CN206114749U - 一种电流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电流传感器，包括至少三个磁性传感单元，磁性传感单元均环绕在被测电缆的周围，磁性传感单元均在同一平面，且该平面与被测电缆的中轴线有一个相交点，磁性传感单元用于测量所在位置处的磁场，被测电缆内包括多根被测导线。本实用新型的电流传感器不包含磁芯，因此克服了磁芯带来的易饱和以及成本高的缺陷，同时，本实用新型可以一次性测量多根导线的电流值。

Description

一种电流传感器

技术领域

本实用新型涉及电流传感器技术领域，特别是一种电流传感器。

背景技术

电流传感器广泛应用于新能源、智能交通、工业控制、智能家电以及智能电网等领域。

常用的电流传感器以霍尔元件或电感线圈为敏感元件，分为开环式和闭环式两大类：开环式电流传感器是在被测导线周围设置一个带气隙的磁芯，而磁性传感单元位于气隙中，由于电磁感应定律，磁芯产生感生电势，磁性传感单元可测量磁芯气隙处的磁场，后端可根据磁性传感单元的输出信号计算出被测电流的大小。

开环式电流传感的工作方式为直接测量磁场，因此在大电流作用下，磁芯的会出现磁滞和饱和，影响测量精度。为了克服上述问题，本领域技术人员采用闭环式电流传感器测量电流。和开环式电流传感器不同的是，闭环式电流传感器的磁芯上缠绕有补偿线圈，补偿线圈和磁性传感单元电连接，补偿线圈由磁性传感单元的输出电压供电，用以补偿被测电流产生的磁场，当达到磁平衡时，补偿电流产生的磁场和被测电流产生的磁场大致相同，因此磁芯通常工作在无磁通或磁通量很小的环境下，故可以克服磁滞和饱和现象。后端可通过直接测量补偿线圈的电流大小计算出被测电流大小。

无论是开环式还是闭环式的电流传感器，由于采用了磁芯，而磁芯的加工成本很高，因此相应的电流传感器的成本较高。

目前常见的三相电电缆是包含三根导线的电缆，上述的电流传感器测量电流的方式是接近每根导线进行测量，分别测出每根导线的电流值，对于这种包覆在一根电缆中的三根导线，无法一次性进行精确测量每根导线的电流。进一步地，对于包覆有多根电流导线的电缆更加无法一次性精确测量。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种电流传感器，该电流传感器不包含磁芯，因此克服了磁芯带来的易饱和以及成本高的缺陷，同时，可以一次性测量多根导线中的每根电流导线的电流值。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种电流传感器，包括至少三个磁性传感单元，磁性传感单元均环绕在被测电缆的周围，磁性传感单元均在同一平面，且该平面与被测电缆的中轴线有一个相交点，磁性传感单元用于测量所在位置处的磁场，被测电缆内包括多根被测导线。

作为本实用新型所述的一种电流传感器进一步优化方案，每个磁性传感单元到所述相交点的距离均相等。

作为本实用新型所述的一种电流传感器进一步优化方案，相邻的磁性传感单元之间的距离相等。

作为本实用新型所述的一种电流传感器进一步优化方案，所述多个磁性传感单元并联。

作为本实用新型所述的一种电流传感器进一步优化方案，所述磁性传感单元为单电阻、半桥或全桥结构，所述单电阻包括一个磁电阻，所述半桥包括两个串联的磁电阻，所述全桥包括两个并联的半桥。

作为本实用新型所述的一种电流传感器进一步优化方案，所述磁电阻由一个磁性传感元件，或，由两个以上磁性传感元件串联和/或并联构成。

作为本实用新型所述的一种电流传感器进一步优化方案，所述磁性传感元件包括霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本实用新型的电流传感器不包含磁芯，因此克服了磁芯带来的易饱和以及成本高的缺陷，同时，本实用新型可以一次性测量多根导线的电流值。

附图说明

图1是本实用新型电流传感器实施例的结构示意图。

图中的附图标记解释为：21-被测电缆，31、32、33均为电流导线，41-绝缘层，A₁-A_n为第1至第n个磁性传感单元。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参考图1，本实用新型电流传感器的一种实施例包括：三个以上的多个磁性传感单元A₁、A₂、A₃……A_n(下标n代表第n个磁性传感单元)以及处理模块(图中未标示)。磁性传感单元均环绕在被测电缆的周围，磁性传感单元均在同一平面，且该平面与被测电缆的中轴线有一个相交点O；多个磁性传感单元用于测量所在位置的磁场并输出多组输出信号至处理模块，处理模块包括计算单元和存储单元，存储单元存储有夹角Δθ，夹角Δθ是相邻的磁性传感单元与相交点O间的连线之间的夹角，计算单元根据多组输出信号以及夹角Δθ计算被测电缆中多根被测导线的电流值。

