專利名稱:超小型電流互感器的制作方法
本發(fā)明涉及一種包含頻率補(bǔ)償裝置、高耐壓的超小型電流互感器。
如果把從電源線中得到的電信號(hào)傳給模擬IC(集成電路)，那么就要用到電流互感器充當(dāng)傳遞媒介。因?yàn)檫@種電流互感器通常與IC共同使用-二者都裝在電路板上，所以將其制作得盡可能地小型化是最好不過(guò)的。
根據(jù)JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))或ANSI(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì))規(guī)定。電流互感器的原邊耐壓應(yīng)為交流電壓3000伏特(1分鐘)脈沖電壓4500伏特(1×40微秒)，等等。通常如圖1所示，電流互感器的原邊線圈N1和附邊線圈N2疊繞在一個(gè)線圈架B上。為了達(dá)到規(guī)定的高耐壓標(biāo)準(zhǔn)，原邊線圈和附邊線圈之間有一屏蔽絕緣層。然而，在這種電流互感器中是靠絕緣層來(lái)保證耐壓特性的，不可能在原邊線圈和附邊線圈之間留有充分的距離，這樣，電流互感器做得越小，以便與IC輸入配合，則使它符合耐壓標(biāo)準(zhǔn)就變得越困難。因此，目前電流互感器的尺寸不得不做得很大。
如果電流互感器做得很小，則不僅是耐壓值變低，而且頻率特性也變差。這是因?yàn)殡S著電流互感器小型化程度的提高，鐵芯損耗增加了，于是導(dǎo)致在高于工頻的頻率范圍內(nèi)特性曲線有一拐角。
本發(fā)明主要是為了解決上述問(wèn)題。
本發(fā)明的目的是提供一種超小型電流互感器，它能承受標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的高電壓，并且以IC(集成電路)作為直接負(fù)載。
本發(fā)明的另一目的是提供一種超小型電流互感器，由于降低了自損耗，使其精度提高。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供一種超小型電流互感器，它裝有一種能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)、對(duì)相對(duì)誤差及相位角誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难b置。
具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明也就是為了提供一種超小型電流互感器，它把從電源線中得到的電信號(hào)直接傳給模擬IC，以便進(jìn)行精確的測(cè)量。
圖1是普通的電流互感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明的電流互感器的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
圖3是圖2所示的電流互感器的電路圖。
圖4(A)是圖3所示的電流互感器的相對(duì)誤差的特性曲線。
圖4(B)表示超小型電流互感器的特性曲線，該電流互感器具有圖3所示的電流互感器的相位角誤差。
圖5是先有技術(shù)中帶有頻率補(bǔ)償電路的電流互感器的一個(gè)實(shí)例的電路圖。
圖6是圖5所示電流互感器的頻率特性曲線。
圖7是本發(fā)明的帶有頻率補(bǔ)償電路的電流互感器的一個(gè)實(shí)施例的電路圖。
圖8是圖7電路的等效電路圖。
圖9是圖7所示電流互感器的頻率特性曲線。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的電流互感器T的一個(gè)實(shí)施例，符號(hào)IR代表鐵芯。鐵芯IR是由L形鐵芯片疊在一起構(gòu)成的，形狀為矩形。符號(hào)B1和B2代表兩個(gè)形狀各異的線圈架。原邊線圈N1繞在線圈架B1上，而附邊線圈N2繞在線圈架B2上。繞有原邊線圈N1的線圈架B1套在鐵芯IR的一條腿L1上，繞有附邊線圈N2的線圈架B2套在鐵芯IR的另一條腿L2上。這幾部分構(gòu)成了一個(gè)鐵芯型電流互感器。為了承受高電壓。原邊線圈架B1與附邊線圈架B2之間的距離(圖中以E表示)選得足夠大。如果原邊電流很大。則原邊線圈N1用粗導(dǎo)線以滿足載流能力。并且在不用線圈架的情況下，使一根銅線穿過(guò)鐵芯或直接繞在鐵芯IR的腿L1上。假如原邊電流是5安培，將線圈這樣設(shè)計(jì)，以便達(dá)到5AT(安培-匝)，則原邊線圈N1為1匝。如果是10AT，腿L1上就要繞2匝。
