用于电流测量的设备的制作方法

用于电流测量的设备的制作方法
【专利摘要】提供了一种电压至电流转换器，其与电流测量设备一起使用，所述电流测量设备可操作以提供输出电压，该输出电压是对待测电流的模拟。所述转换器设置为提供输出电流，该输出电流是对所述待测电流的模拟。所述转换器包括电子控制器、开关放大器以及用于测量输出电流作为模拟电压、并向所述电子控制器提供所述模拟电压的测量值的装置。
【专利说明】用于电流测量的设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电流测量系统，尤其涉及一种可用作传统的电流互感器(currenttransformer, CT)的替代品的设备。
【背景技术】
[0002]电流互感器作为电力系统中用于测量标称50Hz或60Hz交流电流的主体装置，已使用多年并且是众所周知的。电流互感器通常具有托洛伊德尔铁芯，以及绕在该芯上的次级线圈。待测的初级电流通过铁芯中心孔馈送，而线圈中的、作为初级电流的瞬时模拟的次级电流，则通常提供给例如继电器线圈这样的电阻或其他类型的电力负载，以给出用于计量、控制或保护目的的相应的模拟电压。
[0003]电流互感器的匝数比通常设置为对于额定的初级电流，得到IA有效值或5A有效值的次级电流。电流互感器的负载通常称为负荷(burden)，在下文中也将沿用此名称。
[0004]电流互感器本质上提供作为待测电流的模拟的电流输出。电流互感器一般不是环绕夹式(clip-around)设备，并且，取代了那种必需与电流互感器所附连的导体断开连接的电流互感器。由于电流互感器具有铁芯和铜绕组，特别对于具有大的额定电流的而言，其相对较笨重，并具有这样的缺点，g卩，在次级绕组意外开路、而初级电流正接通的情形下，在次级绕组两端将产生过大的并潜在致命的电压。
[0005]测量电流的替代性已知方法是霍尔效应变换器(Hal 1-effect transducer),其也需要铁芯，以及不需要铁芯的罗氏变换器(Rogowski transducer)。与电流互感器相反，罗氏变换器提供的是电压输出，该电压输出是待测电流的模拟(这样的输出也适于计量、控制或保护目的)，并且，与电流互感器相反，这些设备可以是环绕夹形式。
[0006]罗氏变换器包括罗氏线圈和电子积分器。它们的优点包括尺寸较小，重量较轻，带宽高，具有承受过流而不损坏的能力，线圈或积分器开路短路后没有高电压，并且没有到初级电路的注入阻抗。因此，其越来越多地用于测量电力系统中的交流电流。然而，传统的罗氏变换器并不能改型以适应现行的电流测量系统、从而直接替换其中一个电流互感器，除非同时更换现行的电流监测或电流互感器提供的保护电路。这是因为，与电流互感器不同，传统的罗氏变换器不提供模拟电流输出。而更换目前的监测或保护电路，对于最终用户来说，是昂贵、不便且费时的。
[0007]已知的没有这样的装置:用于产生模拟电流输出，并且重量相对轻、安全和容易使用。

【发明内容】

[0008]本申请的权利要求限定了 一项发明。
[0009]根据一个方面，提供了 一种电压至电流转换器，其与电流测量设备一起使用，所述电流测量设备用于提供输出电压(V1),该输出电压是对待测电流(I1)的模拟。转换器设置为提供输出电流(I)，该输出电流是对所述待测电流(1工)的模拟。所述转换器包括电子控制器、开关放大器、以及用于测量输出电流(I)作为模拟电压(Vf)并向所述电子控制器提供所述模拟电压(Vf)的测量值的装置。其还可包括连接至开关放大器的滤波器。
[0010]根据一个方面，提供了 一种电压至电流转换器，其与电流测量设备一起使用，所述电流测量设备用于提供输出电压(V1),该输出电压是对待测电流(I1)的模拟。转换器设置为提供输出电流(I)，该输出电流是对所述待测电流(1工)的模拟。所述转换器包括电子控制器、开关放大器、以及连接至所述开关放大器的滤波器。所述滤波器可连接在第一和第二电容值之间。所述滤波器的电容值可以近似为零。所述滤波器可作为连接至转换器的负载的一部分。
[0011]根据一方面，提供了一种电压至电流转换器，其与电流测量设备一起使用，所述电流测量设备用于提供输出电压(V1),该输出电压是对待测电流(I1)的模拟。转换器设置为提供输出电流(I)，该输出电流是对所述待测电流(I1)的模拟。所述转换器包括以下部件:电子控制器、开关放大器、用于测量输出电流(I)作为模拟电压(Vf)的电阻器、以及连接至所述开关放大器的滤波器。基于部件的操作特性，或基于另一部件的操作特性，任何部件都可被选择以包含在转换器中，从而使转换器可在指定的范围内操作。例如，可选择部件，以使转换器提供的输出电流(I)的值是准确的，并在一定操作条件范围内处于预定的限制之内，所述输出电流(I)值是所述待测电流(I1)的模拟。
