CN1243248C

CN1243248C - 一种电流传感器

Info

Publication number: CN1243248C
Application number: CN 200310111569
Authority: CN
Inventors: 李维波; 毛承雄; 陆继明; 范澍
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: CN1547035A

Abstract

本发明公开了一种电流传感器，它的特点是：两个对称通道中的反馈绕组相串联后，一端接地，另一端接对应采样电阻的一端；对称布置的两个霍尔元件的输出经运放放大后再进行滤波、电压-电流变换、电流放大处理，其输出端接上述采样电阻的另一端，将该采样电阻两端的检测电压信号送到计算机；它还包括Rogowski线圈，线圈两端并联联接采样电阻，采样电阻的检测电压信号经运放放大后，再进行滤波、积分放大处理，送到计算机；计算机将上述各组数据处理完后，将被测电流的大小送到显示器显示。本发明明显改善了传感器的饱和特性和线性度；精度优于0.5%，功耗小，温度附加误差＜0.1%/10℃，抗磁干扰能力强；结构简单，安装、调试、维护均很方便。

Description

一种电流传感器

技术领域：

本发明涉及一种电流传感器，特别适于电力电子设备中用于电流反馈、截流控制、稳流调节以及直流侧过流和短路保护中的暂态大电流信号检测。

背景技术：

在变频调速装置、逆变装置、UPS电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测非正弦大电流的各个领域中，精确检测和控制非正弦大电流，是设备安全可靠运行的根本保证和首先要解决的问题。

现在研究出了诸如电流比较仪、电流互感器、分流器等大电流测量设备；也出现了以磁光效应和核磁共振等物理效应为基础的一些测量设备。这些设备就其工作原理大致可分为两大类：根据被测电流在已知电阻上的电压降，来确定被测直流大电流大小的测量装置，如分流器；根据被测电流所建立磁场来确定被测电流大小的测量装置，如Rogowski线圈直接测量装置。

使用分流器的最大问题就是输入与输出没有隔离，并且，用分流器测量高频或大电流时，不可避免地带有电感性，因此，接入分流器后，既会影响被测电流波形，又不能真实传递非正弦信号。

对于目前大量采用的变压器式电流互感器而言，它们是基于电磁感应原理的互感器，具有绝缘强度高、工作可靠、价格低廉等优点。但当暂态电流或者di/dt很大时，磁路容易出现饱和现象，副方电流不能无失真地反映被测电流；它能够适应的频率范围很窄，尤其不能传递直流；并且，由于互感器的非理想性，使得变比和相位都存在较大的误差，需要采用硬件或软件的方法补偿，从而增加了系统的复杂程度；此外，电流互感器工作时存在激磁电流，所以，它是电感性元件，在测量高频或大电流时存在和分流器一样地缺点。后来在此基础上研制了带气隙的电流互感器，这种互感器由于在磁路上开了一段气隙，其磁阻增加，剩磁减小，等效磁化曲线实现了线性化，使磁路在暂态电流或者di/dt很大时也不至于饱和，因此副方能够基本无失真地反应暂态电流，但是其结构尺寸比较庞大。

对于含铁芯式电流比较仪，性能稳定，功率消耗较小(与分流器相比)，能承受较大的负载，安装时可不断开被测电路。但是由于使用铁芯材料，并非具有理想的磁化特性，易饱和，对被测大电流的大小有所限制，并且其屏蔽结构复杂，外形尺寸较大，一般多用作大电流的实验室标定装置。

磁平衡式霍尔电流传感器是基于霍尔效应发展起来的测量控制电流的新一代工业用电流传感器，其实质是一个电流-磁-电压变换器，其作用与传统的电流互感器相同，它的输入和输出间具有良好的电隔离，绝缘耐压超过3kV。它是利用霍尔元件测量被测电流在铁芯(围绕被测载流导体)气隙里的磁感应强度来判定被测电流大小的。它的特点是：结构简单，安装时可不断开被测电路；并且具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点。但是，霍尔元件的输入电阻和输出电阻的数值不是恒定不变的，因此它存在磁阻效应，它是随磁感应强度而不断增长的。在单个霍尔元件除了霍尔电势之外，在输出电压中还存在其他几种剩余电势。霍尔元件的霍尔系数、输入电阻、输出电阻和剩余电势都与温度有关，因此霍尔元件存在着较大的温度误差。

