CN1412568A - 直流电流传感装置 - Google Patents

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Abstract

直流电流传感装置，属于电工技术中的直流电流测量设备，解决无振荡源、无大功率驱动和高精度、高稳定性、高可靠性的整流系统直流电流测量问题。本装置包括传感头、电源变压器、激励变压器、电阻、电感、二极管和运算放大及驱动器，传感头结构为：第一环形检测铁芯和第二环形检测铁芯分别绕有匝数相同的第一检测绕组和第二检测绕组，经拼装后，外面绕有补偿绕组，整体置于屏蔽铁芯空腔中，屏蔽铁芯外面绕有二次绕组，本发明兼具开环测量和闭环测量的优点，不存在高电压增益带来的振荡，避免大功率驱动，测量精度高、稳定性好、抗干扰能力强，可广泛用于电冶炼、电化学、电镀、电力、电气车辆等行业直流电流在线检测。

Description

直流电流传感装置
技术领域
本发明属于电工技术中的直流电流测量设备。
背景技术
专利号ZL 01219393.3的实用新型专利“高精度强直流传感器”，其传感器壳体内无磁芯，将检测元件沿壳体内周边成对均匀布置，然后用环氧树脂充填在元件四周，并使检测元件固定在壳体内。检测元件直接检测母线电流产生的磁场，通过电路的放大，将多个检测元件的输出信号叠加使输出信号达到与测试台显示的数据相匹配。这种装置具有开环原理的共同优点，即不存在闭环系统高电压增益带来的振荡问题，也不存在为维持磁势平衡而带来的大功率驱动问题；电路、结构简单。缺点是测量的准确度、稳定性差，该专利在传感器壳体内采用无磁芯结构，从原理上分析，它无法实现设置无穷多个检测元件，也就无法保证它的测量可靠性；抗干扰能力差，特别是抗外磁场干扰、温度变化影响能力差。
专利号ZL 97240789.8的实用新型专利“直流大电流传感器”，其电路包括双耦合磁检零器采集信号，利用反馈技术，实现磁势平衡来进行测量。这种装置属于闭环测量原理，因而具有闭环原理的共同优点，即测量的精度较高，稳定性好；抗干扰能力较强。缺点：(一)存在闭环系统高电压增益带来的振荡问题及维持磁势平衡带来的大功率驱动问题；(二)电路调试复杂。
发明内容
本发明提供一种磁势自平衡回馈补偿式直流电流传感装置，以无振荡源，无大功率驱动和高精度、高稳定性、高可靠性运行的结构，可广泛用于整流系统直流电流的测量。
本发明的直流电流传感装置，包括传感头、电源变压器、激励变压器、电阻、二极管，其特征在于：
(1)所述传感头结构为形状相同的第一环形检测铁芯和第二环形检测铁芯，分别绕有匝数相同的第一检测绕组和第二检测绕组，经拼装后，它们外面绕有补偿绕组，整体置于屏蔽铁芯的环形空腔中，屏蔽铁芯外面绕有二次绕组；
(2)二次绕组的同名端依次串接第一电感线圈、标准电阻后接地，二次绕组异名端接第一二极管阴极，第一二极管阳极接电源变压器副边绕组同名端，该副边绕组异名端接地；
(3)第一检测绕组的同名端与第二检测绕组的异名端相连，并与激磁变压器副边绕组异名端连接，该副边绕组同名端同时连接第一取样电阻和第二取样电阻的一端、第一取样电阻另一端接第二二极管阳极并接地，第二二极管阴极与第一检测绕组异名端连接，第二取样电阻另一端连接运算放大及驱动器输入端和第三二极管阳极，第三二极管阴极接第二检测绕组同名端；
(4)运算放大及驱动器输出端连接补偿绕组异名端、补偿绕组同名端串接第二电感线圈后接至第一电感线圈和标准电阻的连接点上。
所述的直流电流传感装置，所述传感头可以为两个半环合成的圆环状，第一环形检测铁芯、第二环形检测铁芯、屏蔽铁芯、第一检测绕组、第二检测绕组、补偿绕组和二次绕组在两个半环上均匀排布，两个半环之间各绕组通过导线电气连接。
所述的直流电流传感装置，屏蔽铁芯可以由带状冷轧硅钢片卷绕成环状，经拼装而构成内有空腔的环形。
本发明既具有如专利号ZL 01219393.3“高精度强直流传感器”的开环测量优点，即不存在闭环系统高电压增益带来的振荡问题，还避免了维持磁势平衡而带来的大功率驱动问题；本发明也具有如专利号ZL97240789.8“直流大电流传感器”的闭环测量优点，即测量精度较高、稳定性好，抗干扰能力强，具有自动跟踪补偿的特性，整机性能价格比高。可广泛用于电冶炼、电化学、电镀、电力、电气车辆等行业直流电流的在线检测。
