CN209878876U - 基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，该系统包括电流互感模块，用于感应负载电路中剩余电流并转化为剩余电流信号输出；磁调制模块，接收剩余电流信号，同时产生激励电流信号，并将剩余电流信号调制到激励电流信号中形成调制信号输出；磁解调模块，接收调制信号并进行解调处理，得到剩余电流信号并输出；信号处理模块，接收剩余电流信号，进行AD采样并计算得到剩余电流大小与方向；电源模块。采用上述系统后，实现负载电路中剩余电流检测，满足国标对于高频交流剩余电流1000Hz及以下、脉动直流、平滑直流以及不同频率成分的复合剩余电流的检测，同时降低了电路的复杂性，降低了成本，提高了检测的可靠性。

Description

基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统

技术领域

本实用新型涉及低压配电领域中对剩余电流的检测，尤其是涉及一种基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统。

背景技术

剩余电流保护断路器是低压配电领域防止人身触电、电气火灾及电气设备损坏的一种有效保护电器。目前被广泛应用于工业、商业和住宅等各种用电场所，具有体积小、易操作、分断能力强，可靠性高等特点。但是这些剩余电流保护断路器中剩余电流的检测大部分是基于50Hz的工频交流剩余电流即AC型剩余电流。

随着智能电网的发展，电力电子技术的不断进步，采用电力电子等非线性的负载设备不断增多。因此，由这些非线性负载设备产生的剩余电流也变得越来越复杂，剩余电流信号不仅仅是单一工频频率50Hz的正弦波信号，而且还含有多种交直流分量的复杂波形信号，甚至是平滑的直流波形信号。在不同的应用场合，剩余电流的基波频率达到1000Hz的频率。特别在变频控制系统中，剩余电流更加复杂，高频频率的剩余电流大，且频率可变。因此，深入研究具有交直流分量的，高频的剩余电流检测新的方法，原理具有重要的理论意义和使用价值。国家也于2008年制定了《家用和类似用途的不带和带过电流保护的B型剩余电流动作断路器》的标准，并于2017年进行了修订，形成了GB/T22794-2017新的B型剩余电流动作断路器标准。

目前，交直流剩余电流的间接检测方法主要用霍尔传感器检测和磁调制传感器检测。由于霍尔传感器电流检测法是利用霍尔效应来实现电流检测，其受温度变化影响大，产生干扰大，检测弱电流灵敏度低，因此，不适合检测弱电流的交直流剩余电流。磁调制剩余电流传感器具有检测弱电流宽，灵敏度高，高线性度，受温度影响小，产生干扰小等优点广泛应用于交直流剩余电流检测。

目前，基于磁调制的剩余电流检测电路均采用正负双电源进行磁调制电路设计和解调电路设计，以便产生双向的激励电流。这增加了电源电路的复杂度，增加了设计的成本，降低了电路的可靠性。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，实现了交直流剩余电流的检测和保护，降低复杂度，降低成本，提高可靠性。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，该系统包括

电流互感模块，用于感应负载电路中剩余的电流并转化为剩余电流信号输出；

磁调制模块，接收电流互感模块输出的剩余电流信号，同时产生激励电流信号，并将剩余电流信号调制到激励电流信号中形成调制信号Vi输出；

磁解调模块，接收经过磁调制模块调制后的调制信号Vi并进行解调处理，得到剩余电流信号并输出；

信号处理模块，接收磁解调模块的剩余电流信号，进行AD采样并计算得到剩余电流大小与方向；

以及电源模块，用于给磁调制模块、磁解调模块以及信号处理模块供电。

进一步具体的，所述的电流互感模块包括磁芯以及绕制在磁芯上的绕组。

进一步具体的，所述的磁芯由纳米晶合金或者坡莫合金材料制得。

进一步具体的，所述的磁调制模块包括连接在电流互感模块上的第一运算放大器U1，所述的电流互感模块包括互感输入端以及互感输出端，所述的互感输出端连接于第一运算放大器U1的反向输入端；所述的第一运算放大器U1的输出端分为两路，第一路连接于互感输入端并依次通过电流互感模块以及第三电阻R3输出调制后的调制信号Vi，第二路依次通过第二电阻R2与第一运算放大器U1的同向输入端连接形成正反馈；所述的第一运算放大器U1的同向输入端通过第一电阻R1连接偏置电压；所述的第一运算放大器U1由电源模块供电。

