CN213423310U - 一种基于tmr测量微电流原理测量直流配电网电压的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于TMR测量微电流原理测量直流配电网电压的装置，属于传感器技术应用领域。本实用新型装置，包括：高阻值电阻、接入待测直流配电网的直流母线电压，将所述直流母线电压转化为DC小电流信号，并将所述DC小电流信号；电流互感器、接收DC小电流信号，并将所述DC小电流信号以预设比例转换为AC微电流信号；辅助交流电源，对电流互感器进行励磁和退磁；二极管整流桥、接收AC微电流信号，并将AC微电流信号转换为DC微电流信号；微电流测量电桥、接收DC微电流信号，并将DC微电流信号产生的磁场，以差分电压的形式输出，测量差分电压。本实用新型弥补了基于分压结构测量电压的精度、稳定性两方面不足。

Description

一种基于TMR测量微电流原理测量直流配电网电压的装置

技术领域

本实用新型涉及传感器技术应用领域，并且更具体地，涉及一种用于确定直流配电网电压的装置。

背景技术

我国已陆续开展直流配电网科研项目与典型示范工程：例如浙江海宁尖山交直流混合配电网工程(±10kV)、杭州江东新城柔性直流配电网工程 (±10kV)、上虞交直流混合微网工程示范(560V)等。但目前针对适用于直流配电网的电能计量方法及电能计量与检测器具尚未开展深入研究，计量直流配电网电能的重中之重便是精确测量直流母线的电压和电流。

目前针对电力系统中直流电量，常用的电压传感器以电阻式或阻容式的直流分压器为主；常用的电流传感器有零磁通式电流互感器、有源光电式电流互感器、全光纤电流传感器、Hall电流传感器。近几十年，随着磁电阻效应的深入研究，各向异性磁电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)、隧道磁电阻(TMR)技术渐渐成熟应用于电流测量中，而TMR元件凭借高灵敏度、广线性范围、低功耗、低温漂等优异特性，在电流测量领域脱颖而出。然而，为了适用于直流配电网的电压测量，传统基于分压原理的电压传感器在精度、稳定性等方面有所欠缺，性能优异的TMR元件尚未涉足电压测量领域。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出了一种基于TMR测量微电流原理测量直流配电网电压的装置，包括：

高阻值电阻、接入待测直流配电网的直流母线电压，将所述直流母线电压转化为DC小电流信号，并将所述DC小电流信号传输至电流互感器；

电流互感器、接收DC小电流信号，并将所述DC小电流信号以预设比例转换为AC微电流信号传输至辅助交流电源；

辅助交流电源，对电流互感器进行励磁和退磁，并将AC微电流信号传输至二极管整流桥；

二极管整流桥、接收AC微电流信号，并将AC微电流信号转换为DC 微电流信号，并传输至TMR微电流测量电桥；

微电流测量电桥、接收DC微电流信号，并将DC微电流信号产生的磁场，以差分电压的形式输出，测量差分电压，输出的差分电压即为直流配电网电压。

可选的，高阻值电阻为所述装置的一次测量端，电流互感器为一次测量端进行电气隔离。

可选的，微电流测量电桥，包括：通流U型导体、第一MTJ元件、第二MTJ元件、第三MTJ元件、第四MTJ元件和参考电源；

所述通流U型导体一端为输出电阻，接收DC微电流信号，所述DC 微电流信号经第三MTJ元件、第二MTJ元件、第一MTJ元件、第四MTJ 元件下方流过，将DC微电流信号产生的磁场，以差分电压的形式输出，通流U型导体另一端作为微电流测量电桥的二次测量端，测量差分电压；