附图说明
图1本发明直流电流传感装置的传感头外型图。
图2传感头截面图。
图3本发明直流电流传感装置电路图。
具体实施方式
现结合附图对本发明进一步说明。
图1所示，直流电流传感器装置的传感头外型为两个半环构成的圆环状，其截面如图2所示：形状相同的第一环形检测铁芯C2和第二环形检测铁芯C3上分别绕有匝数相同的第一检测绕组WD1、第二检测绕组WD2，经拼装后在它们的外面绕上补偿绕组WC，然后将它们整体置于具有环形空腔结构的屏蔽铁芯C1的空腔中，在屏蔽铁芯C1外再绕上二次绕组W2。图3所示的一次绕组W1即传输被测直流电流I1的母线，从如图1所示的传感头中心圆孔穿过。
图3给出了直流电流传感装置的电路图。传感头T中二次绕组W2的同名端依次连接二次平衡电流I2S的第一电感线圈L1、标准电阻RS后与大地相连，异名端与第一二极管D1的阴极相连，第一二极管D1的阳极与电源变压器T1的副边绕组的同名端相连，副边绕组的异名端连接到接地点；第一检测绕组WD1的同名端与第二检测绕组WD2的异名端相连后，连接到激磁变压器T2的副边绕组异名端，它的同名端同时将两个检测信号第一取样电阻R1和第二取样电阻R2的一端连接在一起；电阻R1的另一端与第二二极管D2的阳极同时连接到地，二极管D2的阴极与第一检测绕组WD1的异名端相接；电阻R2的另一端同时与运算放大及驱动器A的输入端，以及第三二极管D3的阳极相连，第三二极管D3的阴极连接到第二检测绕组WD2的同名端；运算放大及驱动器A的输出端与补偿绕组WC的异名端相连，补偿绕组的同名端与二次补偿电流I2C的第二电感线圈L2的一端相连，另一端连接到第一电感线圈L1与标准电阻RS串联的节点上。
本装置投入运行后，由电源变压器T1经二极管D1提供半波电流流经二次绕组W2，在半个周期内由屏蔽铁芯C1和二次绕组W2，自动建立二次平衡电流I2S与一次被测电流I1之间的直流磁势平衡，这种磁势平衡是由铁芯的近似矩形磁化曲线的特性决定的，它避免了使用大功率电子器件驱动二次平衡电流I2S的有源方法，而实现直流磁势平衡。它不同于传统闭环系统中由高的开环电压增益(一般大于1000倍)、PID调节环节及大功率从动源驱动构成的直流磁势平衡，因而不存在系统的振荡及大功率驱动问题。由于这种磁势平衡一般没有闭环系统磁势平衡的精确度高，本发明合理地将铁芯设计成中心空腔结构，在屏蔽铁芯C1空腔内设置零安匝检测铁芯C2、C3和检测绕组WD1、WD2用以检测该半周期内上述直流磁势平衡的安匝差。经激磁变压器T2激磁后，检测绕组WD1、WD2的输出电流信号经二极管D2、D3和信号取样电阻R1、R2以及运算放大及驱动器A，输出直流补偿电流I2C回馈到补偿绕组WC，从而实现检测铁芯C2、C3的直流零安匝补偿，维持了高精度的直流磁势平衡。本发明因一次被测电流I1的磁势W1I1，绝大部分已被二次绕组W2由交流电源变压器T1提供的电流磁势W2I2S自动平衡掉，由剩余磁势W1I1-W2I2S产生的补偿电流I2C就很小，运算放大及驱动器A的功耗小，可靠性高、价格也低。更有意义的是，检测铁芯C2、C3、检测绕组WD1、WD2补偿绕组WC、电子模块A等构成的补偿电流回馈系统，是一个低电压放大倍数的直流自动补偿系统，而不是高电压放大倍数形成的闭环反馈系统，因而也不存在闭环系统高电压增益带来的振荡问题，然而该回馈系统的补偿电流I2C仍具有闭环系统自动跟踪补偿的特性。虽然该直流磁势平衡与差流回馈补偿系统是工作在半个周期的情况下，但二次平衡电流I2S和二次补偿电流I2C分别流经滤波电感线圈L1和L2后，即可得到所希望的直流。二次平衡电流I2S与二次补偿电流I2C通过标准电阻RS叠加，得到本直流电流传感装置的二次电流I2＝I2S+I2C，从而实现二次安匝W2I2与一次直流安匝W1I1的磁势几乎完全平衡W2I2≈W1I1，通常被测直流电流母线的匝数为1匝，即W1＝1，二次绕组W2与补偿绕组WC的匝数相同，即W2＝WC为多匝，所以二次小电流I2＝(W1/W2)I1准确地表示被测一次大电流，比率系数W1/W2为一次与二次绕组的匝数比，为一常数。二次电流I2流过标准电阻RS，在标准电阻上得到电压值I2RS，以满足要求以电压信号输出的数字仪器、计算机采样等。

