成了。环形铁心10与霍尔元件12合在一起，可以被看作一个比较器，因为霍尔元件12只提供表征参考值与实际值之间的偏离的信号。
本发明所述电路的优点是，其中的输出端24上的差信号，既可以用模拟信号的形式进行进一步的处理，又可以采用如施密特(Schmitt)触发器之类的器件，将之转化为用于变频器的数字控制信号。
导体中流过的电流的绝对值的测量，可以采用本发明中所述的测量传感器，把参考信号叠加到放大器14的输出信号上而得到。然而，所述的叠加后的信号并不馈给次级线圈18。所述的信号叠加优选地可以在后接于放大器14的器件中执行。
本发明所述的测量传感器更适宜用于风力发电设备，以测量变频器的输出电流，在所述风力发电设备中，优选地，变频器的各相都使用一个独立的测量传感器。
Claims (9)
1.一种用来对流经一段导体(16)的电流与一参考电流进行比较的测量传感器，包括：
一个由一个环形铁心(10)形成的磁路；
一段有电流流经的导体(16)，所述导体(16)被所述的环形铁心(10)环绕；
一个设置在所述环形铁心(10)上的次级线圈(18)；和
一个磁通量测量元件(12)，所述磁通量测量元件(12)设置在所述环形铁心的(10)一气隙中，并对所述气隙中的磁场敏感，
其特征在于：所述的测量传感器中设置有一参考电流设定装置(26)，以把一个预先确定的参考电流作用在所述的次级线圈上(18)，所述的参考电流可设定有电流流过的导体(16)中的电流，并且所述测量传感器中的磁通量测量元件(12)适合于传递代表所述参考电流与所述流经导体(16)的电流之间的差值的差信号。
2.如权利要求1所述的测量传感器，其特征在于：所述磁通量测量元件(12)是一霍尔元件。
3.如前述权利要求中任一项所述的测量传感器，其特征在于：连接在所述磁通量测量元件(12)输出端之后的是一个用来放大所述磁通量测量元件(12)的电输出信号的放大器(14)。
4.如前述权利要求中任一项所述的测量传感器，其特征在于：所述的测量传感器中有一个控制或调整单元(28)，用以控制或调整所述导体(16)中流过的电流，以此使得流经所述导体(16)的电流接近于所述的参考电流。
5.如前述权利要求中任一项所述的测量传感器，其特征在于：一装置连接在所述磁通量测量元件(12)之后，用于把所述参考电流与所述磁通量测量元件(12)的输出信号叠加起来，以形成待测电流的绝对值。
6.一种用于控制或调整流经一导体(16)的电流的控制元件，所述控制元件具有一如前述权利要求中任一项所述的用于测量流经所述导体(16)的电流的测量传感器。
7.一种变频器，具有一个如权利要求6所述的控制元件，用以控制所述变频器的输出电流。
8.如权利要求7所述的变频器，其特征在于：所述参考电流设定装置(26)是所述变频器的一组成部分。
9.一种具有如权利要求7或8所述的变频器的风力发电设备。
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