Rogowski线圈，它的磁路不含铁心，是一种特殊结构的空心线圈，亦称空心互感器。由于它的磁路不含铁心，无饱和问题，暂态性能好，频带宽，受外磁场的影响和被测载流导体的位置影响小，不存在动力和热力的稳定性问题，具有良好的电磁屏蔽特性，与高压回路有良好的绝缘，结构简单，易于加工等优点，配合外部积分电路，能准确地测量因幅值太大或者太高di/dt引起铁心饱和的暂态大电流如脉冲电流，闪电电流。目前广泛用它作为空气绝缘开关和继电保护中，一种简单而有效的测量很大的暂态电流或者高di/dt电流的传感器。但因为Rogowski线圈的磁路不含铁心，对于被测暂态电流或者di/dt不大时，其感应信号太弱，测量误差较大。

随着电力电子技术在变频调速装置、逆变装置、UPS电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统等领域中的广泛应用，对于高频、高di/dt、宽频谱(包含直流分量)电流波形的传递与检测就显得尤为重要。对于电力电子设备中的暂态电流不大，而di/dt较高时，如果单独采用分流器、比较仪、电流互感器、Rogowski线圈和霍尔元件等作为检测电流的常规器件已不能满足测量要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种电流传感器。它是由霍尔元件和Rogowski线圈构成双重检测方式的电流传感器，它明显改善传感器的饱和特性和线性度，对电流较敏感，能准确测量高di/dt瞬态大电流。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电流传感器，包括环形铁芯和霍尔元件，在上述环形铁芯上均匀、对称开有空气隙，对称两个通道中的反馈绕组相串联，串联后的一端接地，另一端接对应采样电阻的一端；上述空气隙中，对称放置的两个霍尔元件为一组，每个霍尔元件由恒流源控制，每组中两个霍尔元件的输出端分别与运算放大器的正、负输入端相接，经运算放大器放大后进行滤波、电压-电流变换、电流放大处理，电流放大处理后的输出端接上述采样电阻的另一端，将该采样电阻两端的检测电压信号送到计算机；它还包括Rogowski线圈，线圈两端并联联接对应的采样电阻，该采样电阻的两端分别接运算放大器的正、负输入端，且正输入端接地，采样电阻的检测电压信号经该运算放大器放大后，再进行滤波、积分放大处理，积分放大处理后的信号送到计算机；由计算机处理上述检测电压信号和积分放大处理后的信号，处理后将被测电流大小送到显示器显示。

在上述反馈绕组和Rogowski线圈的绝缘层及保护层之外，专门设置地线层以代替上述地线，在该地线层外面依次设置绝缘层及保护层、电磁屏蔽层、最外层的绝缘层及保护层。

本发明的优点在于：

1、因霍尔元件对称性地放置在空气隙中，当来自同方向的干扰磁场进入霍尔元件时，磁通密度会在两个对称分布的霍尔元件上面产生相反的霍尔干扰电势，并在电路中自行抵消。

2、该传感器利用霍尔传感器的无电感和快速响应特性，测量电力电子线路中幅值不太大或者不太高di/dt的电流，即测量不会因幅值太大或者太高di/dt引起铁心的磁饱和。由于因传感器的接入而改变原有的di/dt值，因此，它特别适于电力电子设备中用于电流反馈、截流控制、稳流凋节以及直流侧过电流的检测。

3、该传感器利用Rogowski线圈的无饱和问题、频带宽、快速响应特性，测量电力电子线路中因幅值太大或者太高di/dt引起铁心饱和的非正弦暂态电流，即它特别适于电力电子设备中用于电流反馈、截流控制和短路保护中的电流信号的检测。

4、该传感器采用具有较强的带负载能力的电压-电流转换的恒流源电路，为了使输出电流稳定，除各个环节引入深度负反馈外，还从输出电流取样经电压跟随器反馈加法器，形成一个大的外反馈，进一步增强了输出电流的稳定度，使恒流源在负载变化较大范围内输出电流具有高稳定度。