對(duì)于電流互感器的特性來(lái)說(shuō)，它的原邊損耗的絕對(duì)值是無(wú)關(guān)緊要的。如果線圈N1能夠承受可允許的電流，原邊就足夠了。基于上述觀點(diǎn)，圖2所示電流互感器T中的原邊線圈N1(如果線圈繞在線圈架上，那么還包括線圈架B1所占區(qū)域)所占區(qū)域是一空間，其以AT(安培-匝)表示的允許電流限度是非常小的。因此，本發(fā)明的電流互感器的原邊部分做得非常小。
圖3中，IC代表模擬集成電路。它由運(yùn)算放大器OP和電阻器R構(gòu)成，電阻器接在運(yùn)算放大器的(-)輸入端和輸出端之間。運(yùn)算放大器OP的(+)輸入端接地。電流互感器T的附邊線圈N2與運(yùn)算放大器OP的(-)輸入端相連。這樣，模擬IC便成為電流互感器T的直接互載。
在以模擬IC作為直接負(fù)載的電流互感器中，可以認(rèn)為附邊負(fù)載大體為零。因此，電流互感器的自損耗僅僅是由附邊線圈N2的繞線電阻產(chǎn)生的。附邊線圈N2的繞線電阻越小，損耗也就越小。如果需要的話，可以用一個(gè)電阻取代模擬IC，接在那里作為附邊一側(cè)的電阻，其阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于附邊線圈N2的導(dǎo)線電阻。在圖2所示的本發(fā)明的電流互感器T中，附邊線圈N2的導(dǎo)線盡可能用得粗一些。這樣附邊線圈N2包括線圈架B2所占區(qū)域就很大。小型電流互感器的自損耗通常隨著附邊負(fù)載的增加而增加，根據(jù)本發(fā)明，考慮到上述附邊線圈N2的尺寸，可以提供小型化的電流互感器，但是其自損耗可視作零。因?yàn)镮C是它的直接負(fù)載，還有其他一些原因。此外，根據(jù)本發(fā)明，用L形鐵芯片疊在一起構(gòu)成鐵芯IR，它也可視作圓環(huán)柱芯的改進(jìn)型，并采用鐵芯型結(jié)構(gòu)。這樣，就能提供自損耗很小的電流互感器。基于上述原因，本發(fā)明能夠提供超小型、高精密度的電流互感器。在本發(fā)明的以IC作為直接負(fù)載的電流互感器中，加號(hào)端保持在地電位，因此在附邊線圈和鐵芯IR之間便無(wú)需耐壓。
下面列出的是圖1所示的普通的電流互感器和本發(fā)明的電流互感器比較的結(jié)果(接下頁(yè))
普通的電流互感器 本發(fā)明的電流互感器轉(zhuǎn)換精度 ±0.1% ±0.1%原邊AT 30AT 5AT原邊電流 5A 5A附邊繞組 6000t 4000t附邊電流 5mA 1.25mA原、附邊耐壓 2600VAC 3000VAC(一分鐘) (一分鐘)附邊負(fù)載 電阻負(fù)載(轉(zhuǎn)換成 IC直接型電壓后，接到IC上去)鐵芯重量 70克 11克(包括安裝部分)總尺寸 27×44×25毫米 16×21×12.5毫米＝29.7立方厘米 ＝4.2立方厘米圖1所示的電流互感器中，采用了屏蔽層以阻止原邊線圈和附邊線圈之間的干擾。而本發(fā)明中，如圖3所示，IC是直接負(fù)載，電流互感器T的附邊線圈N2的始端b與IC的(-)輸入端相聯(lián)，附邊線圈N2的尾端e接地，這樣就可以省去屏蔽層。從以上所述看出，在圖2所示的電流互感器中，原邊線圈和附邊線圈的結(jié)構(gòu)使其分別達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，即原邊一側(cè)(它的損耗不直接影響電流互感器的特性)所占區(qū)域很小，而與IC或類似部件相聯(lián)的附邊線圈N2(它的損耗影響很大)盡可能地做得很大，這樣，就可以得到高耐壓超小型電流互感器，它適于以IC為其直接負(fù)載。