Claims (3)

1.一种直流电流传感装置，包括传感头、电源变压器、激励变压器、电阻、二极管，其特征在于：
(1)所述传感头结构为形状相同的第一环形检测铁芯和第二环形检测铁芯，分别绕有匝数相同的第一检测绕组和第二检测绕组，经拼装后，它们外面绕有补偿绕组，整体置于屏蔽铁芯的环形空腔中，屏蔽铁芯外面绕有二次绕组；
(2)二次绕组的同名端依次串接第一电感线圈、标准电阻后接地，二次绕组异名端接第一二极管阴极，第一二极管阳极接电源变压器副边绕组同名端、该副边绕组异名端接地；
(3)第一检测绕组的同名端与第二检测绕组的异名端相连，并与激磁变压器副边绕组异名端连接，该副边绕组同名端同时连接第一取样电阻和第二取样电阻的一端，第一取样电阻另一端接第二二极管阳极并接地，第二二极管阴极与第一检测绕组异名端连接，第二取样电阻另一端连接运算放大及驱动器输入端和第三二极管阳极，第三二极管阴极接第二检测绕组同名端；
(4)运算放大及驱动器输出端连接补偿绕组异名端、补偿绕组同名端串接第二电感线圈后接至第一电感线圈和标准电阻的连接点上。
2.如权利要求1所述的直流电流传感装置，其特征在于所述传感头为两个半环合成的圆环状，第一环形检测铁芯、第二环形检测铁芯、屏蔽铁芯、第一检测绕组、第二检测绕组、补偿绕组和二次绕组在两个半环上均匀排布，两个半环之间各绕组通过导线电气连接。
3.如权利要求1或2所述的直流电流传感装置，其特征在于屏蔽铁芯由带状冷轧硅钢片卷绕成环状，经拼装而构成内有空腔的环形。
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