总之，明显改善了传感器的饱和特性和线性度；精度优于0.5％，功耗小，温度附加误差＜0.1％/10℃，抗磁干扰能力强；结构简单，重量轻，价格低，安装、校准、调试、维护均十分方便。

附图说明

图1(a)为本发明一种实施例的结构示意图。

图1(b)为本发明一种实施例的两个骨架芯位置示意图。

图2为图1(a)中霍尔元件H₁、H₂对称布置和Rogowski线圈电路图。

图3(a)为图1(a)中霍尔元件H₁的恒流源电路图。

图3(b)为图1(a)中霍尔元件H₂的恒流源电路图。

图4(a)为图1(a)中圆形截面骨架芯F₁的结构示意图。

图4(b)为图1(a)中矩形截面骨架芯F₂的结构示意图。

具体实施方式

由图1(a)所示，1为显示器，2为处理来自两组并联通道检测电压信号的计算机；3为处理来自对称布置的霍尔检测元件的霍尔电压的滤波、电压-电流变换、电流放大电路；4为处理来自Rogowski线圈检测元件的感应电压的滤波、积分放大电路，其输出电压为U_S2；5为被测电流母线；6为专用地线层；F₁和F₂为两个骨架芯；A₁和A₂为运算放大器；R_S1和R_S2为两组检测通道的采样电阻；I_F1和I_F2为两组检测通道中流过的电流；U_S1为采样电阻RX的端电压；U_R1和U_R2为采样电阻R_S2的端电压，H₁和H₂为两个霍尔元件；U_H1和U_H2为两个霍尔元件所输出的霍尔电压；W₁和W₂为通道的两个反馈绕组；W₃为Rogowski线圈。

一种电流传感器由两个骨架芯(Frame)F₁和F₂组成，骨架芯F₁是由铁心构成，骨架芯F₂由环氧树脂棒构成。铁芯F₁的直径方向开设空气隙，每个通道的铁芯长度相等，气隙均匀、对称分布，霍尔元件置于气隙中。在铁芯外绝缘材料上，均匀密绕多圈成螺旋状的反馈绕组线圈。该反馈绕阻线圈也可按照Rogowski线圈方式绕制。绕制反馈绕组时，必须注意线圈绕向，确保传感器实现零磁通检测原理。两个反馈绕组W₁和W₂相串联，串联后一端接采样电阻R_S1的一端，另一端接地。由于开口越大，铁心越不易饱和。但开口大了以后，空气隙中的磁场会分散，这样铁心就失去了聚磁环的作用，而且铁心开口太大会不利于互感器的准确度。因此，气隙长度可小于铁芯截面积平方根的10～15倍，兼顾被测电流大小和铁芯尺寸大小要求，否则会影响传感器测量精度；为了增强传感器感应信号，在不改变传感器其它尺寸前提下，可以尽可能增大骨架芯F₁轴向厚度，则气隙长度也可以相应增大。另外，气隙数目可选为大于等于2且不超过10的偶数。因为开口愈多，空气隙的长度愈大，铁心才愈不会饱和，但考虑开口多会使互感器的准确度下降，另一方面还会增加制造成本，且使铁心的机械强度下降。所以，铁心的开口数量应尽可能少。霍尔元件H₁和H₂对称布置，均由恒流源控制，两个霍尔元件H₂、H₁的输出端分别与运算放大器A₁的正、负输入端相接，放大后送到电路3进行滤波、电压-电流变换、电流放大处理，电路的输出端接采样电阻R_S1的另一端，然后各自输送到反馈绕阻产生一个反向磁场与被测电流产生的磁场相平衡，实现零磁通测量原理。采样电阻R_S1两端的电压送到计算机2。上述电路3为通常的滤波、电压-电流变换、电流放大电路。

