一種精密交直流大電流互感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于大電流精密測量領域，尤其涉及一種精密交直流大電流互感器。
【背景技術】
[0002]直流大電流的精密測量一般通過基于傳統磁調制器技術的直流電流比較儀或零磁通直流電流互感器實現，但是受其中磁調制器的調制頻率的限制，該類儀器只能用于測量直流或低頻交流。交流大電流的精密測量一般則通過交流電流比較儀或零磁通交流電流互感器來實現，但是該類儀器只能用于測量交流，而不適用于直流。因此，對于需要同時測量直流和交流大電流的應用場合，兩類儀器都不能獨立完成。
[0003]目前已有能夠同時測量直流和交流大電流的互感器，但這類儀器的直流測量功能大都采用了傳統磁調制器技術，電路復雜，成本較高，在一定程度上限制了其使用。一種低成本的替代方案是采用調制和解調電路相對簡單的自激振蕩磁調制器做直流磁通檢測器，目前已有基于該技術的大電流互感器可同時測量直流和交流。
[0004]但是，目前該類互感器存在兩個主要問題:一是由于缺少調制磁通補償磁芯和繞組，自激振蕩磁調制器的調制磁通會通過變壓器效應在互感器原邊繞組和副邊繞組中感應一定幅值的紋波電流，原邊繞組中的紋波電流會干擾被測回路，而副邊繞組中的紋波電流會增加測量誤差。二是受傳感器響應時間的限制，其中自激振蕩磁調制器的有用信號提取電路的時間常數不能設置太大，由此帶來的問題是有用信號中的高頻分量不能被有效衰減，該高頻分量將直接作為誤差信號驅動反饋控制電路產生紋波電流，從而引入測量誤差。因此，目前該類電流互感器還不能用于精密測量。
[0005]圖1是一種現有基于自激振蕩磁調制器的交直流大電流互感器的原理圖。圖1中兩個環形磁芯C1和C2以及三個繞組Wl，W3和W4構成互感器的測量頭，繞組W5通常為穿過互感器測量頭的單匝導體，用于流過被測大電流IP。其余元件構成互感器的信號調理電路，用于信號提取和反饋控制。纏繞在磁芯C1上的繞組W1、比較器A1和激磁電流采樣電阻R1構成自激振蕩磁調制器，用于檢測直流磁通。低通濾波器B2用于濾除激磁電流(或激磁電流在采樣電阻R1上的壓降v2)中的高頻分量從而得到有用信號v7。纏繞在磁芯C2上的繞組W3用于檢測交流磁通，其輸出信號v8通過求和電路D2與信號v7相加，而求和電路D2的輸出信號v9作為誤差信號驅動反饋控制電路A3及其功率放大電路A4輸出二次電流IS用于補償被測電流IP產生的磁通，最終達到零磁通狀態。
[0006]但是，目前該類互感器存在兩個主要問題:一是由于缺少調制磁通補償磁芯和繞組，自激振蕩磁調制器的調制磁通會通過變壓器效應在互感器原邊繞組W5和副邊繞組W4中感應一定幅值的紋波電流，原邊繞組W5中的紋波電流會干擾被測回路，而副邊繞組W4中的紋波電流會增加測量誤差。二是受互感器響應時間的限制，其中的自激振蕩磁調制器的有用信號提取電路B2的時間常數不能設置太大，由此帶來的問題是有用信號中的高頻分量不能被有效衰減，該高頻分量將直接作為誤差信號驅動反饋控制電路A3及其功率放大電路A4產生紋波電流，從而引入測量誤差。因此，目前該類互感器還不能用于精密測量。
【發明內容】
[0007]為了解決基于傳統磁調制器的交直流大電流互感器電路結構復雜、成本較高的缺點，同時解決基于新興的自激振蕩磁調制器的交直流大電流互感器原、副邊調制紋波大不能用于精密測量的缺點，本發明提供了一種結構簡單、成本相對低廉的精密交直流大電流互感器，包括測量頭，用于測量流過原邊繞組的大電流；自激振蕩磁調制器電路，用于檢測直流磁通；激磁磁通補償電路，用于抵消激磁磁通感應的紋波電流；以及零磁通交流電流互感器電路，用于檢測交流磁通。
[0008]根據本發明的優選實施例，精密交直流大電流互感器的測量頭由三個環形磁芯、兩個激勵繞組、交流磁通檢測繞組、副邊繞組構成，兩個激磁繞組分別纏繞在兩個環形磁芯上，交流磁通檢測繞組纏繞在三個背靠背疊在一起的環形磁芯上，而副邊繞組纏繞在交流磁通檢測繞組上，精密交直流大電流互感器的測量頭穿過原邊繞組，用于測量流過原邊繞組的大電流。
[0009]根據本發明的進一步優選實施例，所述兩個環形磁芯的物理特性和幾何參數相同，第三個所述環形磁芯的幾何參數與所述兩個環形磁芯相同，但物理特性可以相同，也可以不同，所述兩個激勵繞組的匝數相同，副邊繞組纏繞在交流磁通檢測繞組上。
