專利名稱：使用磁阻抗元件的過載電流保護設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種過載電流保護設備，用于檢測流經(jīng)導體的電流，并在電流超過一個預定閾值時切斷電流，例如，能夠控制提供給電動機的電源的過載電流保護設備。
背景技術：
一般來說，例如，這種類型的過載電流保護設備檢測到通過接觸器流向三相電動機的電流超過一個安全閾值時，就根據(jù)檢測結果切斷流向電動機的電流，這是通過使電動機的全部或部分電流流經(jīng)一個雙金屬元件而實現(xiàn)的。即，若向由雙金屬片制成的開關施加電流，該雙金屬片根據(jù)電流大小而被加熱，且電動機電流超過安全閾值一段預定時間后，該雙金屬片受熱彎曲，從而開關的觸點置于斷開狀態(tài)，供給接觸器的控制輸入端的電流也被停止。然而，在使用該開關的系統(tǒng)中，當開關進入斷開狀態(tài)時難以調節(jié)電流，導致系統(tǒng)長時間處于錯誤狀態(tài)。
為解決上述問題，可以由電子方式來執(zhí)行傳統(tǒng)上由雙金屬開關實現(xiàn)的功能。使用電子設備可以提供可靠的、容易調節(jié)的設備。但是，由于這種電子系統(tǒng)需要復雜的電路，因此需要多個部件，諸如恒壓電源等，通過適當?shù)貦z測電流來操作接觸系統(tǒng)。此外，把電流檢測變壓器(稱為CT)用作電流檢測單元，這將導致由于鐵芯產生磁飽和而不能獲得寬的電流檢測范圍的問題。還有一種使用磁阻元件的方法。但是，由于其靈敏度低，所以需要鐵芯，因此和上述CT一樣不能獲得寬的電流檢測范圍。另外，由于磁阻元件受溫度影響而波動很大，元件間的差異性很大，且受干擾噪聲的影響，從而產生了高精度設備需要高成本的問題。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種低成本、高精度的過載電流保護設備，其能夠擴展電流檢測范圍而不需要恒壓電源等，也不會由于干擾噪聲等環(huán)境特征和時間的變化而降低精度。

發(fā)明內容
為解決上述問題，在根據(jù)權利要求1所述的發(fā)明中，一種過載電流保護設備具有開關，用于提供或切斷從電源到負載的電流；電流檢測器，用于檢測電流；以及控制電源，用于向設備的各個單元供電，該過載電流保護設備在發(fā)生電流過載時切斷向負載提供的電流，電流檢測器由具有磁阻抗效應的磁檢測元件構成，并使用磁阻抗元件檢測電流產生的磁通。
在根據(jù)權利要求2所述的發(fā)明中，一種過載電流保護設備具有開關，用于供給或切斷從電源供給負載的多相電流；多個電流檢測器，用于檢測各相的多相電流；以及控制電源，用于向設備的各個單元供電，該過載電流保護設備在發(fā)生電流過載時切斷向負載提供的電流，該多個電流檢測器各由具有磁阻抗效應的磁檢測元件構成，并使用磁阻抗元件檢測電流產生的磁通。
根據(jù)權利要求1或2所述的發(fā)明具有用于傳導電流的配線和安裝配線的基板，其中，磁阻抗元件位于基板上靠近配線的位置，從而磁阻抗元件可以直接測量電流產生的磁通(根據(jù)權利要求3所述的發(fā)明)。
在根據(jù)權利要求1到3中任何一項所述的發(fā)明中，該設備還包括電流施加單元，用于向磁阻抗元件施加高頻電流；檢測單元，用于檢測磁阻抗元件的輸出；修正單元，用于修正檢測結果；磁場施加單元，用于向磁阻抗元件施加偏置磁場；磁場變化單元，用于改變偏置磁場的中值；以及控制單元，用于控制所述中值的變化。通過這種配置，可以改變偏置磁場的中值，檢測輸出，并可以根據(jù)檢測結果對輸出進行修正(根據(jù)權利要求4所述的發(fā)明)。
在根據(jù)權利要求4所述的發(fā)明中，磁場施加單元可由偏置線圈和振蕩單元構成(根據(jù)權利要求5所述的發(fā)明)。