在骨架芯F₂外绝缘材料上，均匀密绕单圈成螺旋状的Rogowski线圈，由骨架芯F₂中心引出回绕线，在该线圈两端并联联接采样电阻R_S2，采样电阻R_S2的两端分别接运算放大器A₂的正、负输入端，且正输入端接地，其输出通过滤波、积分放大电路4送到计算机2。选择运算放大器A₂必须考虑它的摆率、上升速度、漂移和精度，一般选择高速低漂移精密运算放大器。电路4为通常的滤波、积分放大电路。

由计算机2处理上述两组不同的数据，处理后将被测电流大小送到显示器1显示。

很容易看出，如果骨架芯F₁的气隙数为10个，对称布置的两个霍尔元件作为一组，则共有五组，这时输入到计算机2中的就有五组数据，再加上从Rogowski线圈输出的一组，计算机2将处理六组不同的数据，处理后将被测电流的大小送到显示器1显示。

由图1(b)所示，为了安装方便，两个骨架芯F₁和F₂宜选取同样尺寸，20为骨架芯F₂的回线槽。为了说明两个骨架芯的位置关系，图1(b)夸大了它们之间的间隔距离d，当它们缠好各自的绝缘层及保护层、地线层、地线层绝缘层及保护层、电磁屏蔽层和最外层的绝缘层及保护层后，将它们紧紧固定在一起形成一个整体。

由图2所示，I₊和I_-为由正负电源，分别供电流给两个对称放置的霍尔元件H₁和H₂；R_F1和R_F2表示恒流源I₊和I_-的反馈电阻；a₁、c₁端子表示霍尔元件H₁的直流控制电流输入、输出端，b₁、d₁端子表示霍尔元件H₁的霍尔电压输出端，a₂、c₂端子表示霍尔元件H₂的直流控制电流输入、输出端，b₂、d₂端子表示霍尔元件H₂的霍尔电压输出端；A₁表示运算放大器；R_K表示运算放大器A₁的放大倍数控制电阻；5为被测电流母线；*号表示三个绕组W₁、W₂和W₃的同名端。该电路接法为，霍尔元件H₁的d₁端、霍尔元件H₂的b2端分别与运算放大器A₁的负输入端、正输入端相接，霍尔元件H₁的a₁端与恒流源(供给H₁的电流为I₊)反馈电阻R_F1相接，另一端c₁接地，霍尔元件H₂的c₂端与恒流源(供给H₂的电流为I_-)反馈电阻R_F2相接，另一端a2接地，霍尔元件H₁的b₁端与霍尔元件HX的d₂端相接。反馈绕组W₁和W₂串联后，一端与采样电阻R_S1相接，另一端接地。采样电阻R_S1的两端接到计算机2。上述电阻R_K可以选用高精度电阻，运算放大器A₁可以选用如INA128仪用运算放大器或者由OP07、OP27等精密运算放大器构成仪用运算放大器电路结构。由于将霍尔元件H₁的b₁与霍尔元件H₂的d₂相接，c₁与a₂相接并接地，当来自同方向的干扰磁场进入霍尔元件时，磁场会在两个对称分布的霍尔元件H₁、H₂上面产生相反的霍尔干扰电势，并在电路中自行抵消。当霍尔元件H₁、H₂的直流控制电流输入端a₁、c₁(或者a₂、c₂)流过来自恒流源的直流电流，其垂直表面有磁场并有磁力线穿过时，其霍尔电压输出端b₁、d₁(或者b₂、d₂)端子便产生霍尔电压，运算放大器A₁可以放大霍尔电势差即U_H＝U_H1-U_H2，其放大倍数由控制电阻R_K控制，即放大倍数近似为1+50kΩ/R_K，再送入处理电路3处理。

由图3(a)所示，其具体接法为，运算放大器A₃的正输入端通过电阻R₂接到基准源U_ref1，且正输入端通过电阻R₃接地，运算放大器A₃的负输入端通过电阻R₄接到其输出端，且负输入端通过电阻R₁接到运算放大器A₅的输出端，运算放大器A₃的输出端通过电阻R₅接到运算放大器A₄的负输入端，运算放大器A₄的负输入端通过电阻R₆接到功率放大管T₂的发射极，正输入端通过电阻R₇接到功率放大管T₁的发射极，并接地，输出端通过电阻R₈接到功率放大管T₁的基极。功率放大管T₁的集电极接功率放大管T₂的基极，且通过电阻R₉接功率放大管T₂的集电极和+15V电源。运算放大器A₅的输出端通过电阻R₁₀接到其负输入端，其正输入端通过电阻R_F1接到功率放大管T₂的发射极。霍尔元件H₁的直流控制电流输入端a₁与运算放大器A₅的正输入端相接，直流控制电流输出端c₁接地。