[0012]根据一方面，提供了一种电流测量系统，其包括电流测量设备，该电流测量设备用于提供输出电压(V1),该输出电压是对待测电流(I1)的模拟，还包括电压至电流(V to I)转换器，所述转换器设置为提供输出电流(I )，输出电流(I)值是所述待测电流(I1)的模拟。
[0013]根据一方面，提供了一种方法，该方法用于制造大致如上所述的电压至电流(V toI)转换器和/或电流测量系统。
[0014]根据一方面，提供了一种方法，该方法用于设计大致如上所述的电压至电流(V toI)转换器和/或电流测量系统。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]结合附图，以下将描述实施方式和实施例，其中:
[0016]图1是展示电流测量系统的主要部件的示意图，尤其展示了用于电压至电流转换器的反馈回路，该反馈回路使输出电流保持为待测电流的瞬时模拟；
[0017]图2展示了一个典型的罗氏变换器的基本元件和行为；
[0018]图3展示了用于P+I控制器的典型电路；
[0019]图4展示了 D类放大器的基本元件和行为；
[0020]图5展示了用于包括负载阻抗的3阶滤波器的电路，该电路能在很大程度上决定电压至电流转换器的行为；
[0021]图6包括图6(a)和图6(b)，展示了具有定义典型闭环动态的拉普拉斯传递函数的框图，用于针对负荷电阻的变化和可忽略不计的负荷电感而控制输出电流；
[0022]图7展示了图1的电压至电流转换器在负荷电阻变化和负荷电感可忽略不计时典型的增益和相移变化。
【具体实施方式】[0023]概述
[0024]总体地，提供了一种设备，其将常规罗氏变换器的模拟电压输出转换为模拟电流。该设备以下简称为电压至电流转换器。还提供了包括电流测量设备的电流互感器替代系统，例如罗氏变换器和电压至电流转换器。
[0025]提供电压至电流转换器以与罗氏变换器一起使用，可能没有任何好处，这是因为得到的系统执行了从被测的初级电流到罗氏变换器的输出电压、随后再变回电流的这样的双重转换。这种双重转换增加了测量系统的成本。在大多数现实世界的应用中，这会导致系统产生不利之处，因此，电流测量供应商以前不提供这样的系统。然而已确认，在使用电流互感器替代品的特殊情况下，使用罗氏变换器用于电流测量，无需更换或修正现有的电流监测或保护电路，其整体优势和便利超过了与双重转换相关的任何缺点。
[0026]在此描述的电流互感器替代系统包括电路测量装置(例如罗氏变换器)，其具有用于提供待测量电流的模拟电压的装置，以及用于从所述模拟电压提供模拟电流的电压至电流转换器。
[0027]所述系统的电压至电流转换器优选地包括开关放大器、用于测量输出电流作为模拟电压的装置、以及电子控制器，确保在所有瞬间该模拟电压与罗氏变换器的模拟电压大致成比例。
[0028]在负荷电感相对较低的应用中，所述系统的电压至电流转换器优选地还包括滤波器，以大致除去开关放大器的高频电流分量。
[0029]所述开关放大器优选地是D类放大器。
[0030]用于测量输出电流作为模拟电压的装置优选地是电阻器。
[0031]电子控制装置优选地是P+I控制器。
[0032]滤波器优选地包括与开关放大器的输出串联的第一电感器，以及横跨开关放大器的输出与第一电感器的电容器。
[0033]滤波器还可包括第二电感器，其连接在电容器与系统的输出之间。
[0034]图1示意了根据一个实施例的电流测量系统，其包括罗氏变换器和连接至负载的电压至电流转换器。
[0035]罗氏变换器
[0036]传统的罗氏变换器可用在本文的电流测量系统中。图2示意了典型的罗氏变换器11，其包括连接至电子积分器22的罗氏线圈。罗氏变换器11在本文的系统中以常规方式操作，没有任何目前还未知的特殊之处。因此，本文未提供罗氏变换器的详细描述。关于罗氏变换器的设计和操作细节，可在例如以下文献中找到:〃Wide bandwidth Rogowskicurrent transducers:Partl-The Rogowski coil〃，EPE Journal, Vol3, Noljpp51_59，Marchl993, by Ray W F and Davis R M and in:〃Wide bandwidth Rogowskicurrenttransducers:Part2_The Integrator' EPE Journal, Vol3, No2，ppll6_122，Junel993，byRay W F.[0037]罗氏变换器也可以釆用非图2中所示的其它形式。