在根據(jù)權利要求4或5所述的發(fā)明中，磁場變化單元可由偏置線圈和恒流發(fā)生單元構成(根據(jù)權利要求6所述的發(fā)明)，或磁場變化單元可由恒流發(fā)生單元、開關單元和加法單元構成，其中，可以向偏置線圈施加一個恒定電壓(根據(jù)權利要求7所述的發(fā)明)。
在根據(jù)權利要求1所述的發(fā)明中，兩個磁阻抗元件的安裝位置使得響應于電流產生的磁通的輸出的絕對值相等且極性彼此相反，可以根據(jù)兩個磁阻抗元件的輸出差的計算結果而檢測出電流(根據(jù)權利要求8所述的發(fā)明)，或者兩個磁阻抗元件的安裝位置使得響應于電流產生的磁通的輸出的絕對值相等且極性相同，可以根據(jù)兩個磁阻抗元件的輸出差的計算結果而檢測出電流(根據(jù)權利要求9所述的發(fā)明)。
在根據(jù)權利要求8或9所述的發(fā)明中，可以為傳導電流的配線和兩個磁阻抗元件提供用于隔絕外部磁場的屏蔽(根據(jù)權利要求10所述的發(fā)明)。
在根據(jù)權利要求1到10中任何一項所述的發(fā)明中，控制電源包含電源變壓器，其具有插入在從電源到負載的電流供應路徑中的初級繞組和與初級繞組電連接的次級繞組；電容器，用于存儲電源變壓器的次級繞組的電流；以及電壓調節(jié)器(根據(jù)權利要求11所述的發(fā)明)。
在根據(jù)權利要求1到10中任何一項所述的發(fā)明中，控制電源可包含電源變壓器，其具有多個初級繞組和次級繞組，每相的初級繞組纏繞在鐵芯上，插入在從電源到負載次級繞組的電流供應路徑中；電容器，用于存儲電源變壓器的次級繞組的電流；以及電壓調節(jié)器，其中，各相中每相的初級繞組的圈數(shù)不同(根據(jù)權利要求12所述的發(fā)明)。


圖1是一個框圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例；圖2是一個平面圖，顯示了圖1所示的MI元件的配置實例；圖3是一個框圖，顯示了圖1所示的檢測電路的實例；圖4顯示了圖3所示的恒流電路的電路實例；圖5顯示了檢測MI元件的輸出靈敏度的方法；圖6是一個框圖，顯示了另一種檢測電路的實例；圖7是一個平面圖，顯示了MI元件單元的配置的另一種實例；
圖8顯示了圖6所示用于偏置的振蕩電路的電路實例；圖9是一個斜視圖，顯示了MI元件單元的另一種配置實例；圖10是一個示意圖，顯示了流經(jīng)圖9中相鄰配線的電流的影響；圖11是一個平面圖，顯示了MI元件單元的磁場屏蔽的實例；圖12是一個框圖，顯示了檢測電路的另一種實例；圖13是一個框圖，顯示了本發(fā)明的第二實施例；以及圖14顯示了控制電源單元的另一種配置實例。
具體實施例方式
圖1顯示了本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)配置。
標號R、S和T表示電源線，其與未在附圖中顯示的三相交流電源相連，并通過三相接觸器(開關)2和三個電源變壓器5a、5b和5c與電動機3相連。在三相接觸器2和三個電源變壓器5a、5b和5c之間為每一相設置了電流檢測器4a、4b和4c。接觸器2包含觸點2a、2b和2c，每個觸點通過不同電源線經(jīng)過各個電源變壓器5a、5b和5c的初級繞組連接至電動機3。這組觸點機械連接，從而由電磁線圈2d同時操作。電磁線圈2d與微計算機8的數(shù)字輸出端相連。由微計算機8，電流檢測器4a、4b和4c，電源變壓器5a、5b和5c等構成的控制電路形成了電子過載繼電器1。
通過切換器6順序對電流檢測器4a、4b和4c的輸出進行切換。通過半波整流器7，把切換器6選擇的電流檢測器4a、4b和4c的輸出連接到微計算機8的模擬輸入端。
通過整流二極管D0、D1和D2把電源變壓器5a、5b和5c的次級繞組連接至第一電容器C0，從而形成了控制電源。該第一電容器C0連接在電壓調節(jié)器9的正輸入端和地之間，第二(穩(wěn)定)電容器C1連接在電壓調節(jié)器9的正輸出端和地之間，從而可以由電壓調節(jié)器9提供恒定電平的電壓Vcc作為控制電源。標號D3、D4和D5表示保護二極管。