一般來(lái)說(shuō)，在電流互感器的各種損耗中，鐵芯損耗是主要的，在等效電路中，鐵芯損耗可以用電阻(R)和勵(lì)磁電感(L)并聯(lián)表示。
如果電流互感器如上所述做得很小，則它的鐵芯損耗分量增大，隨著電流互感器的小型化，以2πL/R表示的拐角頻率增大。如果要制做小型電流互感器，則它的鐵芯損耗變得極其大。在這種情況下，即便僅僅使原邊電流與附邊電流同相而對(duì)頻率進(jìn)行補(bǔ)償。則取決于頻率的鐵芯損耗的絕對(duì)值也變化很大。這樣，頻率特性不能得到完全補(bǔ)償。理由是，讓特性曲線變化劇烈處的頻率fp作為拐角頻率，勵(lì)磁電感的損耗在fp處以及低于fp處突然增加。因此，電流互感器的相對(duì)誤差δ和相位角誤差△φ隨著頻率f的變化而變化，分別如圖4(A)和4(B)所示，兩種誤差在拐角頻率fp處以及低于fp處(和fL)突然增加。通常，工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在拐角頻率fp以上fH部分。然而，如果由于電流互感器的超小型化，以及拐角頻率fp超過(guò)工作頻率(例如，50HZ或60HZ)。而使得鐵芯損耗顯著增加的話，則相對(duì)誤差δ和相位角誤差△φ如上所述也要增加。于是，便不能得到高精度的電流互感器。
在拐角頻率fp高于工作頻率的情況下，如圖5所示，眾所周知，電流互感器裝有頻率補(bǔ)償電路，利用電容器Cc，對(duì)頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償。以得到相位的一致。圖5中，符號(hào)T代表小型電流互感器，其原邊線圈為N1，附邊線圈為N2，F(xiàn)C代表頻率補(bǔ)償電路，在頻率補(bǔ)償電路FC中，符號(hào)A代表一個(gè)運(yùn)算放大器，它的輸入端與電流互感器T的附邊線圈N2相接。在運(yùn)算放大器A的輸入、輸出端之間，接有電阻器R0和電容器Cc并聯(lián)電路。如前所述，通過(guò)調(diào)整電容值Cc使電流互感器T的原邊電流I1和附邊電流I2的相位相同而達(dá)到頻率補(bǔ)償?shù)哪康?。然而，從表示相?duì)誤差的頻率特性的一個(gè)例子的圖6看出，補(bǔ)償電路僅僅使得在兩個(gè)(a，a′)頻率時(shí)同相，但不能在一個(gè)特定范圍，例如45HZ至65HZ，起作用。
本發(fā)明也解決了上述問(wèn)題，做出了超小型電流互感器，它裝有能在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行相對(duì)誤差和相位角誤差補(bǔ)償?shù)碾娐?。?shí)施例如圖7所示，其中與圖5相同部分標(biāo)以與圖5相同的符號(hào)，因此，沒(méi)有其他要進(jìn)一步說(shuō)明的。
圖7中，按照本發(fā)明增加了一個(gè)電阻器，以符號(hào)RC表示，它與電容器Cc串聯(lián)，然后跨接在電阻器R0兩端以及運(yùn)算放大器A的輸入、輸出端之間。圖8是圖7的等效電路圖，其中圖7的電流互感器T部分的等效電路是人所共知的，符號(hào)K表示電流互感器T的原邊線圈N1和附邊線圈N2的匝數(shù)比。從運(yùn)算放大器A的輸出端，取出以I2R0表示的輸出信號(hào)?，F(xiàn)在說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的原則制做的電流互感器的工作原理。
例如當(dāng)工作頻率f增高時(shí)，如圖8的等效電路所示，電流互感器T的勵(lì)磁電感L的阻抗增加。結(jié)果，附邊電流I2增大，并且其增大量以頻率誤差的形式顯示出來(lái)。如果運(yùn)算放大器A工作，以致頻率補(bǔ)償電路FC減小附邊電流I2的增加量，這樣頻率誤差就能得到補(bǔ)償。
