CN201397357Y - 大孔径直流漏电流检测传感器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型大孔径直流漏电流检测传感器,解决已有电流检测传感器不能检测大电流,受温度影响大,精度差,不适用检测UPS直流电源汇流排漏电流的问题。包括双绕组磁芯,两根被测汇流排支路同时通过磁芯的孔与负载连接,磁芯的第一绕组与自激振荡器连接,自激振荡器与无限增益滤器连接,无限增益滤波器与积分器连接,积分器输出与两推挽晶体管连接,推挽晶体管由第一,二晶体管构成,第一晶体管的集电极接辅助电源的正端,第二晶体管的集电极接辅助电源的负端,第一、二晶体管的发射极同时通过磁芯的第二绕组接负载到地。

Description

大孔径直流漏电流检测传感器
技术领域:
本实用新型涉及一种方形大孔径直流漏电流检测传感器。尤其与UPS电源系统总汇流排的漏电流检测传感器有关。
背景技术:
UPS电源系统中汇流排体积太大,且其上允许的漏电流值较大,普通漏电流传感器孔径小,检测电流范围小,不能用于UPS电源系统总汇流排漏电流的监测。目前许多大型UPS电源系统总汇流排上还没有合适的监控设备,使得UPS电源系统的安全运行存在潜在威胁。近年来,各种直流电源系统的对地漏电流检测都是采用漏电流传感器的方案来实现的,但是普通的漏电流传感器穿心孔径多数仅有Φ20mm,少数穿心孔径尺寸达到Φ85mm,且其检测漏电流范围仅有几十毫安到几百毫安。现有漏电流传感器主要实施方案如图3。被测电流穿过磁芯,使得自激振荡器产生的方波信号占空比发生变化,由后级的无限增益滤波器将占空比发生变化的方波信号的直流分量滤出,得到一直流电压信号。后级接一同相放大器将该直流电压信号转换成标准电压信号输出。因为理论上由于被测电流产生的直流磁通大小使振荡器产生的方波信号占空比线性变化,使得经过滤波器输出的直流电压信号也应该是线性变化的,从而完成直流电流的穿心检测。
然而,自激振荡器产生的方波信号占空比随被测电流线性变化时,当穿过磁芯的直流电流较大,即被测电流较大时,占空比变化将接近于1,所以被测电流一定不能过大。同时,由于磁芯材料的有效磁导率受温度的影响较大,使得被测直流电流在磁通路径上产生的磁通受温度的影响也较大,导致传感器的温度特性较差。当磁芯孔径增大,被测直流信号在磁通路径上产生的磁通更微弱,受温度的影响更大,导致对被测信号的测量存在较大的误差。
实用新型内容:
本实用新型的目的是提供一种成本低廉,不受温度影响,可检测大电流,可靠性高,适于UPS电源系统汇流排的漏电流检测传感器。
本实用新型是这样实现的:
本实用新型大孔径直流漏电流检测传感器,包括双绕组磁芯,两被测汇流排支路同时通过磁芯的孔与负载连接,磁芯的第一绕组与自激振荡器连接,自激振荡器与无限增益滤波器连接,无限增益滤波器与积分器连接,积分器输出与推挽晶体管连接,推挽晶体管由第一、二晶体管构成,第一晶体管的集电极接辅助电源的正端,第二晶体管的集电极接辅助电源的负端,第一、二晶体管的发射极同时通过磁芯的第二绕组接负载到地。
自激振荡器包括电阻和第一运算放大器U1A,磁芯的第一绕组两端分别接于第一运算放大器的反相端和输出端,第一运算放大器的输出端通过电阻接其同相端,其反相端和同相端分别经电阻接地,无限增益滤波器由第二、三运算放大器U1B、U2A和电阻、电容构成,第一运算放大器U1A的输出接第三运算放大器的同相端,第二运算放大器U1B的同相端接地,反相端通过电阻与输出端连接,同时其反相端和输出端分别经电容接第三运算放大器的同相端,第三运算放大器的反相端接输出端,输出端经电阻接构成积分器的第四运算放大器U2B的反相端,第四运算放大器的同相端接地,第四运算放大器的输出接第一、二晶体管的基极。