图3(a)的工作原理简述如下：基准源U_ref1，经过加法器A₃、反馈放大器A₄，由电流放大驱动电路(T₁、T₂)输出高稳定的电流。因为运算放大器A₅构成跟随电路，其输入阻抗很高(≥10¹²Ω)，则流过反馈电阻R_F1的电流全部流向霍尔元件H₁。为了使输出电流稳定，除各个环节引入深度负反馈外，还从输出电流取样经电压跟随器A₅反馈给运算放大器A₃，形成一个大反馈，进一步增强了输出电流的稳定度，使恒流源在负载变化较大范围内输出电流具有高稳定度。

由图3(b)所示，其具体接法为，运算放大器A₆的正输入端通过电阻R₁₂接到基准源U_ref2，且正输入端通过电阻R₁₃接地，运算放大器A₆的负输入端通过电阻R₁₄接到其输出端，且负输入端通过电阻R₁₁接到运算放大器A₈的输出端，运算放大器A₆的输出端通过电阻R₁₅接到运算放大器A₇的负输入端，运算放大器A₇的负输入端通过电阻R₁₆接到功率放大管T₄的发射极，正输入端通过电阻R₁₇接到功率放大管T₃的发射极，并接地，输出端通过电阻R₁₈接到功率放大管T₃的基极。功率放大管T₃的发射极接功率放大管T₄的基极，其集电极通过电阻R₁₉接功率放大管T₄的集电极和-15V电源。运算放大器A₈的输出端通过电阻R₂₀接到其负输入端，其正输入端通过反馈电阻R_F2接到功率放大管T₄的发射极。霍尔元件H₂的直流控制电流输出端c₂与运算放大器A₈正输入端相接，直流控制电流输入端a₂接地。

图3(b)的工作原理简述如下：基准源U_ref2，经过加法器A₆、反馈放大器A7，由电流放大驱动电路(T3、T4)输出高稳定的电流。因为运算放大器A₈构成跟随电路，其输入阻抗很高(≥10¹²Ω)，则流过反馈电阻R_F2的电流全部流经霍尔元件H₂。为了使输出电流稳定，除各个环节引入深度负反馈外，还从输出电流取样经电压跟随器A₈反馈给运算放大器A₆，形成一个大反馈，进一步增强了输出电流的稳定度，使恒流源在负载变化较大范围内输出电流具有高稳定度。

上述所讲的恒流源，其元器件选择方法为，R₁～R₇、R₁₁～R₁₇选用高精密电阻；R₈、R₉、R₁₈、R₁₉选用炭膜电阻；反馈电阻R_F1和R_F选用高精密电阻，并且其阻值接近霍尔元件的输入电阻值R_Hi(i＝1，2)，满足R_P+R_Hi＜＜R₁；基准源U_ref1和U_ref2可以选用PMI公司生产的REF02P芯片产生获得，该芯片是+5V精密电压基准/温度传感器；A₃～A₈全部采用高精度、低漂移、动态校零CMOS型斩波稳零式ICL7650(或CF7650)集成运算放大器。

由图4(a)所示，骨架芯F₁加工成圆形截面的环形状，当然，也可加工成矩形截面的环形状，骨架芯F₁可以选取硅钢片或者坡莫合金叠片组成。在骨架芯F₁的绝缘层及保护层7之外均匀密绕多圈成螺旋状的反馈绕组8，再在绕组8外面绕制绝缘层及保护层9，其外，再专门设置传感器的地线层6，在该地线层6外面依次设置绝缘层及保护层10、电磁屏蔽层11，最外层的绝缘层及保护层12。这种结构形式提高了传感器的抗电磁干扰能力。