例如，线圈可包含一个电子屏，以减少来自外部的电压和电流的干扰，如以下文献中所述:The effect ofelectrostatic screening of Rogowski coiIs designed for wide-bandwidthcurrent measurement in power electronic applications’ J，IEEE PESC ConferenceProc, Aachen, Sept2004by Ray W F and Hewson C R。附加地或替代性地，积分器可以是反相的，如以下例子中描述的:〃High frequency improvements in wide bandwidthRogowski transducers", EPE99Conference Proc,Lauzanne.Septl999, by Ray W F andDavis R M。只要罗氏变换器给出与电流瞬时成比例的输出电压，则其具体的形式都是不相关的。
[0038]作为替代，罗氏变换器可以被一个提供与电流瞬时成比例的输出电压的类似变换器所替代，例如霍尔效应变换器。
[0039]在如本文所述的用于电流测量的操作中，罗氏变换器的线圈21被放置在导体周围的一个封闭回路中，该回路承载有待测电流，并提供与电流变化率(叫/dt)瞬时成比例的输出电压E。线圈电压E连接至积分器22，积分器给出与/ E.dt瞬时成比例的输出％。因此，V1与被测电流I1是瞬时成比例的。
[0040]图2所示的电流波形I1是方形的，以说明罗氏变换器在此的操作。在本文中所述的电流测量系统中，典型的50Hz电流的电流波形为正弦波，线圈电压E和输出电压V1亦是如此。
[0041]电流互感器替代系统
[0042]图1所述的电流测量系统可实施，以替代电路中的电流互感器(CurrentTransformer).该系统包括连接至罗氏变换器11的电压至电流转换器12。该转换器12包括开关放大器、电子控制器和将转换器输出的电流作为模拟电压而测量的装置。优选地，所述系统还包括滤波器。图1所示的特定实施例包括P+I控制器13、放大器14、滤波器15和电流检测电阻器民16，以下将详细描述。
[0043]如从以下说明书中将进一步理解的，采用本文所公开的系统来替代具有数个相关优点的电流互感器。罗氏变换器可以提供为紧凑的形式，如薄的柔性环绕夹式。因此，其可改型，以替代现有的电流互感器。罗氏变换器的线圈的长度可以选择，以适应预期的用途，而不依赖于被测的初级电流的幅度。罗氏变换器本质上是安全的，并提供电气隔离测量。它不会因过流而损坏。
[0044]在此公开的电流测量系统给出了低的相位误差，还提供了被测的初级电流的线性度。其精确度变化不大，具体取决于罗氏变换器的线圈中导体位置的变化。该系统可实现宽波段操作。
[0045]当图1的系统在操作中时，罗氏变换器11提供输出电压-V1,该输出电压是待测电流的模拟，通常具有6V的瞬时峰值输出。输出电压-V1被送入电压至电流转换器12，以提供输出电流I。该输出电流I可被送入常规的计量设备或由电阻Rb和电感Lb的负载或负荷阻抗17所表示的其他电路，并经由电流检测电阻器Rs16循环回来。RbLb包括电缆的电阻和电感，或图1中的将负载连接至电压至电流转换器12的连接器的电阻和电感。
[0046]在操作中，转换器12内的电流检测电阻器Rs16产生反馈电压VF，该反馈电压被送入P+I控制器13，并通过该P+I控制器13而与-V1作比较。来自P+I控制器13的输出电压V。由放大器放大，所述放大器优选地为D类放大器14，并由滤波器15滤波，以提供转换器输出电流I。于是，使用众所周知的错误驱动的原则来调节输出电流I，以使输出电流I与V1瞬时成比例，从而与被测电流瞬时成比例。因此，图1中所示的完整系统可用来替代传统的电流互感器。[0047]图3展示了用于典型的P+I控制器13的电子电路，其可用在图1所示的电流测量系统中。罗氏变换器11的输出电压-V1被馈送进P+I控制器，如图1所示。
[0048]图3所示的P+I控制器电路的元件的基本配置是常规的。P+I控制器13包括运算放大器31和无源元件R0, R1, R2和C115其输出电压V。由拉普拉斯传递函数得到:
[0049]
【权利要求】
1.一种电压至电流转换器(12)，其与电流测量设备一起使用，所述电流测量设备可操作以提供输出电压(V1),该输出电压是对待测电流(I1)的模拟，所述转换器(12)设置为提供输出电流(I)，该输出电流是对所述待测电流(I1)的模拟，其中，所述转换器(12)包括: 电子控制器(13); 开关放大器(14);以及 用于测量输出电流(I)作为模拟电压(VF)、并向所述电子控制器(13)提供所述模拟电压(Vf)的测量值的装置(16)。
