CN2372691Y - 交流电流侦测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种交流电流侦测器,其结构包括铁芯、电流输入线圈、高稳定且低温度系数的电流输出线圈及读取线圈,它是以电流输入线圈和待测电流电路串联,而铁芯二次侧感应的电流则几乎完全流经电流输出线圈,最后再以检测仪器量测读取线圈上的感应电压,如此安排将可以降低功率损耗并消除温升、电阻温度系数及电阻负载效应所造成的电流量测误差,以达到高精确量测交流电流之目的。

Description

交流电流侦测器

本实用新型涉及一种交流电流侦测器，尤其是关于一种利用具有两组次级线圈的变压器结构，以达到高精确量测交流电流目的的交流电流侦测器。

在科技日新月异的今日，几乎所有的装备都无法脱离电而单独运作。电力系统方面，为了确保各电力设备的正常动作，故必须随时侦测电流状态，以便对设备动作进行监控，而在设备误动作时亦可采取适当的保护措施，在积体电路等精密微电子方面，电子装置间的控制信号及资料号传迅数以千百计，只要任一电流信号检测错误，就可能导致整个系统产生误动作。因此，如何确实精密地测量电流，在今天是非常重要的课题。

常用的电流侦测器可分下列两种，一种是电阻侦测法，请参看图一的电路图，是将一测试电阻与待测电流的电路串联，待读取该电阻上的电压值后，便可依欧姆定律而换算出该电阻上流经的待测电流(I_in＝V_out/R)，构造虽然简单，但是电流流经电阻产生的热效应(P＝I_in ²R)。将便得电阻温度升高，电阻值受热而改变，导致量测出的电流值会有很大的误差存在，同时也会造成不小的功率损耗。

另外一种量测方法是比流器侦测法，请参看图二的电路图，其使用比流器(仪用变压器的一种)，将待测电流电路与比流器的初级线圈(电流输入线圈)串联，次级线圈(电流输出线圈)则流出与待测电流I(即I_in)成比例的较小电流I_out，该比例和线圈匝数比成反比，再用检测仪器量测出此电流I_out。量测出此电流后，待测电流便可由公式I_in＝I_outX(M/N)推算出。然而由于一般对电流的处理比不上对电压处理容易，故通常串接一测试电阻于次级线圈，以测量测试电阻上电压值V_out，请参看图三的电路图，此时可由公式I_in＝(V_out/R)X(M/N)计算出待测电流I_in的大小。

由于上述的比流法是将待测电流经过一比流器而转换至一较小电流，使流过测试电阻的电流较小，故功率损失较上述电阻法为小，电阻值随温度效应而改变亦较小，故可使误差变小，但是仍存在以下几个严重缺点：

1.电阻仍为主要负载，功率损耗导致温升将造成电阻值的变化，此对精密量测而言非常不利，必须采用品质较好(即温度系数小)的电阻以改善此缺点。

2.由于比流器本身亦有阻抗(绕组的电阻，磁芯的等效电阻，线圈的漏磁通造成的漏磁电抗及线圈的磁化电抗)存在，因此在电流流过后将会造成电压降，故依输出电压V_out推算出的电流值将会有误差。

3.请参看图四的等效电路图，即使选用品质优良的电阻作将测试电阻R，然而次级线圈M所采用的铜丝本身即为一大温度系数的电阻R2，其对温度非常敏感，且其与测试电阻R串接，在两温度系数不同导体串接情况下，其精确度更是大大的降低。

4.线圈铜丝与测试电阻R相接点为异质金属接点，其所产生的电位能(WORKFUNCTION)会干扰量测，同时于接点处会产生一接触电阻R_c其亦为一温度系数元件。

5.倘使待测电流很大时，所需的比流器线圈的电流比将很大，也就是其圈数比将会很大，在制造上会很困难，此时通常采取多组比流器串联以逐一降低电流，请参考图五的电路图，再以电阻R取出最末一个比流器次级线圈的电压V_out值，然而在比流器如此串联下，比流器串接下的内部阻抗更不能忽略，精密度大大降低。

本实用新型的主要目的在于提供一种交流电流侦测器，是将次级线圈分成两组，以消除温升、电阻温度系数及电阻负载效应所造成的量测误差，以达到高精确的量测目的。

本实用新型的另一目的在于提供一种交流电流侦测器，其使于量测电流时，可减少不必要的功率损耗。

常见的电流侦测器，由上列陈述，足证至今仍存在着缺点，因而无法对电流作精确的量测。有鉴于此本发明者乃针对习知电流侦测器的缺点，以及本身在电机领域上多年的丰富实务经验，经长时间研究而设计出此种构造简单，并可确实达到高精密测量电流目的的交流电流测试器。

