專利名稱：通過有源阻抗的矢量電壓合成來消除互感器測(cè)量誤差的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本方法涉及的是一種用于交流電流測(cè)量中消除雙級(jí)電流互感器 測(cè)量誤差的方法。 ，
背景技術(shù)：
電流互感器是電力系統(tǒng)、計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)不可缺少的電器元件。這
是因?yàn)閍,有較低的輸入阻抗，b，長期穩(wěn)定性和溫度特性好，c，通過 阻抗變換可將大電流變換成小電流測(cè)量。
隨著生產(chǎn)和市場(chǎng)的發(fā)展需要，對(duì)電流互感器在精確測(cè)量方面的要 求越來越高。迫切需要測(cè)量電流范圍從數(shù)百安培到幾毫安,測(cè)量精度 在10PPm的儀用電流互感器。由于互感器本身的特性，在實(shí)際工作 中會(huì)隨輸入電流、二次負(fù)荷等參數(shù)大小的變化，引起互感器的測(cè)量誤 差。
為了提高電流互感器的準(zhǔn)確度， 一般都采用各種補(bǔ)償方法來補(bǔ)償 電流互感器的誤差。精密的電流測(cè)量主要用(l)電流比較儀，是一種 具有最高精度的電流比例標(biāo)準(zhǔn)，精度可達(dá)0. lPPm。其特點(diǎn)是工作鐵 芯在一、二次繞組達(dá)到安匝平衡時(shí)是零磁通，其工作狀態(tài)是無源的。 使用問題主要是二次繞組不能帶負(fù)載。(2)雙級(jí)電流互感器。其特點(diǎn) 是工作在小磁通，最高精度達(dá)lPPm。帶補(bǔ)償繞組的雙級(jí)互感器也工 作在零磁通，使用時(shí)可帶一定的負(fù)載，并由于該特點(diǎn)而有更廣泛使用。
存在的主要問題是磁滯現(xiàn)象和補(bǔ)償繞組的電子負(fù)反饋產(chǎn)生的附加影 響。
帶補(bǔ)償繞組的雙級(jí)互感器的電流測(cè)量原理如圖l所示，W3為檢 測(cè)繞組，將激磁電流檢出，送入補(bǔ)償電路，通過繞組W2產(chǎn)生補(bǔ)償電 流，使激磁磁通為0，主回路電流14可以準(zhǔn)確測(cè)量出來，即14從理
論上得到I4=W1/W4*I1
此種方法理論上和實(shí)踐上都可行，己經(jīng)有了相當(dāng)多的成功產(chǎn)品。 主要問題是
1. 零磁通的設(shè)計(jì)，檢測(cè)繞組的工作磁通處于玻膜合金鐵芯的起始導(dǎo) 磁率的臨界區(qū)，使得磁滯現(xiàn)象較為嚴(yán)重。
2. 電路復(fù)雜，由于磁電之間有深度交流負(fù)反饋環(huán)路，容易生成高頻 自激，會(huì)產(chǎn)生相移，電路的參數(shù)不容易選擇。
3. 直流電流漂移由于沒有負(fù)反饋環(huán)路難以消除，玻膜合金鐵芯性能 會(huì)由于直流的影響變差。
4. 由于互感和自感的影響，補(bǔ)償繞組的電子負(fù)反饋存在反射阻抗問 題，使得可能出現(xiàn)假平衡一檢測(cè)繞組零磁通，但一、二次繞組安 匝并不平衡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種通過有源阻抗的矢量電壓合成來消 除互感器測(cè)量誤差的方法。
本發(fā)明目的可通過以下的技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn) 一種通過有源阻抗的 矢量電壓合成來消除互感器測(cè)量誤差的方法，將互感器二次繞組的主 回路電流和檢測(cè)繞組的電流分別獨(dú)立檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成電壓，再放大變換 的兩路電壓后，輸入到加法運(yùn)算放大器求和，完成了有源阻抗的矢量 電壓合成輸出。
本發(fā)明所述主回路電流經(jīng)二次繞組兩端并聯(lián)的轉(zhuǎn)換電阻變?yōu)殡?壓信號(hào)，輸入到第一通用運(yùn)算放大器的同相端放大輸出，再接入到加 法運(yùn)算放大器的反相輸入。
本發(fā)明所述檢測(cè)繞組的電流先經(jīng)接成跨導(dǎo)放大方式運(yùn)算放大器 檢測(cè)出激磁電流，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電阻變?yōu)殡妷盒盘?hào)，輸入到第二通用運(yùn)算 放大器的反相端放大輸出，最后接入到加法運(yùn)算放大器的反相輸入。
本發(fā)明所述主回路電流的轉(zhuǎn)換電阻和檢測(cè)繞組電流的轉(zhuǎn)換電阻 都有不同阻值的電阻群并聯(lián)而成，通過選擇開關(guān)協(xié)同接通每個(gè)電阻群 中的不同電阻，使第一通用運(yùn)算放大器和第二通用運(yùn)算放大器的放大 量級(jí)相同。