多个磁性传感单元固定在印刷线路板或骨架上，沿着被测电缆21周围设置，磁性传感单元均环绕在被测电缆的周围，磁性传感单元均在同一平面，且该平面与被测电缆的中轴线有一个相交点O，磁性传感单元所在的平面与被测电缆相交的面称为被测电缆21的截面，被测电缆21的截面中心点即上述相交点O。被测电缆21为三相线电缆，其内的三根电流导线31、32、33包覆有绝缘层41，三根电流导线呈等边三角形排列，分别通相位两两差120度的三相电流I₁、I₂、I₃。已知每个磁性传感单元至被测电缆21的截面中心点的距离为R_n(以下简称为“测量距离”)，磁性传感单元所在的平面与电流导线31、32、33所相交的面称为电流导线31、32、33截面，相邻电流导线截面的中心距离为a(以下简称为“中心距”)，设相邻的磁性传感单元与被测电缆的截面的中心点O(相交点)间的连线之间的夹角为Δθ(以下简称为“夹角”)，第n个磁性传感单元的位置角为θ_n(以下简称为“位置角”)，θ_n为在被测电缆截面上选定一条半径，该半径可称为标准半径，标准半径与第n个磁性传感单元连线的夹角值，被测电缆截面为磁性传感单元所在的平面与被测电缆相交的面，第n个磁性传感单元连线是第n个磁性传感单元与被测电缆截面上中心点的连线；其中，第一磁性传感单元1的位置角为θ₁，则：

θ_n＝θ₁+(n-1)Δθ

工作时，将上述电流传感器环绕在被测电缆21周围，多个磁性传感单元实时测量其所在位置的磁场B₁、B₂……B_n，根据普通物理知识，结合本实用新型电流传感器的结构可知，任一位置的磁场B_n为电流I₁、I₂、I₃、位置角θ_n、测量距离R_n、中心距a的函数，设该函数为A(I₁,I₂,I₃,R_n,θ_n,a)，则：

B_n＝A(I₁,I₂,I₃,R_n,θ_n,a)

若每个磁性传感单元的测量距离R_n相等均为R，则任一位置的磁场B_n为电流I₁、I₂、I₃、位置角θ_n以及中心距a的函数，设该函数为F(I₁,I₂,I₃,θ_n,a)，则：

B_n＝F(I₁,I₂,I₃,θ_n,a)

由上述可知，B_n为测量值，为已知，则计算单元可以通过至少5个磁性传感单元测得的B_n值计算出I₁、I₂、I₃，如果需要精确求解，则需要至少6个磁性传感单元。

以下，以设置有6个磁性传感单元的电流传感器为例，提出一种测量3根导线电流值的精确解法。

通常来说，交流电流I为时间t的周期函数：

设导线31的电流I₁：I₁＝f₁(t)；

设导线32的电流I₂：I₂＝f₂(t)；

设导线33的电流I₃：I₃＝f₃(t)；

由于不同用电环境的具有不同的时间t和电流I的周期函数关系，故采用f₁(t)、f₂(t)、f₃(t)指代电流I₁、I₂、I₃和时间t的函数关系。

则在位置角为θ_n位置处的磁场分布计算如下：

切向磁场B_n：

B_n＝cosθ_n·B_x-sinθ_n·B_y (3)

其中，x为平行于标准半径的轴，y轴为垂直于标准半径的轴。故B_x为θ_n位置处的总磁场B沿x轴方向的分量，B_y为B沿y轴方向的分量，B_n为B沿第n个磁性传感单元切线方向的分量(在该实施例中，每个磁性传感单元测量的磁场B_n为总磁场B的切向分量)，即第n个磁性传感单元的测量值。

由于每个磁性传感单元的测量距离R_n都相同，都为R，因此切向磁场只是I₁、I₂、I₃、a以及θ₁(由于Δθ已知，θ_n是θ₁的函数)的函数。

测量6个磁性传感单元所在位置的切向磁场B₁、B₂……B₅、B₆，则可得到如下方程，将θ_n＝θ₁+(n-1)Δθ代入到B_n＝F(I₁,I₂,I₃,θ_n,a)(n表示第n个磁性传感单元，在该实施例中，n＝1,2,3,4,5或6)中即可得到方程组：

引入关于I₁,I₂,I₃,θ₁以及a新函数G_n(I₁,I₂,I₃,θ₁,a)，令：

得到：

其中：

写成迭代方程：其中，X_k代表迭代k次得到的X，ΔX为两次迭代得到的数值解的差值，G_n′(X_k)为G_n(X_k)的导数；

将G_n(X)分别对I₁,I₂,I₃,θ₁以及a偏导，结合迭代方程，可得到矩阵方程：

设置收敛条件：即可得到方程组的解，其中，ΔI₁、ΔI₂、ΔI₂、Δa、Δθ₁分别表示I₁、I₂、I₂、a、θ₁两次迭代的数值解的差值，ε为一个极限小的常数，用以确定计算精度，其表示当前后两次迭代求解得到的解的平方差小于ε时，结果达到了一定的精度要求。