所述第一MTJ元件的一端与第二MTJ元件一端共同连接参考电压源的正极输入端，第三MTJ元件一端与第四MTJ元件一端共同连接参考电压源的负极输入端；

所述第一MTJ元件的另一端与第三MTJ元件的另一端共同连接二次测量端的正极性端，第二MTJ元件另一端与第四MTJ元件的另一端共同连接二次测量端的负极性端。

可选的，高阻值电阻为多个阻值相同的电阻串联组成，一端连接直流配电网的直流母线电压测量点，另一端通过通流导体连接参考地点。

可选的，电流互感器，包括：通流导体、第一副边绕组和第二副边绕组；

所述通流导体作为电流互感器的原边绕组，所述原边绕组，包括：第一铁芯和第二铁芯；

其中，第一副边绕组一端与第二副边绕组反向串联，第一副边绕组另一端连接二极管整流桥，第二副边绕组连接辅助交流电源的正极输入端。

可选的，二极管整流桥，包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；

其中，第一二极管的阴极和第二二极管的阴极共同连接通流U型导体的二次测量端，第三二极管的阳极和第四二极管的阳极共同连接通流U型导体输出电阻的一端；

所述第二二极管的阳极与第四二极管的阴极连接辅助交流电源的负极输入端。

本实用新型将电压测量转化成电流测量，弥补了基于分压结构测量电压的精度、稳定性两方面不足，拓宽了直流配电网电压测量磁场、电流、位移以外的应用范围。

附图说明

图1为本实用新型一种基于TMR测量微电流原理测量直流配电网电压的装置结构图；

图2为本实用新型一种基于TMR测量微电流原理测量直流配电网电压的装置结构逻辑图；

图3为本实用新型一种基于TMR测量微电流原理测量直流配电网电压的装置二极管整流桥结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本实用新型的示例性实施方式，然而，本实用新型可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本实用新型，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本实用新型的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本实用新型的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本实用新型提出了本实用新型提出了一种基于TMR测量微电流原理测量直流配电网电压的装置，如图1所示，包括：

高阻值电阻、接入待测直流配电网的直流母线电压，将所述直流母线电压转化为DC小电流信号，并将所述DC小电流信号传输至电流互感器；

电流互感器、接收DC小电流信号，并将所述DC小电流信号以预设比例转换为AC微电流信号传输至辅助交流电源；

辅助交流电源，对电流互感器进行励磁和退磁，并将AC微电流信号传输至二极管整流桥；

二极管整流桥、接收AC微电流信号，并将AC微电流信号转换为DC 微电流信号，并传输至TMR微电流测量电桥；

微电流测量电桥、接收DC微电流信号，并将DC微电流信号产生的磁场，以差分电压的形式输出，测量差分电压，输出的差分电压即为直流配电网电压。

高阻值电阻为所述装置的一次测量端，电流互感器为一次测量端进行电气隔离。

微电流测量电桥，包括：通流U型导体、第一MTJ元件、第二MTJ 元件、第三MTJ元件、第四MTJ元件和参考电源；

所述通流U型导体一端为输出电阻，接收DC微电流信号，所述DC 微电流信号经第三MTJ元件、第二MTJ元件、第一MTJ元件、第四MTJ 元件下方流过，将DC微电流信号产生的磁场，以差分电压的形式输出，通流U型导体另一端作为微电流测量电桥的二次测量端，测量差分电压；