进一步具有的，所述的绕组N2上伸出互感输入端以及互感输出端，所述的互感输出端连接于第一运算放大器U1的反向输入端；所述的第一运算放大器U1的输出端分为两路，第一路连接于互感输入端并依次通过绕组N2与第三电阻R3输出调制后的调制信号Vi，第二路依次通过第二电阻R2与第一运算放大器U1的同向输入端连接形成正反馈；所述的第一运算放大器U1的同向输入端通过第一电阻R1连接偏置电压；所述的第一运算放大器U1由电源模块供电。

进一步具体的，所述的磁解调模块由至少一个磁解调电路组成，所述的磁解调电路包括第二运算放大器U2，所述的磁调制模块输出的调制后的调制信号Vi通过第四电阻R4后分为三路，第一路通过第五电阻R5后与第二运算放大器U2的输出端连接，第二路通过第一电容C1后接地，第三路通过第七电阻R7后连接于第二运算放大器U2的反向输入端；在所述的第二运算放大器U2的反向输入端与输出端之间并联第二电容C2；所述的第二运算放大器U2的同向输入端通过第八电阻R8连接偏置电压；所述的第二运算放大器U2由电源模块供电。

进一步具体的，所述的磁解调模块由两个磁解调电路串联而成。

进一步具体的，所述的电源模块提供5V的电压输出。

进一步具体的，所述的偏置电压为2.5V。

进一步具体的，所述的磁解调模块为二阶巴特沃斯低通滤波器。

本实用新型的有益效果是：采用上述系统之后，实现负载电路中剩余电流检测，满足国标对于高频交流剩余电流1000Hz及以下、脉动直流、平滑直流以及不同频率成分的复合剩余电流的检测，同时降低了电路的复杂性，降低了成本，提高了检测的可靠性，对B型剩余电流检测和保护具有理论意义和使用价值。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是本实用新型的磁调制模块的电路图；

图3是本实用新型的磁解调电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的描述。

如图1所示一种基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，该系统包括电流互感模块、磁调制模块、磁解调模块、信号处理模块以及电源模块，电源互感模块为由磁芯以及绕制在磁芯上的绕组组成的电流互感器，用于感应负载电路中的剩余电流，并将该剩余电流的大小与方向转化为剩余电流信号输出至磁调制模块，而磁调制模块接收到电流互感模块中的绕组输出的剩余电流信号，经过磁调制模块将剩余电流信号调制到产生的激励电流信号内形成调制信号Vi并输出至磁解调模块；磁解调模块接收调制信号并进行解调滤波操作，将调制信号Vi解调得到剩余电流信号输出至信号处理模块；而信号处理模块接收磁解调模块的剩余电流信号，进行AD采样并计算得到剩余电流大小与方向，至此得到剩余电流信息；上述的电源模块用于给磁调制模块、磁解调模块以及信号处理模块供电，电源模块将交流电输入经过变换和处理后得到系统所需的直流供电单正电源，在该方案中此单正电源的电压控制为5V。

上述的磁芯由纳米晶合金或坡莫合金材料制得，纳米晶合金或坡莫合金材料具有较高的饱和磁通和初始磁导率，确保较小的剩余电流引起磁路中磁通量的变化，有利于提高电流互感器检测的灵敏度。同时，坡莫合金或纳米晶合金材料的矫顽力较小，磁矩比较高，当电流互感器工作于较高频率时，相对需要较小的激磁电流就能使磁芯达到磁饱和状态，有助于降低电源功耗，简化电路设计。