本实用新型包括铁芯、电流入线圈、电流出线图；一铁芯，为一低铁芯损耗，低磁带损耗，低漏磁通，低激磁电抗及高通的磁性材料；一电流入线圈，其材料为导电金属，绕在铁芯上，与待测电流电路串联；一电流出线圈，其材料为高稳定度及低温度系数的电阻丝，绕在铁芯上，其两端焊接短路；以及一读取线圈，绕在铁芯上，两端开路，可与检测仪器串接以量测感应电压；由上述结构，以电流输入线圈和待测电流电路串联，使二次侧电流几乎完全流经电流输出线圈，并利用检测仪器量测读取线圈上的感测电压，如此结构安排可以消除温升、电阻温度系数及电阻负载效应所造成的电流量测误差，且可降低功率损耗而达到高精确量测交流电流的目的。

本实用新型交流电流侦测器是一形同变压器的铁芯结构，它是以初级线圈与待测交流电流电路相串联，如同传统比流器的接法，而次级线圈有两组，第一组使用高稳定度，低温度系数的电阻丝(如锰铜丝)绕成，将其两末端焊接短路；第二组线圈则开路，是用作检测仪器量测电压的读取线圈，本实用新型相较传统的电流侦测器有如下的优点：

1.本实用新型第二组次级线圈(即读取线圈)为开路状态，故二次侧电流几乎完全流经第一组次级线圈(即电流输出线圈)，即整个第一组次级线圈本身即为二次侧电流负载电阻，故散热情形良好；而其是采用温度系数小的电阻材料，且温度系数处处相同，故电阻值几乎不变；又其为单一金属导体，没有和其他异质金属接触，故无接触电位能干扰及接触电阻产生。

2.第二组次级线圈上感应的电压和第一组线较原电压成比例(此比例即为第二组线圈和第一组线圈的匝数比)，读取仪器串联于第二组线圈以量测此感应电压，由于读取仪器阻抗很高，故流经读取线圈的电流很小(可视为开路状态)，所以铁芯及线圈所导致的电感性压降及电阻性压降非常小，可以忽略不计，无传统比流器的负载效应。

3.电流几乎全部流经第一组次级线圈(电流输出线圈)，故本实用新型的损耗功率几乎全部在第一组次级线圈上，由于线圈电阻值较一般电阻值小很多，故其损耗功率远较电阻法及比流法所损耗的功率小。

4.当待测电流很大时，如果不提升初级线圈及次级线圈的匝数比，则流经次级的电流亦会很大，如果是传统的比流器，不采用多级串接的方式的话，待测电阻将无法承受如此大的发热功率而烧毁，即便待测电阻能耐得住如此高的功率，但是其电阻上的电压亦会很大，不易量测且容易发生危险，但是对本实用新型而言，由于第一组次级线圈电阻值很小，故发热功率较传统小很多，电压也较小，且纵使因待测电流太大而导致第一组次级线圈的电压过高，但是由于电压是从第二组线圈读取，故可改变第二组线圈对第一级线圈的匝数比以降低第二组线圈上感应电压值，此外，亦可直接降低第一组次级线圈的电阻值(如使用更粗的电阻线)，以降低第二组线圈的感应电压，使其易于量测。因此，以本实用新型量测大电流时，将无需使用多级方式，仅需改变次级两组线圈的匝数比或改变第一组线圈的电阻值即可，操作非常方便，且可节省体积及成本，提升经济效益。

5.一般的电流器要在次级线圈测避免开路，因此在未做量测时，通常要在次级线圈处加上短路接线，然而此短路接线常会因电流过大而烧坏。而本实用新型的第一组次级线圈本身即为短路线圈结构，因此可提供更安全的量测，尤其是以量测大电流时更能显现本实用新型优于其他习知技术。

请参阅以下有关本创作一较佳实施例的详细说明及其附图，将可进一步了解本实用新型的技术内容及其目的功效；有关该实施例的附图为：

图1为习知以电阻法量测电流的电路图。

图2为习知以比流器量测电流的电路图。

图3为习知以比流器串联测试电阻以量测电压的电路图，图1～图3中DL为电路。

图4为第3图的等效电路图。

图5为习知以串接数个比流器量测大电流的电路图。

图6为本实用新型的交流电流侦测器的电路图。

图7为本实用新型的交流电流侦测器的等效电路图。

请参看图1，它是以电阻法量测电流的电路图，待读取测试电阻R上的电压值V_out后，便可由欧姆定律而换算出待测电流I_in值。

请参看图2，它是以比流器量测电流的电路图，待量测出次级线圈的电流I_out后，可由线圈匝数比而换算出待测电流I_in的大小。

请参看图3，它是以比流器串联测试电阻以量测电压的电路图，虚线内为比流器，量测出次级线圈上的测试电阻R的电压V_out后，待测电流便可由公式I_in＝(V_out/R)X(M/N)而换出待测电流值。