本發(fā)明與原有方法相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn) (1)采用了檢測(cè)繞組電流不經(jīng)補(bǔ)償后使磁通為零的情況下，直 接獨(dú)立測(cè)量，這樣小磁通設(shè)計(jì)代替了原有的零磁通設(shè)計(jì)，避開了測(cè)量 鐵芯處于起始導(dǎo)磁率的臨界點(diǎn)，克服了磁滯的現(xiàn)象。分析如下
若代表檢測(cè)繞組的起始導(dǎo)磁率是O.lmA匝，小磁通方案對(duì)
1.025mA匝能夠被正確測(cè)量，而零磁通方案對(duì)0.025mA匝卻不能測(cè)量， 這里說明了所謂的磁滯現(xiàn)象.
雙級(jí)電流互感器的誤差表達(dá)式
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中E是互感器比值誤差及角度誤差的合成誤差，E。是互感器 空載時(shí)的比值誤差及角度誤差的合成誤差。Z2是折算后二次繞組的 折算負(fù)載，Z。2是折算后二次繞組的折算內(nèi)阻抗?？蛰d時(shí)的合成誤差<formula>formula see original document page 6</formula>
其中Ymi， Ym2分別是第一、第二級(jí)鐵芯的勵(lì)磁導(dǎo)納，Z()b是 折算檢測(cè)繞組的折算內(nèi)阻抗(檢測(cè)繞組的負(fù)載設(shè)計(jì)為零)，<formula>formula see original document page 6</formula>
分別是第一、第二級(jí)互感器的空載誤差。
以上算式表明；Eob的不穩(wěn)定會(huì)造成E:()的不穩(wěn)定。零磁通方案 中，由于檢測(cè)繞組工作在起始導(dǎo)磁率的臨界區(qū)使Eob不穩(wěn)定。這樣當(dāng)
擴(kuò)展小電流量限時(shí)令z:2成10倍的一級(jí)一級(jí)增大時(shí)，就會(huì)使把Eo的
不穩(wěn)定放大了i倍，最高達(dá)幾十倍！可對(duì)比的是，小磁通方案只要 Zo2
安排合理的互感器參數(shù)設(shè)計(jì)而使檢測(cè)繞組工作于穩(wěn)定的小磁通測(cè)量 范圍，則測(cè)量的穩(wěn)定性就大大提高。
(2)取消了補(bǔ)償繞組和電子負(fù)反饋，用電壓矢量合成代替電子
負(fù)反饋，原方法產(chǎn)生的直流問題，漂移大和相位不穩(wěn)定的原因得到根 除，也不存在補(bǔ)償繞阻的反射阻抗問題。
(3)采用檢測(cè)繞組的電流獨(dú)立電路檢測(cè)，使得檢測(cè)繞組的二次負(fù)載 用電子電路容易設(shè)計(jì)為零。當(dāng)檢測(cè)繞組的二次負(fù)載為零時(shí)，互感器的 合成誤差E在大量程范圍內(nèi)仍然有非常好的線性，使檢測(cè)繞組鐵芯
仍處于可測(cè)量的線性范圍內(nèi)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的電流測(cè)量方法原理圖； 圖2為本發(fā)明的原理框圖; 圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式
原理圖。
具體實(shí)施例方式
如圖2、圖3所示， 一種通過有源阻抗的矢量電壓合成來消除互 感器測(cè)量誤差的方法，將互感器二次繞組的主回路電流和檢測(cè)繞組的 電流分別獨(dú)立檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成電壓，然后經(jīng)放大的兩路電壓輸入到加法 運(yùn)算放大器求和，完成了有源阻抗的矢量電壓合成輸出。
主回路電流經(jīng)二次繞組W2兩端并聯(lián)的轉(zhuǎn)換電阻變?yōu)殡妷盒盘?hào)， 輸入到第一通用運(yùn)算放大器IC1的同相端放大輸出，再接入到加法運(yùn) 算放大器IC4的反相端輸入;檢測(cè)繞組W3兩端并接于運(yùn)算放大器IC2 的同、反相端，運(yùn)算放大器IC2接成跨導(dǎo)放大方式，檢測(cè)繞組W3的 電流先經(jīng)運(yùn)算放大器IC2檢測(cè)出激磁電流，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電阻變?yōu)殡妷盒?號(hào)，輸入到第二通用運(yùn)算放大器IC3的反相端放大輸出，最后接入到 加法運(yùn)算放大器IC4的反相端輸入；上述兩路電壓信號(hào)在加法運(yùn)算放 大器IC4進(jìn)行求和，完成矢量電壓合成輸出。