如图2所示为磁调制模块的电路图，绕组N2缠绕在磁芯上并伸出两个伸出端分别为互感输入端与互感输出端，互感输出端直接连接在第一运算放大器U1的反向输入端；第一运算放大器U1输出端输出正负双向的激励电流，将其分成两路，第一路连接于互感输入端并与绕组N2以及第三电阻R3形成励磁回路，将负载电路中的剩余电流信号调制到正负双向的激励电流中形成调制信号Vi并输出，第二路通过第二电阻R2连接于第一运算放大器U1的同向输入端形成正反馈，并通过连接于同向输入端的第一电阻R1形成电压比较电路，同时在第一电阻R1上设置2.5V的偏置电压，使得第一运算放大器U1输出励磁方波电压，以2.5V直流偏置为基准，输出5V和0V的激励方波。

磁调制电路的阈值电压Vr由式1确定，

式1：Vr＝R1*Uh/(R1+R2)

其中第一电阻R1与第二电阻R2的值决定阈值电压Vr的大小，Uh为激励电压，此激励电压Uh在上述状态下为5V。

磁调制电路的励磁电流Ir由式2确定，

式2：Ir＝Vr/R3

其中第三电阻R3决定最大励磁电流Ir的大小。

磁调制电路的励磁频率f由式3确定，

式3：f＝Uh/(4BsN2S)

其中励磁频率f与绕组N2的匝数、磁芯材料的特性有关，Uh是激励电压(此时为5V)，Bs是磁芯材料的饱和磁感应强度，S是磁芯有效截面积。

为了检测1000Hz的交流剩余电流，采用4KHz的励磁频率。磁调制电路的目的是将负载电路中的剩余电流信号调制到第三电阻R3上的调制信号Vi中。

磁解调模块由至少一个磁解调电路组成，可以根据需要设置多个磁解调电路串联而成，磁解调电路为二阶巴特沃斯低通滤波电路，目的是滤除4KHz的激励电流高频分量，得到低于1000Hz以下的剩余电流信号；由于调制信号Vi十分复杂，高频分量较多，要求滤波器的衰减速度越快越好，同时考虑剩余电流是毫安级的微弱电流信号，滤波器的通带纹波应尽量小，以免影响解调，所以，本方案使用2个二阶的巴特沃斯低通滤波器串联得到四阶的低通滤波器对调制信号Vi解调，用于得到剩余电流信号。

如图3所示为磁解调模块的电路图，磁解调电路包括第二运算放大器U2，所述的磁调制模块输出的调制信号Vi通过第四电阻R4后分为三路，第一路通过第五电阻R5后与第二运算放大器U2的输出端连接，第二路通过第一电容C1后接地，第三路通过第七电阻R7后连接于第二运算放大器U2的反向输入端，上述的第五电阻R5与第七电阻R7形成负反馈；在所述的第二运算放大器U2的反向输入端与输出端之间并联第二电容C2；所述的第二运算放大器U2的同向输入端通过第八电阻R8连接2.5V的偏置电压；所述的第二运算放大器U2由电源模块供电。磁解调电路的截止频率设计为1.5KHz，使4KHz的激励电流高频分量滤除，得到1KHz及以下的剩余电流信号通过。

磁解调模块的截止频率f0由式4确定，

式4：

其中，截止频率f0的大小由第一电容C1、第二电容C2、第五电阻R5以及第七电阻R7确定。

磁解调电路在进行滤波的同时，进行信号的放大。

磁解调模块的放大倍数A0由式5确定，

式5：A0＝-R5/R4

其中，放大倍数A0由第四电阻R4与第五电阻R5确定。

由于磁调制电路中有直流电压2.5V的偏置，因此，在设计滤波器时第八电阻R8一端也接入同样的直流电压2.5V的偏置，从而消除了2.5V直流偏置，滤除高频激励信号，并放大低于1000Hz的低频信号，得到交直流的剩余电流信号Vo。该信号最后输入到信号处理模块内由CPU处理器进行AD采样并计算得到剩余电流大小与方向，根据标准要求进行保护脱扣。