所述第一MTJ元件的一端与第二MTJ元件一端共同连接参考电压源的正极输入端，第三MTJ元件一端与第四MTJ元件一端共同连接参考电压源的负极输入端；

所述第一MTJ元件的另一端与第三MTJ元件的另一端共同连接二次测量端的正极性端，第二MTJ元件另一端与第四MTJ元件的另一端共同连接二次测量端的负极性端。

高阻值电阻为多个阻值相同的电阻串联组成，一端连接直流配电网的直流母线电压测量点，另一端通过通流导体连接参考地点。

电流互感器，包括：通流导体、第一副边绕组和第二副边绕组；

所述通流导体作为电流互感器的原边绕组，所述原边绕组，包括：第一铁芯和第二铁芯；

其中，第一副边绕组一端与第二副边绕组反向串联，第一副边绕组另一端连接二极管整流桥，第二副边绕组连接辅助交流电源的正极输入端。

可选的，二极管整流桥，包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；

其中，第一二极管的阴极和第二二极管的阴极共同连接通流U型导体的二次测量端，第三二极管的阳极和第四二极管的阳极共同连接通流U型导体输出电阻的一端；

所述第二二极管的阳极与第四二极管的阴极连接辅助交流电源的负极输入端。

下面结合实施例对本实用新型进行进一步说明：

如图1和图2所示，图2为本实用新型图1的逻辑图，本实用新型装置，包括：高阻值电阻、电流互感器、辅助交流电源、二极管整流桥和微电流测量电桥。

高阻值电阻连接电流互感器，二极管整流桥与电流互感器并联，微电流测量桥并联二极管整流桥，辅助交流电源连接电流互感器和二极管整流桥；

微电流测量电桥为TMR微电流测量电桥，电流互感器为Kramer型电流互感器；

其中：高阻值电阻用于将待测直流母线电压转化成DC小电流信号，小电流信号流过Kramer型电流互感器的原边(穿过双重铁芯的导体)； Kramer型电流互感器用于将流过其原边绕组(穿过双重铁芯的导体)的 DC小电流信号，按比例反映成流过副边绕组的AC微电流信号，并为一次测量端实现电气隔离；辅助交流电源用于给Kramer型电流互感器的双重铁芯励磁、退磁，避免铁芯饱和，并将AC微电流信号送至二极管整流桥的输入端；二极管整流桥用于将输入端的AC微电流信号转换成DC微电流信号，确保二次测量端TMR微电流测量电桥所测微电流信号为直流变量；TMR微电流测量电桥用于将DC微电流信号产生的磁场，以差分电压的形式输出，以此体现一次测量端直流母线电压的变换。

所述高阻值电阻实际可有若干个阻值相同的精确电阻R1、R2、…、 Rn串联而成。组合而成的高阻值电阻一端连接直流母线电压测量点，另一端通过通流导体连接参考地点，在直流母线电压测量点与参考地点之间形成近似断路的小电流情况，待测直流母线电压基本由高阻值电阻承担。

所述Kramer型电流互感器包括作为原边绕组的通流导体w1、第一铁芯Core1、第二铁芯Core2、第一副边绕组w21和第二副边绕组w22。

第一副边绕组w21与第二副边绕组w22由各自的一段反向串联在一起，第一副边绕组w21的另一端连接二极管整流桥中第一二极管D1的阳极与第三二极管D3的阴极，第二副边绕组w22的另一端连接辅助交流电源的正极输入端。

所述辅助交流电源的正极输入端连接第二副边绕组w22的另一端，所述辅助交流电源的负极输入端连接二极管整流桥第二二极管D2的阳极与第四二极管D4的阴极。

如图3所示，RTMR1的一端连接RTMR2，RTMR2的一端连接RTMR4的一端；

RTMR4的另一端连接RTMR3，RTMR3的另一端连接RTMR1的另一端。

二次测量端，通流“U”型导体的另一端与输出电阻Rout的另一端相连。

所述通流“U”型导体将按顺序从TMR微电流测量电桥的第三MTJ 元件RTMR3、第二MTJ元件RTMR2、第一MTJ元件RTMR1、第四 MTJ元件RTMR4下方流过。第一MTJ元件RTMR1一端与第二MTJ 元件RTMR2的一端共同连接参考电压源Vcc的正极输入端，第三MTJ 元件RTMR3的一端与第四MTJ元件RTMR4的一端共同连接参考电压源Vcc的负极输入端；第一MTJ元件RTMR1的另一端与第三MTJ元件 RTMR3的另一端共同连接二次侧输出端Vout的正极性端，第二MTJ元件RTMR2的另一端与第四MTJ元件RTMR4的另一端共同连接二次侧输出端Vout的负极性端。

工作原理分析如下：

对于二次测量端“U”型通流导体产生的磁场，根据Biot-Savart定律：电流元Idl在空间某点P处产生的磁感应强度dB的大学与电流元Idl的大小成正比。相应方程表示为：