请参看图4，它是图3的等效电路图，虚线内为实际的比流器等效电路，粗实线为理想变压器，由于比流器是变压器的一种，而变压器本身有阻抗(绕组的电阻，磁芯的等效电阻，线圈的漏磁通造成的漏磁电抗及线圈的磁化电抗)存在，其中绕组电阻具有决定性的影响，因此实际比流器的等效电路包括理想变压器及两侧线圈的电阻R1及R2。除此之外，由于比流器尚无一待测电阻串联，故尚有一干扰电位能及接触电阻R_c存在。

请参看图5，它是以串接数个比流器量测大电流的电路图，将多组比流器予以串联以便逐一降低电流，再以电阻取出最末一个比流器次级线圈的电压值，可由公式I_in＝(V_out/R)X(M1/N1)X(M2/N2)X…X(Mn/Nn)，而换算出待测电流值。

请参看图6，它是本实用新型交流电流侦测器的电路图，为一形同变压器的铁芯结构，是以初级线圈(电流输入线圈，是绕N匝于铁芯上)与待测交流电流的电路相串联，如同传统比流器的接法(如为柱形中空铁芯结构，则将待测交流电流的电路贯穿此铁蕊即可)。次级线圈有两组，第一组线圈(电流输出线圈)是使用高稳定度，低温度系数的电阻丝(如锰铜丝)，绕M圈子上述铁芯上，并将两末端焊接短路，第二组线圈(可为一般铜线)则绕成P圈于铁芯上，线圈两端开路，其是为用作检测仪器量测感应电压的读取线圈。由于检测仪器的内阻为高阻抗，读取线圈上的电流非常小，故连接检测仪器后的该线圈仍可视为开路状态，故二次侧电流几乎完全流经第一组次级线圈(电流输出线圈)，亦即由此线圈上的电流来完全抵消初级线圈于铁芯所造成的磁动势，而第二组线圈(读取线圈)则作为读取感应电压用，其上电流非常小，由如此的结构安排，将传统比流器次级线圈所负担的功能(让电流流过以抵消初级线圈所造成的磁动势及用以读取电压这两个功能)分开，而以两个线圈分别来完成，如此将可完全传统比流器因温升、电阻系数及电阻负载效应所造成的量测误差，且可降低损耗于电流侦测器内的功率损耗而达到高精确的量测目的。该铁芯可为一中空结构，使待测电流电路可经由此中空结构穿透铁芯，无须以电流输入线圈串联待测电流电路。为了更详细说明本实用新型的原理及推导出实际应用本发明后的结果，必要以本发明的电路作分析，其分析如下：

图7为本实用新型交流电流侦测器的等效电路图，本发明可以等效为一理想变压器(粗实线为理想变压器，可使用理想变压器的公式)及两侧的线圈电阻r1、r2及r3，而检测仪器的内阻为r4。由匝数比可知本发明的电流负载线圈上的电流大小I_out=I_inX(N/M)，由于电流输出线圈的线圈电阻为r2，而其两端为短路，故电压V1＝I_outXr2，和待测的电流成正比，但此电压无法由外部检测仪器量出，但可由第二组次级线圈(读取线圈)量出此电压大小，因为由理想变压器理论知，铁芯上每一线圈的感应电压和整个磁芯上的磁通量变化率成正比，由此可知读取线圈上的电压V2＝V1X(P/M)＝I_inX(N/M)Xr2X(P/M)，由于检测仪器内阻r4为一高阻抗(百万欧姆以上)，亦即读取线圈可视作开路状，几乎无电流流经其上，而线圈电阻为数欧姆，无电压降，即故无传统比流器的负载电阻效应，故检测仪器上量测出的电压值V_out和V2相同。其和待测电流I_in成正比，故可依此换算出待测电流的大小，其换算公式为I_in＝V2XM²/N/P/r2。实验证实与理论分析完全相同。

从上述可知，本实用新型以巧思的结构设计，改善以电流侦测器无法达到高精确量测电流的缺点，且可依实际需要(待测电流的范围)调整匝数比，可适应于任何设备，而达到高精确的量测结果，故本发明充分符合专利法中的新颖性及进步性的法定新型专利要件，现依法提出申请。

上述的具体实施例是用来详细说明本实用新型的目的、特征及功效，对于熟悉此类技艺的人士而言，根据上述说明，可能对该具体实施例作部分变更及修正，而并不脱离出本发明的精神范畴。

Claims (3)

1.一种交流电流侦测器，包括电流入线圈、电流出线圈，其特征是一电流入线圈，绕在铁芯上，与待测电流电路串联；一电流出线圈，绕在铁芯上，其两端焊接短路；以及一读取线圈，绕在铁芯上，两端开路，可与检测仪器串接以量测感应电压。

2.按照权利要求1所述的交流电流侦测器，其特征是电流输出线圈材料为锰铜丝。

3.按照权利要求1所述的交流电流侦测器，其特征是该铁芯可为一中空结构，使待测电流电路可经由此中空结构穿透铁芯，无须以电流输入线圈串联待测电流电路。

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