综上，上述系统使用后产生正反两个方向的激励电流，从而将剩余电流的大小及方向调制到激励信号中形成调制信号Vi，并设计了用单正电源供电磁解调电路，最后得到负载电路中剩余电流信号，给CPU处理器进行AD采样，计算得到负载电路中能够剩余电流的大小和方向。本方案的电路简单，成本低廉，稳定可靠等特性，对B型剩余电流检测和保护具有理论意义和使用价值。

以上仅结合目前考虑的最实用的优选实施例对本实用新型进行描述，需要理解的是，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，其特征在于，该系统包括

电流互感模块，用于感应负载电路中剩余的电流并转化为剩余电流信号输出；

磁调制模块，接收电流互感模块输出的剩余电流信号，同时产生激励电流信号，并将剩余电流信号调制到激励电流信号中形成调制信号Vi输出；

磁解调模块，接收经过磁调制模块调制后的调制信号Vi并进行解调处理，得到剩余电流信号并输出；

信号处理模块，接收磁解调模块的剩余电流信号，进行AD采样并计算得到剩余电流大小与方向；

以及电源模块，用于给磁调制模块、磁解调模块以及信号处理模块供电。

2.根据权利要求1所述的基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，其特征在于，所述的电流互感模块包括磁芯以及绕制在磁芯上的绕组。

3.根据权利要求2所述的基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，其特征在于，所述的磁芯由纳米晶合金或者坡莫合金材料制得。

4.根据权利要求1所述的基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，其特征在于，所述的磁调制模块包括连接在电流互感模块上的第一运算放大器U1，所述的电流互感模块包括互感输入端以及互感输出端，所述的互感输出端连接于第一运算放大器U1的反向输入端；所述的第一运算放大器U1的输出端分为两路，第一路连接于互感输入端并依次通过电流互感模块以及第三电阻R3输出调制后的调制信号Vi，第二路依次通过第二电阻R2与第一运算放大器U1的同向输入端连接形成正反馈；所述的第一运算放大器U1的同向输入端通过第一电阻R1连接偏置电压；所述的第一运算放大器U1由电源模块供电。

5.根据权利要求2所述的基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，其特征在于，所述的绕组N2上伸出互感输入端以及互感输出端，所述的互感输出端连接于第一运算放大器U1的反向输入端；所述的第一运算放大器U1的输出端分为两路，第一路连接于互感输入端并依次通过绕组N2与第三电阻R3输出调制后的调制信号Vi，第二路依次通过第二电阻R2与第一运算放大器U1的同向输入端连接形成正反馈；所述的第一运算放大器U1的同向输入端通过第一电阻R1连接偏置电压；所述的第一运算放大器U1由电源模块供电。

6.根据权利要求1所述的基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，其特征在于，所述的磁解调模块由至少一个磁解调电路组成，所述的磁解调电路包括第二运算放大器U2，所述的磁调制模块输出的调制后的调制信号Vi通过第四电阻R4后分为三路，第一路通过第五电阻R5后与第二运算放大器U2的输出端连接，第二路通过第一电容C1后接地，第三路通过第七电阻R7后连接于第二运算放大器U2的反向输入端；在所述的第二运算放大器U2的反向输入端与输出端之间并联第二电容C2；所述的第二运算放大器U2的同向输入端通过第八电阻R8连接偏置电压；所述的第二运算放大器U2由电源模块供电。

7.根据权利要求6所述的基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，其特征在于，所述的磁解调模块由两个磁解调电路串联而成。

8.根据权利要求1所述的基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，其特征在于，所述的电源模块提供5V的电压输出。

9.根据权利要求4或5或6所述的基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，其特征在于，所述的偏置电压为2.5V。

10.根据权利要求1所述的基于单正电源供电的磁调制交直流剩余电流检测系统，其特征在于，所述的磁解调模块为二阶巴特沃斯低通滤波器。