CN1316090A - 双额定电流互感器电路 - Google Patents

Abstract

一种双额定电流互感器电路(10)具有输送第一电流(I_A)的第一电流线路(12)和输送第二电流(I_B)的第二电流线路(14)。电流互感器(20)连接到第一和第二电流线路,其中互感器产生与第一和第二电流线路中每个的电流成比例的电流。由于降低了到互感器的输入电流以及允许减小尺寸的互感器设计技术,使得所述电路小型化。

Description

双额定电流互感器电路

本发明涉及双额定电流互感器电路，特别涉及保护继电器中的小型双额定电流互感器电路。

已公知用于断路器或其它电气设备的保护继电器。传统上，继电器检测一种条件并产生一个信号以操作，如在低工业额定安培断路器中的脱扣线圈。电流互感器组件用于给脱扣线圈提供操作功率。传统上，单个电流互感器的铁心安装在断路器中并给几安培额定值的脱扣单元电路提供足够的电流和操作功率。

减小尺寸并允许电路在宽范围的安培额定值操作电路的一种方法是利用固定的互感器尺寸和其上的固定的二次绕组。初级匝数与电路的安培额定值相反变化。参见转让给本发明受让人的美国专利No.5,015,983。然而，在电流互感器电路中改变初级匝数将不允许不同的输入电流额定值产生相同的通过初级绕组的电流。

此外，大型工业断路器或传统的应用利用本身具有外壳的保护继电器。保护继电器具有电源用以操作而不是电流互感器。保护继电器的输出通常是一个触点或固态装置以将脱扣线圈连接到与继电器无关的电源上。在这种应用中，电流互感器用于复制和隔离输入电流，所述电流互感器通常是额定1安培或5安培。电流互感器必须工作在包括故障电流、测量电流的大电流范围内，所述故障电流比保护和测量的额定电流大得多，所述测量电流可比额定电流小。通常，典型的1安培额定输入的电流互感器可具有20匝的初级，而5安培额定输入的分离设计可具有4匝。

因此，提供一种双额定电流互感器电路是出于经济上的需要，该电路允许将至少两个不同输入电流额定值输送到互感器。而且，希望使用小型电路。

本发明的一方面是提供一种使用减小尺寸的互感器的双额定电流互感器电路。

本发明的另一方面是一种使用相对低成本的典型磁材料满足应用要求的互感器电路。匝数可根据磁材料或应用的变化而改变。

本发明的再一方面是一种设计用于产生与第一额定电流或第二额定电流相同的输出电流的互感器。

根据本发明当前的优选实施例，双额定电流互感器电路具有输送第一电流的第一电流线路和输送第二电流的第二电流线路。互感器与第一和第二电流线路耦连，其中互感器产生与第一和第二电流线路中每个的电流成比例的电流。该电路的互感器结合减小总体尺寸的设计特征。

参考附图，通过对本发明优选实施例的下述说明，本发明的其它特征和优点将更加明显。

图1是本发明双额定电流互感器电路的第一实施例的示意图。

图2是双额定电流互感器电路的第二实施例的示意图。

图3是双额定电流互感器电路的第三实施例的示意图。

图4是用于本发明电路中的互感器的侧视图。

双额定互感器电路和其中互感器的小尺寸允许保护继电器具有减小的尺寸。可以理解，本发明的电路不限于使用保护继电器，也可用于多种不同的应用中。

图1中示出了双额定电流互感器电路10。电路10包括串联连接的电阻器R₁、R₂和R₃。第一电流I_A或不同的第二电流I_B通过电流线路12和14馈送。公共电流I_C表示I_A和I_B的公共返回路径。

电流互感器20与电流I_A和I_B连接。由于不同的额定电流I_A或I_B都在互感器20的初级线圈中产生相同的电流(将在下文中描述)，互感器20是双额定互感器。从而互感器20产生与电流I_A或I_B成比例的电流I_P。

互感器20包括一个初级线圈22和一个次级线圈24。例如，互感器20可以是铁磁心互感器。初级线圈22为单匝，而次级线圈24为多匝，例如，13000匝。次级线圈24的阶梯下降(stepped-down)电流I_S与通过初级线圈22的电流I_P成比例，所述电流I_P对于额定电流I_A或I_B都相同。本发明用于I_A或I_B的电路设计为使得标准互感器可用于最普通的继电器输入电流。