下面參考圖2和圖3描述由電流檢測元件40和檢測電路41構成的電流檢測器4a、4b和4c的實際配置。由于電流檢測器4a、4b和4c的配置相同，下面描述其中的一個，作為代表性配置。
如圖2所示，磁阻抗元件(MI)元件40具有磁阻抗效應，配線200傳導特定相的電流。標號401表示偏置線圈，標號402表示偏移線圈，標號403表示繞線架。MI元件40可以是，例如，日本專利申請公開特開平6-281712中公布的無定型導線，或日本專利申請公開特開平8-330645中公布的薄膜。
圖3顯示了檢測電路的實例。
圖3中，振蕩電路411向MI元件40施加高頻電流，振蕩電路412(或恒流電路)驅動偏置線圈401，恒流電路413(用于偏置偏移)驅動偏移線圈402，控制電路414控制是否對偏置進行偏移，標號R1和R2表示電阻器，標號C2表示電容器，從而形成了驅動單元。
另一方面，由檢測電路415、保持電路416a和416b、差動放大電路417等構成了檢測單元。
通過上述配置，振蕩電路412驅動偏置線圈401，恒流電路413驅動偏移線圈402，振蕩電路411向MI元件40施加高頻電流，從而改變MI元件40的阻抗。檢測電路41中的檢測電路415檢測這種變化，保持電路416a和416b分別保持所檢測的波形的正(+)側和負(-)側，差動放大電路417檢測其中的差值。
如圖4所示，用于驅動偏移線圈的恒流電路由(例如)恒流電路CC和電流鏡CM構成。若恒壓二極管ZD的參考電壓由Vref表示，電阻值由Rref表示，則可通過下式獲得施加給偏移線圈402的電流I。
I＝Vref/Rref圖5顯示了檢測MI元件40的輸出靈敏度的方法，其中，外部磁場為0，且施加了AC偏置。
在圖5的(a)和(b)所示的情況1中，偏置磁場的中值為0，保持電路416a和416b的輸出彼此相等，差動放大電路417的輸出為0。
在圖5的(c)和(d)所示的情況2中，偏置磁場的中值移動了ΔH。于是，保持電路416a和416b的輸出差為ΔV，差動放大電路417的輸出為α×ΔV(α表示差動放大電路的增益)。因此，磁性傳感器(MI元件)的靈敏度可表示為ΔV/ΔH。
這表明，通過把偏置磁場的中值改變一個已知值，可以通過獲取輸出電壓而自動地檢測磁性傳感器(MI元件)的檢測靈敏度。因此，雖然傳感器的檢測靈敏度隨環(huán)境變化和時間變化等而改變，但通過圖5所示的方法可以獲得傳感器的檢測靈敏度，從而可以自動地進行修正。
在上面的描述中外部磁場為0。但是，當施加了任意磁場時，偏置磁場中值僅改變該已知偏移值時所獲得的磁性傳感器檢測靈敏度與圖5所示的檢測靈敏度相比保持不變。雖然在上述情況中施加了AC偏置，但可以通過施加DC偏置而檢測并修正傳感器的檢測靈敏度。
圖6顯示了檢測電路的另一個實例。
在圖2和圖3中，使用偏移線圈施加偏移磁場，以改變偏置磁場的中值。該實例的特征在于改變用于驅動偏置線圈的振蕩脈沖的直流電流。在圖6及后圖中省略了用于偏置移動的恒流電路，在圖7和后圖的磁性傳感器中省略了圖2所示的偏移線圈。
因此，如圖8所示，例如，用于偏置的振蕩電路由幾十KHz的振蕩電路OS、恒壓電路CV、切換器SW以及加法電路AD構成。由于切換器SW通常接地為零電勢，雖然振蕩電路OS的偏移量為0，當切換器SW由控制電路414a連接到恒壓電路CV時，來自振蕩電路OS的脈沖和來自恒壓電路CV的偏移電壓在加法電路AD相加。從而施加了改變偏置磁場中值的偏移磁場。
由于傳感器檢測靈敏度的自動檢測和修正的執(zhí)行方式與圖2和圖3所示的情況相似，這里省略了其說明。
上面敘述了使用一個MI元件的系統(tǒng)，但如下所述，可以有兩個或多個MI元件。在下面的說明中，省略了偏置線圈等，但顯然可以使用偏置線圈等。
圖9顯示了配置有兩個MI元件的實例。圖9所示的標號40a和40b表示MI元件。標號200表示用于傳導特定相的電流的配線。標號300表示用于安裝配線200和MI元件40a和40b的基板。標號41表示檢測電路。