2.根据权利要求1所述的转换器(12)，其特征在于，所述转换器还包括滤波器(15)。
3.根据权利要求1或2所述的转换器(12)，其特征在于，所述电子控制器(13)包括P+I控制器。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的转换器(12)，其特征在于，所述开关放大器(14)包括D类放大器。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的转换器(12)，其特征在于，所述用于测量输出电流(I)作为模拟电压(VF)、并向所述电子控制器(13)提供所述模拟电压(Vf)的测量值的装置(16)包括电阻器。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的转换器(12)，其特征在于，所述转换器还包括连接至转换器(12)的负载(17)。
7.根据权利要求2到6中任一项所述的转换器(12)，其特征在于，所述滤波器(15)包括三阶滤波器。
8.根据权利要求2到7中任一项所述的转换器(12)，其特征在于，所述滤波器(15)包括与所述开关放大器(14)的输出串联的第一电感器，以及横跨所述开关放大器(14)的输出与所述第一电感器的电容器。
9.根据权利要求8所述的转换器(12)，其特征在于，所述滤波器(15)还包括连接在所述电容器与所述转换器(12)的输出之间的第二电感器。
10.根据权利要求2到9中任一项所述的转换器(12)，其特征在于，所述滤波器(15)具有固有电容Cf，所述固有电容Cf能够在第一值和与第一值不同的第二值之间切换。
11.根据权利要求10所述的转换器(12)，其特征在于，所述滤波器(15)的固有电容Cf是可切换的，从而在所述转换器(12)的一种操作模式中，所述固有电容Cf近似为零。
12.根据权利要求6所述的转换器(12)，其特征在于，所述负载具有固有负荷阻抗(LB)，其中负载的所述固有负荷阻抗(1^)被设置以作为滤波器进行操作。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的转换器(12)，其特征在于，所述P+I控制器(13)包括运算放大器(31)和无源元件(Rtl, R1, R2和C1),其中所述电子控制器(13)在给定频率(ω )上提供输出电压(Vc)，所述输出电压(Vc)定义为:
14.一种电流测试系统，包括如权利要求1到13中任一项所述的转换器(12)，还包括连接至所述转换器(12)的电流测量设备(11)，所述电流测量设备(11)可操作以提供输出电压(V1),该输出电压(V1)是系统待测电流的模拟。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述电流测量设备(11)包括罗氏变换器。
16.一种方法，用于制造如权利要求1到13中任一项所述的电压至电流转换器(12)、或权利要求14或15所述的电流测量系统。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括，将以下中的被选部件包括在转换器(12)内，所述部件是基于所述部件的操作特性而选择的，如此进行选择，以使所述转换器(12)在操作中能提供输出电流(I)的测量值，该输出电流(I)在所述待测电流(I1)的模拟，且该输出电流(I)在预定的多种操作条件下是准确的，并处于预定的限制之内，，并所述输出电流(I)值是所述待测电流(I1)的模拟。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述部件选自以下中任一种: 开关放大器、电子控制器、电阻器、电容器、电感器、连接器或滤波器。
19.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述预定的多种操作条件包括以下中任一种:负荷电阻范围、连接器长度、相位误差、信号振荡或负载电感范围。
20.根据权利要求17到20所述的方法，其特征在于，所述预定限制时由电流互感器所应用的精确度等级而确定·的。
21.一种方法，用于设计如权利要求1到14中任一项所述的电压至电流转换器(12)、或权利要求15或16所述的系统。
22.装置、方法或系统，其大致如在此所描述的，或如附图所示的。
【文档编号】G01R19/165GK103582822SQ201280025910
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年3月7日 优先权日:2011年3月30日
【发明者】克里斯托弗·R.·休森, 乔安妮·M·阿伯丁, 威廉·F.·雷 申请人:电力电子测量有限公司