次级线圈24设计为提供低反射电阻到次级线圈22以及互感器的低负载。次级线圈24包括电阻R_TS。第四电阻器R₄和R_TS一起反射到初级侧。初级线圈22的极性在点26标记，而次级线圈24的极性在点28标记。输出的低负载减小互感器的尺寸。最终，输出负载比互感器次级电阻R_TS低。

电阻器网络R₁、R₂和R₃提供两种不同的电流输入I_A或I_B，从而以低于I_B的值将电流提供到互感器初级22上。再参考图1，从节点30开始，电流I_B沿线路14输送到节点30，由于电路的分流布置，产生通过互感器初级的电流I_P。电流I_A通过线路12输送到节点30并也产生相同的电流I_P。可从下式获得电流I_A跨过电阻器R₁的电压： $V_{R1}=\frac{I_A{R}_1(R_2+R_3)}{R_1+R_2+R_3}$

因此，可通过等式(2)从电流I_A获得电流I_P：

(2)I_P=V_R1/R₂+R₃=I_AR₁/R₁+R₂+R₃

同样，通过下式，利用电流I_B和跨过电阻器R₃的电压V_R3来确定V_R3和I_P：

V_R3=I_B(R₁+R₂)R₃/R₁+R₂+R₃

V_R3=I_B(R₁+R₂)R₃/R₁+R₂+R₃

(3)I_P=V_R3/R₃=I_B(R₁+R₂)/R₁+R₂+R₃

综合等式(2)和(3)：

    I_A=I_B(R₁+R₂)/R₁

    I_A/I_B=(R₁+R₂)/R₁

            =1+R₂/R₁

(4)R₂/R₁=I_A/I_B-1

根据本发明的双额定电流互感器的一个例子如下：

假定I_A=5A

    I_B=1A

    I_P=0.45A

    R_TS=4000Ω

    R₄=2000Ω

    V_O=0.0692V，在额定输入电流下

    N_P=1

其中N_P是互感器初级的匝数，而N_S是互感器次级的匝数。由于初级的安匝数必须与次级的安匝数相等，次级线圈中的匝数可通过下式确定：

(5)N_S=N_PI_P/I_S根据欧姆定律：

    V_O=I_SR₄，这里V_O是跨过R₄的电压。

从而，    V₀=I_PN_PR₄/N_S

    N_S=N_PI_P/I_S=N_PI_PR₄/V_O

    N_S=1×0.45×2000/0.0692

    N_S=13006匝

从等式(5)可得：

    N_SI_S=N_PI_P

    I_S/I_P=N_P/N_S

    V_S=(R_ST+R₄)I_S，这里V_S是跨过次级线圈24的电压。

因此，跨过初级线圈22的电压V_P是：

(6)V_P=V_SxN_P/N_S

设定R_P是反射到初级的次级电阻值：

    R_PI_P=(R_TS+R₄)I_SN_P/N_S

    R_P=(R_TS+R₄)·I_S/N_S·N_P/I_P

    R_P=(R_TS+R₄)·N_P/I_P·N_P/I_P

    R_P=(N_P/N_S)²(R_TS+R₄)

       =(1/13006)²(4000+2000)

    R_P=35.5×10^-6Ω

由于反射到初级的任何电压将使电流循环，所以R₁+R₂+R₃必须比35.5×10^-6Ω大很多。因此，假定：

      R₁+R₂+R₃=3.55×10^-3Ω

则从等式(2)可得：

      R₁=I_P(R₁+R₂+R₃)/I_A

         =0.45×3.55×10^-3/5

      R₁=320×10^-6Ω

从等式(4)可得：

      R₂=(I_A/I_B-1)R₁

         =320×10^-6(5/1-1)

      R₂=1.28×10^-3Ω

从等式(2)可得：

      I_P=I_AR₁/R₁+R₂+R₃

      R₃=(I_AR₁/I_P)-(R₁+R₂)

         =(5(320×10^-6)/0.45)-(320×10^-6+1.28×10^-3)