圖10是示意圖，顯示了在圖9所示配置中流經(jīng)相鄰配線的電流的影響，并顯示了電流I1和另一個電流I2彼此相鄰流動的情況。假設電流I1和I2產生的磁通分別由1和2表示，且兩個MI元件上由1和2產生的輸出電平分別為S2和N2，則兩個MI元件40a和40b之間的差動輸出可計算如下。
差動輸出＝40a的輸出-40b的輸出＝S2+N3-(-S2+N3)＝2×S2……(1)因此，可以不受相鄰配線210的電流I2的影響而檢測電流I1。此外，當施加有作為噪聲的均勻外部磁場時，在兩個MI元件上產生大小和符號相同的輸出。因此，可以消除外部磁場的影響，如同附近配線的情況一樣。
圖11顯示了消除流經(jīng)相鄰配線的電流的影響的另一個實例的配置。
該實例中，與圖11所示相比，添加了坡莫合金(Permalloy)的屏蔽板404作為磁屏蔽。即，如圖9和10所示，可以從邏輯上消除流經(jīng)相鄰配線的電流的影響，但由于兩個MI元件間靈敏度的差異、位置偏移的影響等，不能完全消除外部磁場的噪聲。因此，可以通過磁屏蔽來減少這種影響。
圖12顯示了檢測電路的另一個實例。
檢測電路41使用振蕩電路411a和分壓電阻器R3和R4向MI元件40a和40b施加高頻電流，使用檢測電路415a和415b，通過電壓的變化而檢測MI元件40a和40b由磁場引起的阻抗變化，并使用差動電路417a產生與MI元件40a和40b之間的差值成正比的輸出，使用放大電路418取出這個輸出?？捎眉臃娐穪硖鎿Q差動電路417a，從而與MI元件40a和40b之間的差值成正比的輸出可替換為與MI元件40a和40b的和值成正比的輸出。
在上述實例中，兩個MI元件之間的磁場檢測方向相同。但是很顯然，通過將磁場檢測方向設置為彼此相反，并獲得兩個MI元件的輸出和，也可以和上述實例一樣，檢測電流不受干擾噪聲的影響。
圖13顯示了本發(fā)明的另一個實施例。
圖1中，每相都提供有電源變壓器。但在圖13中，一個鐵芯53上有各相的初級繞組51a、51b和51c，通過二極管D6從次級繞組52施加電源。標號D7表示保護二極管。
圖14顯示了使用環(huán)形鐵芯的實例。這種情況下，選擇初級繞組51a、51b和51c的圈數(shù)比例，以便從次級繞組52提供適當?shù)碾娏麟娖健＜?，由于當均衡地設定初級繞組的圈數(shù)時不產生磁通，所以圈數(shù)設置為彼此不同。
在上述實例中應用了三相交流電。但是，考慮到單相交流電對應于三相交流電中的其中一相，很明顯，也可以適當?shù)貞脝蜗嘟涣麟姟?br> 根據(jù)本發(fā)明，可以實現(xiàn)下述優(yōu)點。
1)由于使用了具有磁阻抗效應的磁檢測元件，所以不會出現(xiàn)由廣泛使用的電流檢測變壓器所導致的鐵芯磁飽和，從而擴展了電流檢測范圍。
2)使用磁阻抗元件，把偏置磁場的中值變化一個已知量，并檢測輸出電壓，這使得自動檢測傳感器的靈敏度成為可能。因此，可以對隨環(huán)境特征和時間改變的傳感器檢測靈敏度進行自動修正。因此，可以提供高精度的設備，其不因為環(huán)境特征和時間的改變而降低精度。
3)由于不需要從外部提供控制電源，這種設備可以適當?shù)匾缘偷目偝杀居米魍ㄓ迷O備。
4)當控制電源使用多相交流電時，不需要為每相提供電源變壓器，即，最少可以提供一個電源變壓器。因此，所需的單元數(shù)目可以更少，可以降低總成本。
5)若兩個磁檢測元件的輸出的絕對值相等，作為由電流產生的磁通值，且可以在極性相反的位置上檢測到兩個元件之間的差值，則可以消除由外部磁場和流經(jīng)相鄰配線的電流所引起的磁場的影響，可以提供抗環(huán)境干擾性能優(yōu)異的設備。
權利要求