主回路電流的轉(zhuǎn)換電阻由不同旭值的電阻R1、 R2、 R3、 R4并聯(lián) 而成，選擇性地連接電阻R1、 R2、 R3、 R4，可以使得第一通用運(yùn)算 放大器IC1輸出不同放大量級(jí)，同時(shí)也要滿足不同量級(jí)之間的大小順 序按相同的倍數(shù)遞減。檢測(cè)繞組電流的轉(zhuǎn)換電阻也是由不同阻值的電
阻R10、 R20、 R30、 R40并聯(lián)而成，同樣選擇性地連接電阻R10、 R20、 R30、 R40，可以使得第二通用運(yùn)算放大器IC3輸出不同放大量級(jí)，同 時(shí)也要滿足不同量級(jí)之間的大小順序按相同的倍數(shù)遞減。
通過在每個(gè)轉(zhuǎn)換電阻上對(duì)應(yīng)連接選擇開關(guān)K1 、 K2、 K3、 K4， 協(xié)同接通每個(gè)電阻群中的不同電阻，使第一通用運(yùn)算放大器和第二通 用運(yùn)算放大器的放大量級(jí)相同，如當(dāng)接通K1，電阻R1和電阻R10分 別接入第一通用運(yùn)算放大器和第二通用運(yùn)算放大器，這時(shí)電阻R1和 電阻RIO的選用的阻值需要滿足使第一通用運(yùn)算放大器和第二通用 運(yùn)算放大器的放大量級(jí)相同，同理，在選擇開關(guān)K1 、 K2、 K3、 K4 單獨(dú)接通或組合接通時(shí)，選用的阻值需要滿足使第一通用運(yùn)算放大器 和第二通用運(yùn)算放大器的放大量級(jí)相同。
圖2中W,和W2組成的互感器和圖1所述一樣，在兩個(gè)鐵芯中 均有磁場(chǎng)強(qiáng)度H， W3用來檢測(cè)出磁場(chǎng)強(qiáng)度，產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此
L = I'。，這里需注意L的電流由運(yùn)放IC2提供，所以基本上不影響
因此這種結(jié)構(gòu)電磁性能和圖1一樣穩(wěn)定。 圖2中，根據(jù)安匝平衡原理
iiWi = i2W2+〖'oW2
:為鐵芯中的激磁電流
丄0
因?yàn)?3=r。 ， w2=w3
所以LwrLws+Lws^L+ywi (i)
IC4組成加法器對(duì)檢測(cè)繞組和主回路的電流轉(zhuǎn)換成電壓進(jìn)行相
加。即<formula>formula see original document page 9</formula>其中:
從電路上，輸出電壓^ 實(shí)現(xiàn)了從互感器測(cè)得的電流矢量相加。
Uout
上式中，^2為主回路輸出電壓，Km為開關(guān)打在IQ位置時(shí) 的電路放在倍數(shù)。為了使輸出電壓在滿度3V時(shí)，可分別選K^、 K3、 &4開關(guān)位置，即可使^的電流輸入范圍到ioooo倍。
如設(shè)置W^W3二2500匝，當(dāng)Ki閉合時(shí)，Id放大10倍，則
<formula>formula see original document page 9</formula>
對(duì)照(1)式得
<formula>formula see original document page 10</formula> (2)
當(dāng)W產(chǎn)1， Wf2500時(shí)
<formula>formula see original document page 10</formula>;，當(dāng)I產(chǎn)100A時(shí)， =3V
U out ll U out
從以上看出，通過電路矢量合成，解決了在磁路中比較難實(shí)現(xiàn)的
合成技術(shù)。上述(2)式中輸出電壓T 完整地代表了一次輸入電流
Uout
的大小。
精密電流互感器測(cè)量中， 一般13—次電流h的萬分之二。I產(chǎn)100A 時(shí)，IQ"8pA。當(dāng)一次電流變小時(shí)，會(huì)使13過小，從而超過了 IC2的 極限電流值。
例I產(chǎn)10A，則I3"0.02%X10A/2500=0.8|iA I產(chǎn)l A，則I3"0.02%X 10A/2500=0.08^iA 所以在I尸10A中增加了 K2檔。
當(dāng)K2閉合時(shí)U2=^x50xlO = 2V
U3=3V滿度
因此雖然^減少10倍，但激磁電流仍然和I產(chǎn)100A進(jìn)在同一數(shù) 量級(jí)。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度磁電流還是會(huì)小于IOOA進(jìn)的電流，即l3"4pA 左右，仍然保持在IC2的線性范圍內(nèi)。
依此類推，在I產(chǎn)1A、 0.1檔分別啟動(dòng)K3和K4繼電器就達(dá)到了一 次電流從100A到0.01A全范圍的精確、可靠、穩(wěn)定的測(cè)量。