這就是說(shuō)，選擇以2πL/R表示的電流互感器T的拐角頻率fp以及接在運(yùn)算放大器A的輸入、輸出端之間的電阻RC和電容Cc構(gòu)成的阻抗，就能實(shí)現(xiàn)上述補(bǔ)償，所要滿足的關(guān)系式如下2πL/R≈1/2πCc·Rc……(1)圖9表示當(dāng)采用與拐角頻率fp相應(yīng)的阻抗時(shí)，對(duì)電流互感器T進(jìn)行頻率補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果。做為參考，本實(shí)驗(yàn)中電流互感器T采用16×13毫米矩形鐵芯，附邊線圈N2為4000匝(因?yàn)殡娏骰ジ衅鞯脑吘€圈N1不直接影響其特性)。圖9中，曲線(A)代表當(dāng)Cc＝0.1微法、Rc＝56千歐時(shí)的頻率特性(相對(duì)誤差);曲線(B)代表當(dāng)Cc＝0.1微法、Rc＝75千歐時(shí)的頻率特性;曲線(C)為無(wú)補(bǔ)償時(shí)的頻率特性。圖9中橫軸為頻率f，縱軸為頻率誤差。如曲線(A)所示，根據(jù)本發(fā)明，可以得到超小型電流互感器，通過(guò)選擇與拐角頻率fp相應(yīng)的電容Cc以及Rc(如公式(1))，能夠在寬的范圍內(nèi)對(duì)其相對(duì)誤差和相位角誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1.一種具有原邊線圈和附邊線圈的電流互感器，其中負(fù)載直接與所說(shuō)的附邊線圈相接，特征在于所說(shuō)的原邊線圈既可以直接繞在由L形鐵芯片疊成的矩形鐵芯的一條腿上，也可以通過(guò)線圈架繞在這條腿上，所占區(qū)域僅僅取決于允許的電流，并且所說(shuō)的附邊線圈通過(guò)一個(gè)與所說(shuō)的原邊線圈的線圈架不同形狀的線圈架，繞在所說(shuō)的矩形鐵芯的另一條腿上，并且根據(jù)附邊線圈的電流，所占區(qū)域盡可能地大。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的電流互感器，其中由集成電路構(gòu)成的一個(gè)運(yùn)算放大器作為負(fù)載，與所說(shuō)的附邊線圈相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的電流互感器，其中一個(gè)其值遠(yuǎn)小于所說(shuō)的附邊線圈的線圈電阻的電阻器，作為負(fù)載，與所說(shuō)的附邊線圈相接。
4.一種具有原邊線圈和附邊線圈的電流互感器，其中頻率補(bǔ)償電路與所說(shuō)的附邊線圈相接，特征在于所說(shuō)的原邊線圈既可以直接繞在由L形鐵芯片疊成的矩形鐵芯的一條腿上，也可以通過(guò)線圈架繞在這條腿上，所占區(qū)域僅僅取決于允許的電流，并且頻率補(bǔ)償電路與所說(shuō)的附邊線圈相接，其特征在于所說(shuō)的頻率補(bǔ)償電路由以下幾部分組成一個(gè)運(yùn)算放大器，接在所說(shuō)的運(yùn)算放大器的輸入、輸出端之間的第一電阻器R0，以及與所說(shuō)的第一電阻器R0并聯(lián)的電容器Cc和第二電阻器Rc構(gòu)成的串聯(lián)電路，其中以2πL/R表示的所說(shuō)的電流互感器的拐角頻率以及由所說(shuō)的頻率補(bǔ)償電路的所說(shuō)的電容器Cc和第二電阻器Rc決定的阻抗。滿足下列關(guān)系式2πL/R≈1/2πCc·Rc其中L是所說(shuō)的電流互感器的勵(lì)磁電感，R是所說(shuō)的電流互感器的鐵芯損耗。
專利摘要
一種電流互感器，通過(guò)將原、附邊線圈分別繞在不同形狀的線圈架上而線圈架又套在矩形鐵芯腿上，來(lái)得到高耐壓特性，IC運(yùn)算放大器直接與附邊線圈相接，運(yùn)算放大器的輸入、輸出端之間接有電容器和電阻器，對(duì)頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償。這樣，根據(jù)本發(fā)明，便得到一個(gè)超小型高精密度電流互感器，矩形鐵芯邊長(zhǎng)約為13毫米。
文檔編號(hào)H01F27/42GK86100498SQ86100498
公開(kāi)日1986年7月23日 申請(qǐng)日期1986年1月22日
發(fā)明者林榮二 申請(qǐng)人:橫河北辰電機(jī)株式會(huì)社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan