借助于電流互感器測量電流的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種借助于感應(yīng)差動電流互感器測量差動電流的方法和設(shè)備，所述差動電流除了交流電流分量外還包含直流電流分量。已知的測量混合電流的方法需要關(guān)于線圈繞組、磁芯材料和鐵心數(shù)量而特別地設(shè)計電流互感器。所述新的方法使用常用于測量純差動交流電流的同樣的電流互感器進行處理。根據(jù)本發(fā)明，控制所述電流互感器的所述二次線圈(3)，使得不管是否測量所需的所述差動電流和所述二次電流(Is)，與所述鐵心中的所述二次線圈(3)關(guān)聯(lián)的所述磁通量(Ф)都保持恒定。為此，一方面，通過電力地產(chǎn)生負的電阻器(Rz)，在所述二次電路(4)中補償所述二次線圈(3)的所述歐姆電阻器(Rcu)；且另一方面，通過將所述鐵心的所述飽和通量(Фs)用作參考點，周期性恢復(fù)規(guī)定的磁通量。
【專利說明】借助于電流互感器測量電流的方法和設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種借助于電流互感器測量電流的方法及設(shè)備。特別地，本發(fā)明涉及一種測量差動電流的方法和設(shè)備，該差動電流除了交流分量外還包含直流分量，且因此為混合電流。
【背景技術(shù)】
[0002]差動電流和/或剩余電流的測量是工業(yè)設(shè)備和電氣設(shè)備的安全工程領(lǐng)域中最至關(guān)重要的，尤其對于防止人們被電擊，以及防止機器、工業(yè)設(shè)備和電氣設(shè)備因不想要的或錯誤的電流而造成故障和損壞?？赡馨l(fā)生這樣的不想要的電流的一種示例是所謂的接地故障。在接地故障的情況下，電導(dǎo)體形成與地電位之間無意的電連接，也即，在導(dǎo)體和地電位之間存在低電阻。電流，剩余電流或差動電流流過此電阻。在電氣設(shè)備運行期間，當(dāng)超過閾值時，這會出現(xiàn)問題和重大威脅。
[0003]為了防止這樣的威脅而確定裝置中的差動或剩余電流的存在和大小。在剩余電流的情況下，區(qū)分平滑的DC剩余電流和脈動的DC剩余電流以及AC剩余電流。感應(yīng)電流互感器或總和互感器用于檢測交流剩余電流。感應(yīng)電流互感器或總和互感器通常包括鐵磁互感器鐵心，在該鐵磁互感器鐵心上，互感器線圈(例如銅線)作為二次繞組設(shè)置。為了檢測例如差動電流，結(jié)合有問題的電氣設(shè)備電路的供電線和返回線并引導(dǎo)其并行地一起通過電流互感器。供電線和返回線一起形成電流互感器的一次繞組，由此，一次繞組不需要多次或一次卷繞鐵磁互感器鐵心，而是通?？梢园ㄒ怨P直的方式嵌入并穿過互感器鐵心中部的導(dǎo)體。更具體地，被簡單地推入的導(dǎo)體確切地說是一個繞組，其在遠離互感器鐵心處閉合。
[0004]當(dāng)電氣設(shè)備正常工作時，例如，當(dāng)電導(dǎo)體和地電位之間的電阻足夠大時，將抵消通過電流互感器的供電和返回線之間的電流的總和，且電流互感器將不輸出任何信號。但是，在電氣設(shè)備中存在不想要的電流的情況下，將測量到有限的差動電流。
[0005]和互感器一樣，感應(yīng)電流互感器僅對交流電流敏感，因此，不進一步測量時，直流電流不會輸出合適的信號。但是實際上，由于(例如，因?qū)θ祟愒黾拥娘L(fēng)險)主要對差動電流的直流電流分量的檢測更感興趣，已提出了包括電流互感器的不同的設(shè)備，其也能夠測量差動電流的直流電流分量。
[0006]從DE102005028881B4習(xí)得一種檢測剩余電流的剩余電流分析器以及具有用于檢測AC剩余電流和脈動直流電流的感應(yīng)總和電流互感器的設(shè)備，其中，通過將檢測到的差動電流信號過濾并分離成低頻和高頻子信號并對其分析，可檢測到剩余電流，該剩余電流通常無法用這種電感和電流互感器檢測到。此外，提出了剩余電流分析器的校準(zhǔn)，該剩余電流分析器通過總和電流互感器上的額外的繞組來饋送特別可調(diào)的且已知的剩余電流以進行校準(zhǔn)。但是，測得的直流電流不平滑。
[0007]DE 102 37 342 Al公開了一種監(jiān)控交流電網(wǎng)中的剩余電流的方法和設(shè)備，其中，電流傳感器用于檢測電流并數(shù)字化該電流；隨后，計算和電流。根據(jù)電壓相位，和電流被分成有功和無功電流分量，使電流和的與頻率相關(guān)的加權(quán)成為可能，該加權(quán)對應(yīng)于剩余交流電流。僅在使用直流電流傳感器時能夠檢測到剩余直流電流。為了測量相當(dāng)小的差動電流，例如10A+(-9.99A)=10mA，需要準(zhǔn)確且昂貴的電流傳感器來使其實際上得以實現(xiàn)。
[0008]此外，使用感應(yīng)電流互感器測量混合電流且尤其是平滑的DC剩余電流的方法是已知的，其利用基于鐵磁互感器鐵心的磁滯和/或磁化曲線B (H)的磁通密度B和場強H之間的非線性。更特別地，利用了以下事實:互感器鐵心因通過主導(dǎo)體的電流越來越多而達到飽和，由此，使磁化曲線B(H)停止朝向更高的一次電流而增加，并因此導(dǎo)致磁導(dǎo)率由通過主導(dǎo)體的電流決定。在測量技術(shù)方面，其因此確定存在的差動電流的瞬時值，假定互感器鐵心的磁化曲線上的點，由此，磁化曲線上的該點的dB/dH的上升確定了電流互感器的二次電路的線圈的差動電感，然后借助于適當(dāng)?shù)碾娐窚y量該差動電感。
[0009]在DE19943802和/或EP1212821中使用了受控電感的原理。由此，可在諧振電路的失諧的基礎(chǔ)上檢測線圈電感的變化。在DE19943802中使用了變換器電路的原理，由此，差動電流作為變換器的控制電流。當(dāng)存在DC剩余電流時，鐵心磁化強度發(fā)生變化并改變線圈電感。由此根據(jù)諧振電路的失諧檢測線圈電感中的變化。在DE3642393A1和DE3543985A1中描述了受控電感的原理的應(yīng)用的其它示例。
[0010]將線圈用作應(yīng)用在多諧振蕩器中的反相和頻率確定組件也是已知的。這產(chǎn)生了線圈上的矩形交流電壓，使得鐵磁互感器鐵心總是在其兩個飽和磁通量之間來回震蕩。磁化電流由此流過線圈。由于遍歷互感器鐵心的磁通量幾乎與差動電流的瞬時值無關(guān)，其可通過互感器鐵心材料的適當(dāng)形式的磁化曲線而在這樣的設(shè)備中實現(xiàn)。由此可見，由線圈生成的磁偏移電壓來補償互感器鐵心上由差動電流生成的每個磁電壓。多諧振蕩器的磁化電流疊加在與差動電流成比例的反向電流上，然后借助于合適的電路測得。
[0011]DE19826410A1顯示了全電流敏感的差動電流傳感器的基本電路，由此，用兩個應(yīng)用線圈實現(xiàn)多諧振蕩器。
[0012]在EP1267467A2中描述了一種調(diào)制震蕩電路，其包括具有線圈的多諧振蕩器。本文中，磁化電路中的電阻器造成反向電流，影響生成的矩形交流電壓的脈寬比。但是，在EP1267467中記載著，在所描述的方法中，通過高頻差動電流分量，會發(fā)生違反香農(nóng)采樣定理的現(xiàn)象。根據(jù)該解決方案，提出了:互感器鐵心中的例如由多諧振蕩器的高頻差動電流分量生成的磁電壓可由相反的磁電壓補償。相反的電壓由另外應(yīng)用的線圈生成，該另外應(yīng)用的線圈經(jīng)由高通濾波器與額外的電感操作互感器連接。通過此測量，可避免多諧振蕩器中高頻差動電流分量和多諧振蕩器頻率之間的混疊效應(yīng)。
[0013]DE 3 534 985 Al和DE 3 543 948 BI公開了一種用于檢測通用電流的剩余電流斷路器，包括兩個總和電流互感器。以此方式，一個總和電流互感器改變脈動和交流電流，且第二個總和電流互感器檢測直流電流。
[0014]從DE29705030習(xí)得一種檢測通用電流的剩余電流斷路器，具有和電流互感器。這里，提供了具有兩個分立的脈動和/或交流以及直流電流的評估電路的總和電流互感器，其由時鐘或濾波器操作。在此情況下，電流互感器要么與評估電路在時鐘脈沖上交替工作，要么經(jīng)由波濾器同時與兩個評估電路相連。
[0015]已知的具有感應(yīng)電路互感器的解決方案的缺陷在于:DC剩余電流的測量間接受到評估交流電流分量的影響，為此確定電感中的變化。這導(dǎo)致評估和連接電路的復(fù)雜。此夕卜，需要滿足在線圈繞組和鐵心材料方面增加的需求。而且，所描述的用于檢測混合電流的電流互感器的繞組的數(shù)量通常高于用于檢測交流電流的繞組的數(shù)量。在一些實施例中，測量用電子元件的一部分安裝在互感器外殼中，其需要電源。其它版本在互感器鐵心上具有兩個線圈的條件下工作，且需要四線連接。
[0016]這些都限制了對已有可用的或已經(jīng)內(nèi)置的用于檢測交流電流的電流互感器進行改進以檢測混合電流的可能性。
[0017]此外，安培范圍內(nèi)的混合電流的測量還可選地在霍爾電流互感器的幫助下實現(xiàn)，其中，霍爾元件位于鐵磁鐵心的空隙中。被鐵心圍繞的主導(dǎo)體中的電流引起通過霍爾元件的磁通并引起可評估的霍爾電壓?；魻栯娏骰ジ衅魍ǔ８鶕?jù)補償原則工作。為此，將線圈設(shè)置在互感器鐵心上。通過與霍爾元件連接的控制電路對其進行控制，使得通過霍爾元件的磁通量總是等于零。由反向電壓來補償封閉的主導(dǎo)體生成的每個磁電壓。其所需的必要的反向電流與主導(dǎo)體的電流成比例，且為這樣的互感器的輸出信號。
[0018]霍爾電流互感器不適用于測量差動電流，該差動電流可在IOmA范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明的目的是提供一種合適的混合電流的測量方法及對應(yīng)的測量設(shè)備，該測量設(shè)備與常用于測量AC剩余電流的同樣的電流互感器協(xié)作。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種根據(jù)獨立權(quán)利要求的測量電流的方法及對應(yīng)的設(shè)備。
[0021]可看到，有利地實現(xiàn)的本發(fā)明的基本思想在于將應(yīng)用于霍爾電流互感器的補償原則轉(zhuǎn)用到感應(yīng)電流互感器中。因此，例如，無論是否出現(xiàn)差動電流且為了測量通過線圈的對等的反向電流，將與線圈相關(guān)的磁通量自動保持為恒定。這允許基于二次直流電流來確定差動電流的直流電流和交流電流分量。
[0022]在根據(jù)本發(fā)明的方法中，借助于負的歐姆電阻器來補償線圈的歐姆電阻器，使得由一次電流感應(yīng)出的二次電流的直流電流分量維持在二次線圈中，該負的歐姆電阻器形成電流互感器的二次電路中的可控有源偶極子。此外，為了在互感器鐵心中產(chǎn)生規(guī)定的磁通量，經(jīng)由線圈在鐵心中耦合預(yù)定的脈沖序列，其中，通過對互感器的線圈施加第一電壓脈沖或電流直至出現(xiàn)飽和通量來磁化互感器鐵心。隨后，通過施加另外的電壓脈沖，再次減小相反極性的且規(guī)定的電壓-時間區(qū)域的磁通量。
[0023]還提供了一種測量電流的設(shè)備，其適用于與電流互感器的線圈的二次端子耦合，并與電流互感器協(xié)作，以實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法。
[0024]此外，提供了一種測量電流的系統(tǒng)，其具有電流互感器和根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備。
[0025]說得更明白些，根據(jù)本發(fā)明的原理，借助于電路形成有源偶極子，該偶極子具有與電壓和電流有關(guān)的、負的歐姆電阻器的特征，其中，此偶極子與線圈連接，且通過測得的信號確定此偶極子的尺寸并控制此偶極子，使得其負電阻的量相當(dāng)于歐姆線圈電阻器Rcu。線圈和偶極子的串聯(lián)電路的歐姆總電阻Rg變?yōu)榱恪Ｓ捎诰€圈作用在鐵心上的此電阻補償，鐵心幾乎與理想導(dǎo)體一樣，并抵銷磁通量中與其關(guān)聯(lián)的每個暫時變化。
[0026]可基于公式討論本發(fā)明的效果，該公式包括電感器和歐姆電阻器的電路中的直流電流的時間特性。對于二次電路，該公式具有以下形式:[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種借助于電流互感器測量電流的方法，其中: 在所述電流互感器的第二線圈(4)中，借助于有源偶極子(5)補償二次線圈(3)的歐姆電阻(Rcu)，所述有源偶極子(5)形成負的歐姆電阻(Rz)以維持通過一次電流在所述二次線圈中感應(yīng)出的二次電流(Is)的直流分量， 為了在所述互感器鐵心中生成規(guī)定的磁通量，預(yù)定的脈沖序列穿過螺線管線圈至所述互感器鐵心，其中，通過對所述互感器的線圈施加第一電壓脈沖或電流直到飽和磁通(Φ s)來磁化所述互感器鐵心，以及 隨后通過施加相反極性且規(guī)定電壓-時間區(qū)域(I)的第二電壓脈沖進一步減小所述磁通量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，選擇所述第二電壓脈沖的所述電壓-時間區(qū)域(I)，且在此基礎(chǔ)上，在所述第二電壓脈沖之后施加規(guī)定的第三電壓脈沖，所述第三電壓脈沖具有與所述第二電壓脈沖相反的極性，使得在所述互感器中實現(xiàn)工作點，其中，通過與飽和電流相關(guān)的較小的磁化電流，所述互感器的差動電感盡可能大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，由于對兩個飽和極性都施加具有預(yù)定頻率且交替地具有相反的符號的脈沖序列，通過生成磁化交流電流確定與生成的和規(guī)定的磁通量對應(yīng)的、所述二次線圈(3)中的磁化電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，形成具有循環(huán)時間(tz)的測量循環(huán)，在每個周期中有著具有退磁時間(tz)的時間間隔以及具有測量時間(tm)的時間間隔。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中，計算復(fù)合磁化交流電流的振幅，并生成校正信號，所述校正信號在特`性和振幅上相當(dāng)于矩形磁化交流電流，且根據(jù)計算出的校正信號來校正所述測量信號。