當(dāng)I1＝100A、 IOA、 1A、 O.IA、 0.05A 對(duì)應(yīng)I3二8uA、 4.4uA、 2uA、 1.8uA、 luA
即K2閉合后得到<formula>formula see original document page 11</formula>K3閉合后得到<formula>formula see original document page 11</formula>K4閉合后得到<formula>formula see original document page 11</formula>本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，因此根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容，按照 本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段，在不脫離本發(fā)明上述基本技術(shù)思 想前提下，還可以做出其它多種形式修改、替換的等效功能檢測(cè)電子 電路，同樣可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)方案。
本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于國家省一級(jí)高精度的電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，電力 系統(tǒng)高精度電能表，及各種交流電流高精度，寬范圍的測(cè)量場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1、一種通過有源阻抗的矢量電壓合成來消除互感器測(cè)量誤差的方法，其特征在于將互感器二次繞組的主回路電流和檢測(cè)繞組的電流分別獨(dú)立檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成電壓，再放大兩路變換電壓后，輸入到加法運(yùn)算放大器求和，完成了有源阻抗的矢量電壓合成輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過有源阻抗的矢量電壓合成來消除 互感器測(cè)量誤差的方法，其特征在于所述主回路電流經(jīng)二次繞組兩 端并聯(lián)的轉(zhuǎn)換電阻變?yōu)殡妷盒盘?hào)，輸入到第一通用運(yùn)算放大器的同相 端放大輸出，再接入到加法運(yùn)算放大器的反相輸入。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過有源阻抗的矢量電壓合成來消除 互感器測(cè)量誤差的方法，其特征在于所述檢測(cè)繞組的電流先經(jīng)接成 跨導(dǎo)放大方式運(yùn)算放大器檢測(cè)出激磁電流，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電阻變?yōu)殡妷盒?號(hào)，輸入到第二通用運(yùn)算放大器的反相端放大輸出，最后接入到加法 運(yùn)算放大器的反相輸入。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的通過有源阻抗的矢量電壓合成來 消除互感器測(cè)量誤差的方法，其特征在于所述主回路電流的轉(zhuǎn)換電 阻和檢測(cè)繞組電流的轉(zhuǎn)換電阻都有不同阻值的電阻群并聯(lián)而成，通過 選擇開關(guān)協(xié)同接通每個(gè)電阻群中的不同電阻，使第一通用運(yùn)算放大器 和第二通用運(yùn)算放大器的放大量級(jí)相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過有源阻抗的矢量電壓合成來消除互感器測(cè)量誤差的方法，將互感器二次繞組的主回路電流和檢測(cè)繞組的電流分別獨(dú)立檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成電壓，再放大變換的兩路電壓后，輸入到加法運(yùn)算放大器求和，完成了有源阻抗的矢量電壓合成輸出。本發(fā)明可以有效的消除互感器的測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01R35/00GK101393256SQ20081021841
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者葉小雪, 賀艷平, 趙祥林, 雪 駱 申請(qǐng)人:廣州市羊城科技實(shí)業(yè)有限公司