第四运算放大器U2B的反相端通过电阻接电位器的活动端,通过电容接第四运算放大器的输出,电位器的固定端接辅助电源。
磁芯的孔为方孔,其孔的截面积为120×100mm2
磁芯的第二绕组的箍数小于50。
磁芯的第二绕组输出电流信号给后级处理电路或者接一采样电阻接地,采电压信号给后级系统处理电路。
大孔径直流漏电流检测传感器主要由双绕组磁芯、自激振荡器、无限增益滤波器、积分器和推挽晶体管组成。相当于在传统漏电流传感器方案的基础上,增加了积分器和推挽晶体管。前级得到的直流电压信号通过电阻进入积分器电路,由于积分器电路的充放电过程,使得直流电压信号缓慢变化,并产生延迟,从而控制推挽晶体管的导通程度,使得辅助电源通过晶体管发射极经磁芯第二绕组N2输出电流信号。并使得该电流产生的磁链方向和被测电流产生的磁链方向相反,使得磁通路径上的直流磁链变化为零,从而达到磁通平衡的目的。也可串联一只电阻到地,采电压信号。该方案使得输出的电流信号不受磁芯材料的影响,有效的解决了传感器受温度的影响。同时,由于磁芯第一绕组N1接入自激振荡回路,在磁芯内部将产生交流磁通,由电磁感应原理,在同一磁芯的绕组都将产生感应电势,故绕组N2砸数越少越好。假设被测直流电流为Ir,流过绕组N2的电流为i2,则由磁平衡原理可得:Ir=N2*i2。所以,在N2砸数较少的情况下,电流i2的大小决定了被测电流Ir的大小。而推挽晶体管从辅助电源索取电流信号,使得流过绕组N2的电流i2可以较大,所以被测电流Ir就可以较大,达到了扩展被测电流的测量范围,非常适用于UPS直流电源系统总汇流排上较大的漏电流。适当调整磁芯绕组N2的匝数,可以得到不同的直流电流信号。N2的4脚通过采样电阻R10接地后,在N2的3脚取电压信号输出。
本实用新型具有孔径大、重量轻、集成度高、精度高、高隔离、低漂移、低功耗、宽温度范围等特点。
附图说明:
图1为本实用新型的电路框图。
图2为本实用新型置于被测系统中的现场应用原理图(传感器1为本实用新型)。
图3为已有技术的电路原理图。
图4为本实用新型的电路原理图。
具体实施方式:
如图4所示:被测电流穿过磁芯,使得自激振荡器产生的方波信号占空比发生变化,由后级的无限增益滤波器将占空比发生变化的方波中的直流分量滤出,得到一直流电压信号。该电压信号再经过一级同相跟随器,进入积分器电路,积分电路使得直流电压信号缓慢变化,控制推挽晶体管导通,使得辅助电源通过晶体管发射极经磁芯绕组N2输出电流信号。也可串联一只电阻到地,采电压信号。
电路工作原理如下:
如图4所示:磁芯绕组N1和电阻R1、R2、R3构成RL方波振荡电路的对偶电路RL方波振荡器。运算放大器U1A输出端通过电阻R2接到其同相端,同相端接电阻R1到地;运算放大器U1A输出端接磁芯绕组N1的A端,磁芯绕组N1的B点接到运算放大器反相端,再通过R3接地。运算放大器U1A的输出端产生占空比50%的方波信号。UPS电源系统总汇流排穿过磁芯内孔,当汇流排流过直流电流时,由电磁场理论可知,在磁芯磁通路径上将产生一定的直流磁通,从而导致运算放大器输出端的方波信号占空比产生变化,且占空比的变化率与直流电流的变化率成线性。无限增益滤波器将方波信号中的直流分量滤出,无限增益滤波器由运算放大器U1B,U2A和电阻电容构成。