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項所述的方法，其中，為了進一步處理而調(diào)整所述測量信號，使得對應(yīng)一個極性的所述預(yù)定的脈沖序列的電壓脈沖的時間間隔的、所述測量信號中的所有時間間隔(te)具有預(yù)定的恒定值，特別地，具有零值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述調(diào)整的測量信號進一步與窗函數(shù)相乘，特別是與循環(huán)頻率以及同步正弦波信號相乘。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項所述的方法，其中，基于檢測到的所述二次線圈(3)的歐姆電阻器(Rcu)的不完全補償和/或過補償，調(diào)節(jié)生成的負的歐姆電阻器(Rz)的大小。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，從所述測量信號確定諧波的振幅，由此確定所述二次線圈(3)的所述歐姆電阻器(Rcu)的所述不完全補償或過補償，這在磁化交流電流與矩形信號形式發(fā)生偏差的情況下發(fā)生。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項所述的方法，其中，確定并隨后補償發(fā)生在所述二次電流中的、特別是通過使用電子元件引起的偏移電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，通過使用來自所述測量信號的諧波的所述振幅借助于相關(guān)性確定所述偏移電壓的值，通過所述偏移電壓的值將簡單的鋸齒信號(Iz)與雙鋸齒信號Id或矩形信號區(qū)分。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項所述的方法，用于電氣設(shè)備中差動電流或剩余電流的測量，除了交流電流分量外，所述差動電流或剩余電流還包含直流電流分量。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項所述的方法，其中，在所述互感器鐵心中輸出所述預(yù)定的脈沖序列的所述磁線圈為轉(zhuǎn)化器的所述二次線圈(3)。
14.一種測量電流的設(shè)備，用于與互感器的二次端子相連，且與所述電流互感器連接，適用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至13中的一項所述的測量過程。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備包括與控制器相連的至少一個可控電壓源(25)以及至少一個電流傳感器(10)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括有源偶極子(5)，其經(jīng)由第一調(diào)節(jié)器與所述電流傳感器(10)相連，使得形成控制電路，所述控制電路用于經(jīng)由所述電流傳感器(10)生成測量信號的規(guī)定的頻率分量。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的設(shè)備，進一步包括第二控制器(16)，用于將負的偶極電阻(Rz)調(diào)整為隨溫度變化的歐姆線圈電阻。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述第二控制器配置用于通過傅里葉系數(shù)并借助于所述測量信號的不想要的頻率分量的補償，執(zhí)行所述負的偶極電阻(Rz)的所述調(diào)難iF.0
19.根據(jù)權(quán)利要求15至18中的一項所述的設(shè)備，其中，用微控制器實現(xiàn)所述控制器。
20.一種測量電流的系統(tǒng)，包括感應(yīng)電流互感器以及根據(jù)權(quán)利要求15至19中的一項所述的設(shè)備。
21.一種借助于電流互感器測量電流的方法，包括以下步驟: 用電氣設(shè)備擴展所述電流互感器的二次電路(4)，使得用于形成負的歐姆電阻器(Rz)的有源偶極子(5)和所述互感器中的所述二次電路(4)的電流傳感器(10)串聯(lián)連接，所述互感器的二次線圈(3)的電路中的電壓源(25)串聯(lián)連接，并且控制單元與所述電流傳感器(10)和所述電壓源(25)相連； 讀取所述電流傳感器(10)并借助于所述控制單元控制所述電壓源(25)，以執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至14中的一項所述的方法；以及 從所述控制單元輸出輸出信號，所述輸出信號包含所述轉(zhuǎn)換器的一次電流的直流電流分量和交流電流分量。
【文檔編號】G01R15/18GK103797372SQ201280045038
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月14日
【發(fā)明者】斯蒂芬·拉瑟斯曼恩 申請人:艾安電子開關(guān)設(shè)備有限公司