由图4(b)所示，骨架芯F₂加工成矩形截面的环形状，当然，也可加工成圆形截面的环形状，骨架芯F₂可以选取柔软橡皮带(或环氧树脂棒)。由于Rogowski线圈在绕制时需要回绕一匝，并且从骨架芯F₂中心引出，因此，需要在Rogowski线圈的骨架芯中心向外开一个回线槽20。在骨架芯F₂的绝缘层及保护层13之外密绕Rogowski线圈14，再在线圈14外面绕制绝缘层及保护层15，其外，再专门设置传感器的地线层16，在该地线层16外面依次设置绝缘层及保护层17、电磁屏蔽层18，最外层的绝缘层及保护层19。

Claims

1、一种电流传感器，包括环形铁芯和霍尔元件，其特征在于：

在上述环形铁芯上均匀、对称开有空气隙，对称两个通道中的反馈绕组相串联，串联后的一端接地，另一端接对应采样电阻的一端；

上述空气隙中，对称放置的两个霍尔元件为一组，每个霍尔元件由恒流源控制，每组中两个霍尔元件的输出端分别与运算放大器的正、负输入端相接，经运算放大器放大后进行滤波、电压-电流变换、电流放大处理，电流放大处理后的输出端接上述采样电阻的另一端，将该采样电阻两端的检测电压信号U_S1送到计算机；

它还包括Rogowski线圈，线圈两端并联联接对应的采样电阻，该采样电阻的两端分别接运算放大器的正、负输入端，且正输入端接地，采样电阻的检测电压信号经该运算放大器放大后，再进行滤波、积分放大处理，积分放大处理后的信号U_S2送到计算机；

由计算机处理上述检测电压信号U_S1和积分放大处理后的信号U_S2，处理后将被测电流大小送到显示器显示。

2、根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：在上述反馈绕组和Rogowski线圈的绝缘层及保护层之外，专门设置地线层以代替上述地线，在该地线层外面依次设置绝缘层及保护层、电磁屏蔽层、最外层的绝缘层及保护层。

3、根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于：接到上述每组中，两个霍尔元件的两个恒流源电路为，运算放大器A₃的正输入端通过电阻R₂接到基准源U_ref1，且正输入端通过电阻R₃接地，运算放大器A₃的负输入端通过电阻R₄接到其输出端，且负输入端通过电阻R₁接到运算放大器A₅的输出端，运算放大器A₃的输出端通过电阻R₅接到运算放大器A₄的负输入端，运算放大器A₄的负输入端通过电阻R₆接到功率放大管T₂的发射极，正输入端通过电阻R₇接到功率放大管T₁的发射极，并接地，输出端通过电阻R₈接到功率放大管T₁的基极，功率放大管T₁的集电极接功率放大管T₂的基极，且通过电阻R₉接功率放大管T₂的集电极和+15V电源，运算放大器A₅的输出端通过电阻R₁₀接到其负输入端，其正输入端通过电阻R_F1接到功率放大管T₂的发射极，霍尔元件H₁的直流控制电流输入端a₁与运算放大器A₅的正输入端相接，直流控制电流输出端c₁接地；

运算放大器A₆的正输入端通过电阻R₁₂接到基准源U_ref2，且正输入端通过电阻R₁₃接地，运算放大器A₆的负输入端通过电阻R₁₄接到其输出端，且负输入端通过电阻R₁₁接到运算放大器A₈的输出端，运算放大器A₆的输出端通过电阻R₁₅接到运算放大器A₇的负输入端，运算放大器A₇的负输入端通过电阻R₁₆接到功率放大管T₄的发射极，正输入端通过电阻R₁₇接到功率放大管T₃的发射极，并接地，输出端通过电阻R₁₈接到功率放大管T₃的基极，功率放大管T₃的发射极接功率放大管T₄的基极，其集电极通过电阻R₁₉接功率放大管T₄的集电极和-15V电源，运算放大器A₈的输出端通过电阻R₂₀接到其负输入端，其正输入端通过反馈电阻R_F2接到功率放大管T₄的发射极，霍尔元件H₂的直流控制电流输出端c₂与运算放大器A₈的正输入端相接，直流控制电流输入端a₂接地。