运算放大器U1A输出的方波信号通过电阻R4接入运算放大器U2A同相端,运算放大器U1B同相端接地,反相端通过电阻R4与输出端连接,同时,反相端和输出端分别接电容C5,C6到运算放大器U2A同相端。运放U2A跟随输出直流电压信号。电阻R6接到运放U2B的反相端,运算放大器U2B的反相端连接电容C7到其输出端,运放U2B的同相端接地,构成积分器电路。直流电压信号进入积分器电路,运放U2B的反相端接电阻R9到电位器活动端,构成调零电路以补偿运放的失调。由于积分器电路的充放电过程,使得直流电压信号缓慢变化,并产生延迟。从而控制推挽晶体管V1或V2的导通,使得辅助电源通过晶体管发射极经磁芯绕组N2输出电流信号。并使得该电流产生的磁链方向和被测电流产生的磁链方向相反,使得磁通路径上的直流磁链变化为零,从而达到磁通平衡的目的。
本实用新型在应用于现场监测时,在UPS直流电源系统中,两根汇流排支路同时穿过本实用新型传感器孔径,两根汇流排支路中流过正反向电流的差值电流。两根汇流排支路间接负载,如图2所示。UPS直流电源系统的负载电流可达数千安培。理想状态下汇流排对地不存在漏电流,两汇流排电流大小相等,方向相反。穿过传感器的电流代数和为零,传感器输出为零。但是,系统在实际运行时会存在一定的漏电流,穿过传感器的电流代数和不为零,且UPS直流电源系统的漏电流可达数安培。相当于数安培电流流过传感器,传感器输出电流或电压信号给后级处理系统。当系统中有多条支路运用传感器时,传感器输出信号通过多路选择器后,由后级处理系统进行数据处理。

Claims (6)

1、大孔径直流漏电流检测传感器,包括双绕组磁芯,两被测汇流排支路同时通过磁芯的孔与负载连接,磁芯的第一绕组与自激振荡器连接,自激振荡器与无限增益滤波器连接,其特征在于无限增益滤波器与积分器连接,积分器输出与推挽晶体管连接,推挽晶体管由第一、二晶体管构成,第一晶体管的集电极接辅助电源的正端,第二晶体管的集电极接辅助电源的负端,第一、二晶体管的发射极同时通过磁芯的第二绕组接地。
2、根据权利要求1所述的大孔径直流漏电流检测传感器,其特征在于自激振荡器包括电阻和第一运算放大器U1A,磁芯的第一绕组两端分别接于第一运算放大器的反相端和输出端,第一运算放大器的输出端通过电阻接其同相端,其反相端和同相端分别经电阻接地,无限增益滤波器由第二、三运算放大器U1B、U2A和电阻、电容构成,第一运算放大器U1A的输出接第三运算放大器的同相端,第二运算放大器U1B的同相端接地,反相端通过电阻与输出端连接,同时其反相端和输出端分别经电容接第三运算放大器的同相端,第三运算放大器的反相端接输出端,输出端经电阻接构成积分器的第四运算放大器U2B的反相端,第四运算放大器的同相端接地,第四运算放大器的输出接第一、二晶体管的基极。
3、根据权利要求1所述的大孔径直流漏电流检测传感器,其特征在于第四运算放大器U2B的反相端通过电阻接电位器的活动端,通过电容接第四运算放大器的输出,电位器的固定端接辅助电源。
4、根据权利要求1所述的大孔径直流漏电流检测传感器,其特征在于磁芯的孔为方孔,其孔的截面积为120×100mm2
5、根据权利要求1所述的大孔径直流漏电流检测传感器,其特征在于磁芯的第二绕组的箍数小于50。
6、根据权利要求1所述的大孔径直流漏电流检测传感器,其特征在于磁芯的第二绕组输出电流信号给后级处理电路或者接一采样电阻接地,采电压信号给后级系统处理电路。
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