[0010]根據本發明的進一步優選實施例，自激振蕩磁調制器電路由第一激磁繞組、比較器、和第一電阻構成，比較器的輸出端接第一激磁繞組的同名端，第一激磁繞組的非同名端接比較器的輸入端，同時與第一電阻相連，第一電阻的另一端接地。
[0011 ] 根據本發明的進一步優選實施例，激磁磁通補償電路由第二激磁繞組、單位增益反相器和第二電阻構成，單位增益反相器的輸入端與比較器的輸出端相連，單位增益反相器的輸出端接第二激磁繞組的同名端，第二激磁繞組的非同名端接第二電阻，第二電阻的另一端接地。
[0012]根據本發明的進一步優選實施例，還包括第一求和電路，第二求和電路，低通濾波器，以及高通濾波器，第一求和電路的兩個輸入端分別連接第一電阻的非接地端和高通濾波器的輸出端，第一求和電路的輸出端連接低通濾波器的輸入端，第二求和電路的兩個輸入端分別連接低通濾波器的輸出端和交流磁通檢測繞組的同名端。
[0013]根據本發明的進一步優選實施例，其中零磁通交流電流互感器電路由交流磁通檢測繞組、反饋控制電路、功率放大電路、副邊繞組以及第三電阻構成，反饋控制電路的輸入端連接第二求和電路的輸出端，反饋控制電路的輸出端連接功率放大電路的輸入端，功率放大電路連接副邊繞組的同名端，副邊繞組的非同名端連接第三電阻，第三電阻的另一端接地。
[0014]根據本發明的進一步優選實施例，其中反饋控制電路采用由運算放大器構成的比例-積分電路。
[0015]根據本發明的進一步優選實施例，其中在所述比例-積分電路后接功率放大器輸出互感器副邊電流，該功率放大器是A類、B類、AB類或D類中的任何一種，或由多個分立元件構成，或由單個集成器件構成。
[0016]根據本發明的進一步優選實施例，所述低通濾波器是無源一階低通濾波器、無源高階低通濾波器、有源一階低通濾波器和有源高階低通濾波器中的任何一種，所述高通濾波器是無源一階高通濾波器、無源高階高通濾波器、有源一階高通濾波器和有源高階高通濾波器中的任何一種。
[0017]該精密交直流大電流互感器基于零磁通原理，將調制和解調電路相對簡單的自激振蕩磁調制器技術與有源交流電流互感器技術相結合，其中自激振蕩磁調制器用于檢測直流磁通，有源交流電流互感器用于檢測交流磁通。這樣，正常工作時，無論對于直流還是交流被測電流，互感器始終能夠工作在零磁通狀態，從而可以同時提高直流和交流電流的測量精度。此外，采用了附加磁芯和繞組用于補償由于變壓器效應在原邊和副邊繞組上感應的紋波電流，而在附加磁芯和繞組的基礎上，采用了高通濾波器用于抵消有用信號中的高頻分量，從而降低由于有用信號提取電路，即低通濾波器的時間常數有限在副邊繞組中產生的紋波電流。
【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本發明實施例，以下將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹。顯而易見，以下描述中的附圖僅僅是本發明的部分實施例，對于本領域普通技術人員而言，還可以根據這些附圖所示實施例得到其它實施例及其附圖。
[0019]圖1是一種現有基于自激振蕩磁調制器的交直流大電流互感器的原理圖；
[0020]圖2是本發明提供的精密交直流大電流互感器的原理圖。
[0021]圖3是本發明提供的精密交直流大電流互感器測量直流電流時的線性度。
[0022]圖4是本發明提供的精密交直流大電流互感器測量交流電流時的頻帶寬度。
【具體實施方式】
[0023]以下將結合附圖對本發明的實施例的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的部分實施例，而不是全部實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所得到的所有其它實施例，都屬于本發明所保護的范圍。
[0024]圖2是本發明提供的精密交直流大電流互感器的原理圖。圖中三個環形磁芯C1、C2、C3和四個繞組Wl、W2、W3、W4構成互感器的測量頭，其中兩個激磁繞組W1和W2分別纏繞在環形磁芯C1和C2上，交流磁通檢測繞組W3纏繞在三個背靠背疊在一起的磁芯C1、C2和C3上，而副邊繞組W4纏繞在繞組W3上。原邊繞組W5為穿過互感器測量頭的單匝導體，用于流過被測大電流IP。各繞組旁邊的黑點代表同名端。