      R₃=1.96×10^-3Ω

由于I_A或I_B是来自源阻抗通常大于100Ω的电源系统的电流互感器的电流源，所以其阻抗通常为比R₁+R₂+R₃的总和大两个数量级。

接着，跨过初级的电压可从下式计算：

    V_P=I_P(R_TS+R₄)/N_S ²

       =(0.45×6000)/(13006×13006)

     V_P=15.96×10^-6V

设定循环电流R₁+R₂+R₃为I_PC，其将从I_P减去。

    I_PC=V_P/R₁+R₂+R₃

        =15.96×10^-6/3.55×10^-3

    I_PC=4.50×10^-3A

因此，I_PC约为I_P的1％，并且，其可通过减少次级匝数校正。

图2示出了图1电路的可替换实施例。如图2所示，互感器20包括流过电流I_AP的第一初级线圈22和流过电流I_BP的第二初级线圈34。如果R₃(图1)变为零，则I_B将等于通过初级的电流I_P，见等式(3)。由于从I_B到I_C的连接存在电阻，电流将流过次级线圈34。I_BP的第二初级的端部在与R₁相同的节点36上被连接到I_C，从而防止电流流过与R₂串联的R₁。等于I_BP的电流I_B流过初级线圈34并回到I_C。跨过R₁的电压可从下式获得： $V_{R1}=\frac{I_A{R}_1{R}_2}{R_1+R_2}$ 根据欧姆定律：

    I_AP=V_R1/R₂

因此电流I_AP可由电流I_A从下式获得：

    I_AP=V_R1/R₂=I_AR1/R₁+R₂

如果I_B=1_A,I_A=5_A，由于I_BP=I_AP=I_B，所以可通过下式计算电阻比R₁/R₁+R₂:

    R₁/R₁+R₂=I_AP/I_A

               =1/5

    R₁/R₁+R₂=0.2Ω

I_B=I_BP以及具有两个单匝初级的上述特殊情况不影响继电器设计。

参考图3，示出了本发明的另一个实施例，其中通过加入反相放大器40的近似R₄的值降低互感器20的电压负载。放大器40包括标记为(-)的反相输入端42、标记为(+)的非反相输入端44以及输入端46。所述电路还包括极性如点32所示的次级线圈24。

由于到反相放大器输入端的电压接近零，所以I_S流过R₄并产生等于图1的V_O的输出电压，流过相同的电流。由于放大器是反相的，所以次级的极性必须相反以保持V_O与图1中相同。

互感器的输出不考虑R₄的负载，这允许较高额定输入电流。由于负载减小，则缩小了具有相同额定输入电流的互感器的尺寸。

参考图4，将进一步描述包括在电路中的互感器20。互感器包括具有三个轮缘52、54和56的线轴50。线轴具有在轮缘54和56之间的第一绕组区58以及基本大于区域58在轮缘52和54之间的第二绕组区60。初级线圈22绕区域58中线轴至少缠绕一匝，而次级线圈24绕较大区域60缠绕。因此，互感器20中主绕组是产生低电阻的次级绕组。这减少包裹在线轴周围的磁性材料62的磁通偏移和电流激励。磁性材料62是低激励材料。使用次级绕组的大部分绕组区域并使用低激励磁性材料是两种能减小互感器尺寸的设计技术。

总之，本发明的双额定电流互感器电路允许两个不同的输入电流额定值被输送到互感器中。此外，由于降低了到互感器的输入电流的输入电路以及允许减小尺寸的互感器设计技术，使得电路小型化。

尽管根据具体实施例已对本发明进行了描述，但其它改变和变形以及其它使用对本领域普通技术人员是明显的。因此，优选地，本发明不限于在此的具体公开，而由所附的权利要求书限定。

权利要求书按照条约第19条的修改

29．一种双额定电流互感器电路，包括：

具有一条输入线路的互感器；

与所述输入线路连接的第一电路，所述第一电路适于接收第一电流；以及

与所述输入线路连接的第二电路，所述第二电路适于接收与第一电流不同的第二电流，

其中所述第一电路和所述第二电路每个适于将相同的第三电流提供到所述输入线路中，而与是所述第一电路还是所述第二电路提供所述第三电流无关。

30．如权利要求29所述的电路，其中所述第一电路和所述第二电路共用一条公共的电流返回线路。

31．如权利要求29所述的电路，其中所述第一电路和所述第二电路中的至少一个包括多个电阻器。

32．如权利要求29所述的电路，其中所述互感器在输出线路上提供阶梯下降的电流。

33．如权利要求29所述的电路，其中所述互感器具有一个初级线圈和一个次级线圈，所述次级线圈给所述初级线圈提供一个低反射阻抗。

34．如权利要求29所述的电路，其中所述互感器包括包裹在初级线圈和次级线圈周的磁性材料。

35．如权利要求34所述的电路，其中所述磁性材料是低激励型材料。

36．如权利要求29所述的电路，其中互感器具有一个初级线圈和一个次级线圈，所述次级线圈将一个低电阻反射到初级线圈以及将一个低负载反射到互感器。

37．如权利要求29所述的电路，其中所述互感器包括多个初级线圈。

38．如权利要求37所述的电路，其中多个初级线圈中的每个包括单匝。

39．如权利要求29所述的电路，还包括一个耦连到所述互感器的运算放大器。

Claims (28)

1．一种双额定电流互感器电路，包括：

一条输送第一电流的第一电流线路；

一条输送第二电流的第二电流线路；

与第一和第二电流线路耦连的互感器；

其中互感器产生与第一和第二电流线路中的每条线路的电流成比例的电流。

2．如权利要求1所述的互感器电路，其中互感器由第一电流产生的电流等于互感器由第二电流产生的电流。

3．如权利要求1所述的互感器电路，还包括多个与第一和第二电流线路连接的电阻器。

4．如权利要求3所述的互感器电路，其中多个电阻器被布置为使得由互感器产生的电流的值低于第二电流。

5．如权利要求3所述的互感器电路，其中多个电阻器被布置为使得第二电流的值等于由互感器产生的电流。

6．如权利要求5所述的互感器电路，其中第一和第二电流线路被分离以防止第二电流的一部分流过电阻器。

7．如权利要求1所述的互感器电路，其中互感器包括一个初级线圈和一个次级线圈。

8．如权利要求7所述的互感器电路，其中初级线圈为至少一匝，而次级线圈为多匝。

9．如权利要求7所述的互感器电路，其中互感器的次级线圈反射一个低阻抗。

10．如权利要求7所述的互感器电路，其中互感器包括包裹在初级和次级线圈周围的磁性材料的一部分。

11．如权利要求10所述的互感器电路，其中磁性材料是低激励型材料。

12．如权利要求7所述的互感器电路，其中次级线圈将一个低电阻反射到初级线圈以及将一个低负载反射到互感器。

13．如权利要求7所述的互感器电路，还包括一个第二初级线圈。

14．如权利要求13所述的互感器电路，其中每个初级线圈具有单匝。

15．如权利要求1所述的互感器电路，其中第一电流的值为5安培。

16．如权利要求1所述的互感器电路，其中第二电流的值为1安培。

17．如权利要求1所述的互感器电路，还包括一个耦连到互感器的运算放大器。

18．一种双额定电流互感器，包括：

一条输送第一电流的第一电流线路；

一条输送第二电流的第二电流线路；

多个与第一和第二电流电路连接的电阻器；以及

与第一和第二电流线路耦连的互感器；

其中多个电阻器产生到互感器的输入电流，此输入电流从互感器产生一个电流，该电流低于第一和第二电流线路中的每条线路的电流。

19．如权利要求18所述的互感器电路，其中互感器由第一电流产生的电流等于互感器由第二电流产生的电流。

20．如权利要求18所述的互感器电路，其中互感器包括至少具有一匝的初级线圈和具有多匝的次级线圈。

21．如权利要求20所述的互感器电路，其中互感器包括包裹在初级和次级线圈周围的磁性材料的一部分。

22．如权利要求21所述的互感器电路，其中磁性材料是低激励型材料。

23．如权利要求20所述的互感器电路，其中次级线圈将一个低电阻反射到初级线圈以及将一个低负载反射到互感器。

24．如权利要求20所述的互感器电路，还包括一个第二初级线圈。

25．如权利要求24所述的互感器电路，其中每个初级线圈具有单匝。

26．如权利要求18所述的互感器电路，其中第一电流的值为5安培。

27．如权利要求18所述的互感器电路，其中第二电流的值为1安培。

28．如权利要求18所述的互感器电路，还包括一个耦连到互感器的运算放大器。

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