利用量子隧穿法，在获得隧穿系数(受磁场影响)的基础上，TMR元件在非零温度下的隧穿电流表示如下：

TMR元件分层结构中的自由层与被钉扎层两端的电压为常值，因此磁场影响TMR元件的通流能力，产生磁电阻变化量。

如图3所示的由4只TMR元件(初始磁阻均为R)组成的Wheatstone 电桥结构中，4个元件无屏蔽，一般使其正对“U”型被测电流回路，磁场方向与势垒层平面方向平行。受磁场方向影响，自由层磁矩方向与被钉扎层磁矩方向夹角趋向于0度时，对应的MTJ电阻减小；趋向于180度时，对应的MTJ电阻增大。该电桥通过差动输出电压精确地表示MTJ电阻的变化率。四个TMR元件的电桥输出电压表示如下：

图3中RTMR1与RTMR4的减小量，等于RTMR2与RTMR3的增加量，均为ΔR。因此该电桥输出为：

一次测量端的Kramer型电流互感器，两只铁芯副边绕组(匝数均为 w2)反向串联，在辅助交流电源励磁、退磁的作用下，原边通流导体(匝数w1)流过的电流I1与副边经过整流后的电流I2有如下比例关系：

所述高阻值电阻占据直流母线电压测量点至参考地点的大部分电压，因此通过TMR微电流测量电桥获得的精度较高的I2,通过上式映射为电流互感器原边的I1后，与高阻值电阻的乘积，即为待测直流母线电压。

本实用新型将电压测量转化成电流测量，利用灵敏度高、线性范围广、温漂小的TMR元件精确测量微电流的原理，弥补基于分压结构测量电压的精度、稳定性两方面不足。

此外，本实用新型拓宽了TMR元件测量磁场、电流、位移以外的应用范围，首次提出利用TMR元件测量电压变量。

Claims (6)

1.一种基于TMR测量微电流原理测量直流配电网电压的装置，其特征在于，所述装置包括：

高阻值电阻、接入待测直流配电网的直流母线电压，将所述直流母线电压转化为DC小电流信号，并将所述DC小电流信号传输至电流互感器；

电流互感器、接收DC小电流信号，并将所述DC小电流信号以预设比例转换为AC微电流信号传输至辅助交流电源；

辅助交流电源，对电流互感器进行励磁和退磁，并将AC微电流信号传输至二极管整流桥；

二极管整流桥、接收AC微电流信号，并将AC微电流信号转换为DC微电流信号，并传输至TMR微电流测量电桥；

微电流测量电桥、接收DC微电流信号，并将DC微电流信号产生的磁场，以差分电压的形式输出，测量差分电压，输出的差分电压即为直流配电网电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高阻值电阻为所述装置的一次测量端，电流互感器为一次测量端进行电气隔离。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微电流测量电桥，包括：通流U型导体、第一MTJ元件、第二MTJ元件、第三MTJ元件、第四MTJ元件和参考电源；

所述通流U型导体一端为输出电阻，接收DC微电流信号，所述DC微电流信号经第三MTJ元件、第二MTJ元件、第一MTJ元件、第四MTJ元件下方流过，将DC微电流信号产生的磁场，以差分电压的形式输出，通流U型导体另一端作为微电流测量电桥的二次测量端，测量差分电压；

所述第一MTJ元件的一端与第二MTJ元件一端共同连接参考电压源的正极输入端，第三MTJ元件一端与第四MTJ元件一端共同连接参考电压源的负极输入端；

所述第一MTJ元件的另一端与第三MTJ元件的另一端共同连接二次测量端的正极性端，第二MTJ元件另一端与第四MTJ元件的另一端共同连接二次测量端的负极性端。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高阻值电阻为多个阻值相同的电阻串联组成，一端连接直流配电网的直流母线电压测量点，另一端通过通流导体连接参考地点。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流互感器，包括：通流导体、第一副边绕组和第二副边绕组；

所述通流导体作为电流互感器的原边绕组，所述原边绕组，包括：第一铁芯和第二铁芯；

其中，第一副边绕组一端与第二副边绕组反向串联，第一副边绕组另一端连接二极管整流桥，第二副边绕组连接辅助交流电源的正极输入端。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述二极管整流桥，包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；

其中，第一二极管的阴极和第二二极管的阴极共同连接通流U型导体的二次测量端，第三二极管的阳极和第四二极管的阳极共同连接通流U型导体输出电阻的一端；

所述第二二极管的阳极与第四二极管的阴极连接辅助交流电源的负极输入端。

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