通过5个磁场测量值计算得到的方程组(7)的解不精确，为了精确求解，则需要第6个磁性传感单元测量其所在位置的磁场B₆，要求解满足：

|F(I₁,I₂,I₃,θ₁+5Δθ,a)-B₆|<ε_f，同时，要注意排除a<0的不合理解，即可精确求解。其中，ε_f为另一个极限小的常数，用以确定计算精度。

由于各相导线对位置关系的称性，假设(m∈Z，此处T为矩阵转置符号，其中以及分别为I₁、I₂、I₂、θ₁以及a的解)是方程组的解，则以及 也是方程组的解，因此，需要防止迭代求解收敛到不同等效的解，造成各相导线编号定义的混乱，使输出不连续，要在测量前实现校准导线位置，即，通过求解上述五阶非线性矩阵方程(7)，确定θ₁和a。

经过校准后，实时测量电流值，就可以不考虑θ₁(由于确定了θ₁，而Δθ为已知，θ_n为θ₁和Δθ的函数，故θ_n也确定下来)和a，只需要求解：

则可以大大简化计算。

由上述实施例可以得到，计算单元通过在校准步骤确定θ₁和a后，再通过实时测量磁场值B₁、B₂……B_n用以计算多根导线的电流，由于简化了计算，从而提高了计算速度，因此可以实现实时精确测量多组导线的电流值。但是不难看出，校准步骤本身就可以精确测量多根导线的电流值，只是速度较慢，无法实现实时测量，因此，计算单元求解五阶非线性矩阵方程(7)既可以作为一种实时测量多根导线电流值的校准步骤，也可以作为一种精确测量多根导线电流值的测量方法。如果设置的磁性传感单元越多，其测量精度就越高。

上述电流传感器中，每个磁性传感单元的测量距离R_n可以不同，每个磁性传感单元之间的夹角Δθ也可以不相同。但是每个磁性传感单元的不同的测量距离R_n以及每个磁性传感单元之间不同的夹角Δθ要作为已知值存储在存储单元中，如果R_n相同(都为R)，则不需要将这个R值存储在存储单元中。

上述电流传感器中，被测电流可以是交流电，也可以是直流电。

应当指出的是，上述电流传感器采用确定的第1个磁性传感单元的位置角θ₁来进行校准，实际操作中不仅限于此，由于已知Δθ，因此只需要确定任意一个磁性传感单元的位置角θ_n，即可得到其他磁性传感单元的位置角。同时，上述实施例中每个磁性传感单元测量的是切向场，实际可按照需求测量其他方向的磁场。

上述电流传感器中，多个磁性传感单元独立设置或并联都可以。

上述电流传感器中，任意一个磁性传感单元为单电阻、半桥或全桥结构，所述单电阻包括一个磁电阻，所述半桥包括两个串联的磁电阻，所述全桥包括两个并联的半桥。

上述电流传感器中，磁电阻由一个磁性传感元件构成，或，由两个以上的磁性传感元件并联和/或串联构成。将多个磁性传感元件串联和/或并联的有益效果是可以通过预先设置磁性传感元件的个数来解决磁性传感元件在纳米加工或微加工中的一致性(Uniformity)问题，同时还可以降低磁性传感元件的电子遂穿几率，提高其静电防护能力。

上述电流传感器中，磁性传感元件包括霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。其中，各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件以及磁性隧道结元件由于灵敏度高、精度高、体积小(微米、纳米级)、温漂性能好，因此采用上述磁电阻类元件的电流传感器可以实现小体积集成化。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电流传感器，其特征在于，包括至少三个磁性传感单元，磁性传感单元均环绕在被测电缆的周围，磁性传感单元均在同一平面，且该平面与被测电缆的中轴线有一个相交点，磁性传感单元用于测量所在位置处的磁场，被测电缆内包括多根被测导线。

2.根据权利要求1所述的一种电流传感器，其特征在于，每个磁性传感单元到所述相交点的距离均相等。

3.根据权利要求1所述的一种电流传感器，其特征在于，相邻的磁性传感单元之间的距离相等。

4.根据权利要求1所述的一种电流传感器，其特征在于，所述多个磁性传感单元并联。

5.根据权利要求1所述的一种电流传感器，其特征在于，所述磁性传感单元为单电阻、半桥或全桥结构，所述单电阻包括一个磁电阻，所述半桥包括两个串联的磁电阻，所述全桥包括两个并联的半桥。

6.根据权利要求5所述的一种电流传感器，其特征在于，所述磁电阻由一个磁性传感元件，或，由两个以上磁性传感元件串联和/或并联构成。

7.根据权利要求6所述的一种电流传感器，其特征在于，所述磁性传感元件包括霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。