1.一種過載電流保護設備，其具有開關，用于提供或切斷從電源到負載的電流；電流檢測器，用于檢測電流；以及控制電源，用于向該設備的各個單元供電，所述過載電流保護設備在發(fā)生電流過載時切斷向負載提供的電流，其特征在于電流檢測器由具有磁阻抗效應的磁阻抗元件構成，且使用磁阻抗元件檢測由電流產生的磁通。
2.一種過載電流保護設備，其具有開關，用于供給或切斷從電源到負載的多相電流；多個電流檢測器，用于檢測各相的多相電流；以及控制電源，用于向該設備的各個單元供電，所述過載電流保護設備在發(fā)生電流過載時切斷向負載提供的電流，其特征在于所述的多個電流檢測器各由具有磁阻抗效應的磁阻抗元件構成，且使用磁阻抗元件檢測由電流產生的磁通。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的設備，其特征在于提供了用于傳導電流的配線和安裝配線的基板，磁阻抗元件位于基板上靠近配線的位置，從而磁阻抗元件可以直接檢測由電流產生的磁通。
4.根據(jù)權利要求1至3中任何一項所述的設備，其包含電流施加單元，用于向磁阻抗元件施加高頻電流；檢測單元，用于檢測磁阻抗元件的輸出；修正單元，用于修正檢測結果；磁場施加單元，用于向磁阻抗元件施加偏置磁場；磁場變化單元，用于改變偏置磁場的中值；以及控制單元，用于控制所述中值的變化，該設備的特征在于，改變偏置磁場的中值，檢測輸出，并根據(jù)檢測結果對輸出進行修正。
5.根據(jù)權利要求4所述的設備，其特征在于磁場施加單元由偏置線圈和振蕩單元構成。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的設備，其特征在于磁場變化單元由偏移線圈和恒流發(fā)生單元構成。
7.根據(jù)權利要求4或5所述的設備，其特征在于磁場變化單元由恒流發(fā)生單元、切換單元和加法單元構成，并且偏置線圈被施加有恒定電壓。
8.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于兩個磁阻抗元件的位置配置為響應于電流產生的磁通的輸出的絕對值相等而極性相反，根據(jù)兩個磁阻抗元件的輸出差值計算結果來檢測電流。
9.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于兩個磁阻抗元件的位置配置為響應于電流產生的磁通的輸出的絕對值相等且極性相同，根據(jù)兩個磁阻抗元件的輸出和值計算結果來檢測電流。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的設備，其特征在于為傳導電流的配線和兩個磁阻抗元件提供了用于隔絕外部磁場的屏蔽。
11.根據(jù)權利要求1至10中任何一項所述的設備，其特征在于控制電源由以下部件構成電源變壓器，其具有插入在從電源到負載的電流供應路徑中的初級繞組和與初級繞組電連接的次級繞組；電容器，用于存儲電源變壓器的次級繞組的電流；以及電壓調節(jié)器。
12.根據(jù)權利要求2至10中任何一項所述的設備，其特征在于控制電源由以下部件構成電源變壓器，其具有多個初級繞組和次級繞組，每相的每個初級繞組纏繞在鐵芯上，插入在從電源到負載的電流供應路徑中；電容器，用于存儲電源變壓器的次級繞組的電流；以及電壓調節(jié)器，其中，各相的初級繞組的圈數(shù)不同。
全文摘要
一種過載電流保護設備，用于在發(fā)生過載時通過接觸器(開關)(2)切斷從電源提供給諸如電動機的負載(3)的電源。在這種配置中，使用具有磁阻抗效應的元件(40)作為電流檢測單元(4a、4b和4c)，從而通過消除鐵芯導致的磁飽和而擴展了電流檢測范圍，避免了傳統(tǒng)電流互感器的問題，提供了一種低成本的具有寬電流檢測范圍的過載電流保護設備。
文檔編號H02H3/08GK1491470SQ02805042
公開日2004年4月21日 申請日期2002年2月14日 優(yōu)先權日2001年2月16日
發(fā)明者工藤高裕, 北出雄二郎, 石川公忠, 二郎, 忠 申請人:富士電機株式會社