CN218384795U - 一种有源误差补偿的电流互感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种有源误差补偿的电流互感器，涉及电流互感器领域，解决了电流互感器工作点变化较大时，预先设计的参数不能跟踪变化，导致电流互感器的误差测量精度变低的问题。其技术方案要点是：主铁芯，所述主铁芯用于承担励磁磁通，所述主铁芯上绕制有一次线圈和补偿线圈；辅助铁芯，所述辅助铁芯上绕制有二次线圈和误差检测线圈；补偿器，用于通过控制外部电源产生的电势通过所述补偿线圈来补偿所述误差检测线圈感应的激磁电流，实现有源误差补偿；其中所述误差检测线圈与补偿器的输入端连接，所述补偿器的输出端与所述补偿线圈连接。

Description

一种有源误差补偿的电流互感器

技术领域

本实用新型涉及一种电流互感器领域，更具体地说，它涉及一种有源误差补偿的电流互感器。

背景技术

电流互感器的测量误差与电流互感器二次绕组的匝数、铁芯横截面面积、平均磁路长度、二次负载、二次绕组漏抗、铁芯磁导率以及互感器的工作点都有密切关系。测量精度与二次绕组匝数的平方、铁芯横截面面积、铁芯导磁率均成反比；与平均磁路的长度、二次负载、二次绕组漏抗均成正比。因此，为针对实际需要，现有技术往往是通过改善电流互感器的结构参数，从而达到提高电流互感器测量精度的目的。

上述改善电流互感器结构和参数的方式在电流互感器一次电流有效值变化范围较小以及工频状态时，可以有效地提高电流互感器的测量精度，但是对于一次电流有效值较大或较小、且含有多种谐波成分时，即使利用上述方式很难保证电流互感器的测量精度。其主要原因在于上述方法都是根据电流互感器处在某个特定的工作点进行参数设计的，而且所有设计的参数都是固定不变的，当电流互感器的工作点变化较大时，预先设计的参数不能跟踪变化，因此，在这种情况下，上述方式将不能有效提高电流互感器的误差测量精度。

为此本申请提出补偿参数能够跟踪电流互感器工作点变化情况，进行实时调整补偿器输出幅值和相位的自适应有源误差补偿的电流互感器。

实用新型内容

为了解决上述现有技术的不足之处，本申请提供一种有源误差补偿的电流互感器，本申请基于零磁通补偿法这一基本原理，通过主铁芯和辅助铁芯形成双级磁动势补偿电流互感器，主铁芯和辅助铁芯之间若没有补偿线圈，则两个铁芯的磁特性状态完全相同，负荷所需能量由两个铁芯的励磁绕组共同提供；如果补偿回路串接外部电源补偿电势，则补偿线圈产生补偿电流，辅助铁芯磁动势重新平衡，负荷所需能量由两个铁芯的励磁电流联合提供，使主铁芯的工作点发生变化。调整外接的外部电源，可使二次负荷全部辅助铁芯承担，使主铁芯中达到零磁通，从而实现电流的高准确度测量，也就实现了对电流互感器的有源误差补偿。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种有源误差补偿的电流互感器，包括：

主铁芯，所述主铁芯用于承担励磁磁通，所述主铁芯上绕制有一次线圈和补偿线圈；

辅助铁芯，所述辅助铁芯上绕制有二次线圈和误差检测线圈；

补偿器，用于通过控制外部电源产生的电势通过所述补偿线圈来补偿所述误差检测线圈感应的激磁电流，实现有源误差补偿；其中所述误差检测线圈与补偿器的输入端连接，所述补偿器的输出端与所述补偿线圈连接。

在一种实施方案中，所述主铁芯由纳米晶材料制成的铁芯与冷轧硅钢片制成的铁芯共同堆叠而成。

在一种实施方案中，所述主铁芯为复合铁芯。

在一种实施方案中，所述误差检测线圈与一个检测电路连接，用于将感应的激磁电流转换为电压信号。

在一种实施方案中，所述补偿器包括滤波电路、放大电路、补偿电路和跨导功放电路；

滤波电路，用于过滤电压信号中的谐波分量；

放大电路，用于将过滤谐波分量的电压信号的功率放大；

跨导功放电路，用于在电流互感器采用电压补偿时，将放大电路输出的电压信号转换为电流信号，并将电流信号的功率放大；

补偿电路，用于依据放大电路输出的电势产生补偿电流，并通过补偿线圈在主铁芯上产生补偿磁势；

其中，所述滤波电路、放大电路、补偿电路和跨导功放电路顺次连接，所述检测电路与滤波电路连接，所述补偿电路与补偿线圈连接。

在一种实施方案中，所述滤波电路由一个电阻、一个电容和一个运算放大器组成，其中电阻和电容并联在运算放大器的反向输入端与输出端之间，运算放大器的同向输入端接地。

在一种实施方案中，所述放大电路由两个电阻和一个运算放大器组成，其中一个电阻的两端分别与运算放大器的反向输入端与输出端连接，另一个电阻与运算放大器的同向输入端连接。

在一种实施方案中，所述补偿电路由两个电阻和一个运算放大器组成，其中，两个电阻并联在运算放大器的反向输入端上，其中一个电阻接地，另一个电阻与补偿线圈的一端连接，运算放大器的输出端与所述跨导功放电路的输入端连接。

在一种实施方案中，所述跨导功放电路由一个pmos管和一个nmos管组成，其中运算放大器的输出端与pmos管的栅极和nmos管的栅极连接，nmos管的源极与nmos管的源极连接后与补偿线圈的另一端连接，nmos管的漏极接正电压，pmos管的漏极接负电压。

在一种实施方案中，所述一次线圈的匝数为一匝，所述二次线圈的匝数与补偿线圈的匝数相等。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型通过主铁芯和辅助铁芯形成双级磁动势补偿电流互感器，主铁芯和辅助铁芯之间若没有补偿线圈，则两个铁芯的磁特性状态完全相同，负荷所需能量由两个铁芯的励磁绕组共同提供；如果补偿回路串接外部电源补偿电势，则补偿线圈产生补偿电流，辅助铁芯磁动势重新平衡，负荷所需能量由两个铁芯的励磁电流联合提供，使主铁芯的工作点发生变化。调整外接的外部电源，可使二次负荷全部辅助铁芯承担，使主铁芯中达到零磁通，从而实现电流的高准确度测量，也就实现了对电流互感器的有源误差补偿。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本申请提供的一种有源误差补偿的电流互感器的结构示意图；

图2为本申请提供的一种有源误差补偿的电流互感器中补偿器的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、主铁芯；2、辅助铁芯；3、补偿器；11、一次线圈；21、二次线圈；22、误差检测线圈；23、补偿线圈；31、检测电路；32、滤波电路；33、放大电路；34、补偿电路；35、跨导功放电路。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

电流互感器的测量误差与电流互感器二次绕组的匝数、铁芯横截面面积、平均磁路长度、二次负载、二次绕组漏抗、铁芯磁导率以及互感器的工作点都有密切关系。测量精度与二次绕组匝数的平方、铁芯横截面面积、铁芯导磁率均成反比；与平均磁路的长度、二次负载、二次绕组漏抗均成正比。因此，为针对实际需要，现有技术往往是通过改善电流互感器的结构参数，从而达到提高电流互感器测量精度的目的。

上述改善电流互感器结构和参数的方式在电流互感器一次电流有效值变化范围较小以及工频状态时，可以有效地提高电流互感器的测量精度，但是对于一次电流有效值较大或较小、且含有多种谐波成分时，即使利用上述方式很难保证电流互感器的测量精度。其主要原因在于上述方法都是根据电流互感器处在某个特定的工作点进行参数设计的，而且所有设计的参数都是固定不变的，当电流互感器的工作点变化较大时，预先设计的参数不能跟踪变化，因此，在这种情况下，上述方式将不能有效提高电流互感器的误差测量精度。

为此本申请提出补偿参数能够跟踪电流互感器工作点变化情况，进行实时调整补偿器输出幅值和相位的自适应有源误差补偿的电流互感器。

如图1所示，本申请实施例提供了一种有源误差补偿的电流互感器，包括：

主铁芯1，所述主铁芯1用于承担励磁磁通，所述主铁芯1上绕制有一次线圈11和补偿线圈23；

辅助铁芯2，所述辅助铁芯2上绕制有二次线圈21和误差检测线圈22；

补偿器3，用于通过控制外部电源产生的电势通过所述补偿线圈23来补偿所述误差检测线圈22感应的激磁电流，实现有源误差补偿；其中所述误差检测线圈22与补偿器3的输入端连接，所述补偿器3的输出端与所述补偿线圈23连接。

工作原理：本实施例基于零磁通补偿法这一基本原理，通过主铁芯1和辅助铁芯2形成双级磁动势补偿电流互感器，通过有源补偿的办法拉平误差曲线，主铁芯1和辅助铁芯2之间若没有补偿线圈23，则两个铁芯的磁特性状态完全相同，负荷所需能量由两个铁芯的励磁绕组共同提供；如果补偿回路串接外部电源补偿电势，则补偿线圈23产生补偿电流，辅助铁芯2磁动势重新平衡，负荷所需能量由两个铁芯的励磁电流联合提供，使主铁芯1的工作点发生变化。调整外接的外部电源，可使二次负荷全部辅助铁芯2承担，使主铁芯1中达到零磁通，从而实现电流的高准确度测量，也就实现了对电流互感器的有源误差补偿。

需要说明的是，磁动势补偿可以归纳为，将某一电动势加在某个阻抗上，产生电流通过某一绕组，给互感器提供磁动势。该电动势包括外加电动势以及绕组产生的感应电动势，绕组可以是部分或整个一次绕组、部分或整个二次绕组、附加三次绕组，也可以是三者的组合。现在采用的大部分的有源补偿方法都是基于磁动势补偿

在一种实施方案中，所述主铁芯1由纳米晶材料制成的铁芯与冷轧硅钢片制成的铁芯共同堆叠而成。需要说明的是，电流互感器的误差分为上限误差和下限误差，其中，电流互感器的上限误差主要是受电流互感器铁芯饱和的影响，当一次侧电流流过一次绕组11时，二次侧绕组中将感应出电动势，当二次线圈21接负载时，产生二次侧电流，根据磁动势平衡的原理可知，一次侧的磁动势一部分平衡二次侧磁动势，另一部分作为励磁电流产生主磁通，励磁电流不仅在电流互感器铁芯中产生磁通，还产生涡流损失和磁滞损失。电流互感器在一次侧电流过大的时候，互感器的铁芯达到饱和状态，由于铁芯的磁通不能无限制的提高，当电流互感器铁芯磁通趋于饱和时，二次电流不再是标准的正弦波形，此时二次电流波形发生了畸变，励磁电流会迅速增大，导致电流互感器误差的增大，所以缓解电流互感器铁芯的饱和问题，是解决电流互感器测量上限误差较大的关键。而电流互感器的下限误差主要是受电流互感器铁芯材料的影响，传统电流互感器的铁芯材料为硅钢，其磁化曲线的线性区的比例较小，当一次侧电流很小时，电流互感器工作在磁化曲线的非线性区，此时磁导率和损耗角会随着增大，电流互感器的误差会快速增大，超出电流互感器测量精度的范围，所以选择性能更优的铁芯材料。

因此，为了能够适应5Hz～1000Hz的电流频率下电流互感器在量程的上限和下限都能有较高的精度，本实施例的主铁芯11，一部分是由纳米晶材料制成的第一铁芯，另一部分是由冷轧硅钢材料制成的第二铁芯，两者堆叠在一起形成主铁芯11，可以达到在较大电流情况下，利用硅钢片饱和磁感应强度大的优势降低误差，而在电流较小的情况下利用纳米晶合金材料线性区较大的优势降低误差。通过结合这两种铁芯自身的独特优势可以很好地在宽频、宽量程范围下达到0.2S级的误差精度。

作为一种具体的实施方案，主铁芯1为复合铁芯。主铁芯1选择复合铁芯是为了满足电流互感器的宽量程和宽频的要求。

如图2所示，误差检测线圈22与一个检测电路31连接，用于将感应的激磁电流转换为电压信号。

检测电路31的作用是为了检测出电流互感器二次侧和一次侧的电流误差量，这个误差量就是在主铁芯1中产生磁通的激磁电流，通过误差检测线圈22上的感应电势来获取它。因为设计的互感器有两个铁芯，在辅助铁芯2上通过外加电源补偿一个磁势来承担二次负荷，这样主铁芯1中就基本上没有激磁电流，互感器的误差也就得到减小。

如图2所示，补偿器3包括滤波电路32、放大电路33、补偿电路34和跨导功放电路35；

滤波电路32，用于过滤电压信号中的谐波分量；

放大电路33，用于将过滤谐波分量的电压信号的功率放大；

跨导功放电路35，用于在电流互感器采用电压补偿时，将放大电路33输出的电压信号转换为电流信号，并将电流信号的功率放大；

补偿电路34，用于依据放大电路33输出的电势产生补偿电流，并通过补偿线圈23在主铁芯1上产生补偿磁势；

其中，所述滤波电路32、放大电路33、补偿电路34和跨导功放电路35顺次连接，所述检测电路31与滤波电路32连接，所述补偿电路34与补偿线圈23连接。

具体的，在电流互感器一次侧存在谐波的情况下，那么在误差检测线圈22上检测到的电流中由于电磁隅合关系也将存在各次谐波，谐波的存在会对相位检测，相位补偿带来很大的影响。滤波模块的主要作用是将检测到的误差信号进行滤波，过滤掉各次谐波为后面的移相模块做准备。滤波器可以按各种标准分类。按照所处理的信号种类可以分为模拟滤波器和数字滤波器；按所用的组件可以分为LC滤波器和RC滤波器等；按所允许通过的频率的频段，可以分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器等四种。本实施例中的滤波电路32采用的是有源一阶滤波器，是一种低通滤波器。

通过放大电路33的幅值和功率的放大我们可以得到一个与输入信号成正比的信号，放大倍数在保证电路稳定的前提下越大对误差补偿效果越好。

当电流互感器采用电压补偿的时候，在暂态时，补偿绕组上感应出的电动势为；当电流变化较快时，电动势E的幅值很容易超过补偿器3两端的输出电压的极限值而造成电压倒灌，烧坏电子器件，所以有必要采用电流补偿的形式。跨导的主要作用就是将电压信号转换为电流信号，即VCCS。采用VCCS以后，还有一个好处在于，不需要很大的放大倍数就可以实现较高的准确度。跨导输出的信号不具备带负载的能力，要把电流补偿到补偿绕组，必须首先进行功率放大。

补偿电路34是根据磁势补偿的原理，放大电路33输出的电势在补偿回路中产生补偿电流，并通过补偿线圈23在辅助铁芯2上产生补偿磁势，只要正确的选择极性，如果一次电流的归算值大于二次电流，则产生正磁势增大二次电流：反之，如果一次电流的归算值小于二次电流，则产生负磁势减小二次电流，从而保证一次和二次磁势保持平衡，确保主铁芯1 接近零磁通。

如图2所示，滤波电路32由一个电阻、一个电容和一个运算放大器组成，其中电阻和电容并联在运算放大器的反向输入端与输出端之间，运算放大器的同向输入端接地。

如图2所示，放大电路33由两个电阻和一个运算放大器组成，其中一个电阻的两端分别与运算放大器的反向输入端与输出端连接，另一个电阻与运算放大器的同向输入端连接。

如图2所示，补偿电路34由两个电阻和一个运算放大器组成，其中，两个电阻并联在运算放大器的反向输入端上，其中一个电阻接地，另一个电阻与补偿线圈23的一端连接，运算放大器的输出端与所述跨导功放电路35的输入端连接。

如图2所示，跨导功放电路35由一个pmos管和一个nmos管组成，其中运算放大器的输出端与pmos管的栅极和nmos管的栅极连接，nmos管的源极与nmos管的源极连接后与补偿线圈23的另一端连接，nmos管的漏极接正电压，pmos管的漏极接负电压。

在一种实施方案中，一次线圈11的匝数为一匝，所述二次线圈21的匝数与补偿线圈23 的匝数相等。具体的，在电流互感器中，一次线圈11的匝数很少这是属于公知常识，这是由于，电流互感器原理是依据电磁感应原理的。电流互感器是由闭合的铁芯和绕组组成。它的一次侧绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，而这个电流是很大的，例如一个400/5的电流互感器，若一次线圈11的匝数太多，则由于高电流流过，会产生大量的热，易烧毁电子器件。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、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 (10)

1.一种有源误差补偿的电流互感器，其特征在于，包括：

主铁芯(1)，所述主铁芯(1)用于承担励磁磁通，所述主铁芯(1)上绕制有一次线圈(11)和补偿线圈(23)；

辅助铁芯(2)，所述辅助铁芯(2)上绕制有二次线圈(21)和误差检测线圈(22)；

补偿器(3)，用于通过控制外部电源产生的电势通过所述补偿线圈(23)来补偿所述误差检测线圈(22)感应的激磁电流，实现有源误差补偿；其中所述误差检测线圈(22)与补偿器(3)的输入端连接，所述补偿器(3)的输出端与所述补偿线圈(23)连接。

2.根据权利要求1所述的一种有源误差补偿的电流互感器，其特征在于，所述主铁芯(1)由纳米晶材料制成的铁芯与冷轧硅钢片制成的铁芯共同堆叠而成。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种有源误差补偿的电流互感器，其特征在于，所述主铁芯(1)为复合铁芯。

4.根据权利要求1所述的一种有源误差补偿的电流互感器，其特征在于，所述误差检测线圈(22)与一个检测电路(31)连接，用于将感应的激磁电流转换为电压信号。

5.根据权利要求4所述的一种有源误差补偿的电流互感器，其特征在于，所述补偿器(3)包括滤波电路(32)、放大电路(33)、补偿电路(34)和跨导功放电路(35)；

滤波电路(32)，用于过滤电压信号中的谐波分量；

放大电路(33)，用于将过滤谐波分量的电压信号的功率放大；

跨导功放电路(35)，用于在电流互感器采用电压补偿时，将放大电路(33)输出的电压信号转换为电流信号，并将电流信号的功率放大；

补偿电路(34)，用于依据放大电路(33)输出的电势产生补偿电流，并通过补偿线圈(23)在主铁芯(1)上产生补偿磁势；

其中，所述滤波电路(32)、放大电路(33)、补偿电路(34)和跨导功放电路(35)顺次连接，所述检测电路(31)与滤波电路(32)连接，所述补偿电路(34)与补偿线圈(23)连接。

6.根据权利要求5所述的一种有源误差补偿的电流互感器，其特征在于，所述滤波电路(32)由一个电阻、一个电容和一个运算放大器组成，其中电阻和电容并联在运算放大器的反向输入端与输出端之间，运算放大器的同向输入端接地。

7.根据权利要求5所述的一种有源误差补偿的电流互感器，其特征在于，所述放大电路(33)由两个电阻和一个运算放大器组成，其中一个电阻的两端分别与运算放大器的反向输入端与输出端连接，另一个电阻与运算放大器的同向输入端连接。

8.根据权利要求5所述的一种有源误差补偿的电流互感器，其特征在于，所述补偿电路(34)由两个电阻和一个运算放大器组成，其中，两个电阻并联在运算放大器的反向输入端上，其中一个电阻接地，另一个电阻与补偿线圈(23)的一端连接，运算放大器的输出端与所述跨导功放电路(35)的输入端连接。

9.根据权利要求8所述的一种有源误差补偿的电流互感器，其特征在于，所述跨导功放电路(35)由一个pmos管和一个nmos管组成，其中运算放大器的输出端与pmos管的栅极和nmos管的栅极连接，nmos管的源极与nmos管的源极连接后与补偿线圈(23)的另一端连接，nmos管的漏极接正电压，pmos管的漏极接负电压。

10.根据权利要求1所述的一种有源误差补偿的电流互感器，其特征在于，所述一次线圈(11)的匝数为一匝，所述二次线圈(21)的匝数与补偿线圈(23)的匝数相等。

Images