电流传感器的制造方法
【专利摘要】提供了一种用于测量也运载AC电流（Iac）的初级导体（40）中的DC电流（I^）的电流传感器（70）。所述电流传感器包括铁磁芯（50），所述初级导体可延伸通过所述铁磁芯。所述芯具有形成在其中的窄气隙（56），并且磁通量传感器（58）被放置在所述气隙中。次级绕组（60）被安装到所述芯并具有连接在其中的阻抗（72）。所述阻抗在所述AC电流的一个或多个频率处具有基本上为零的值。所述阻抗可以是短路或包括电容器（76）和电感器（74）的阻抗源。
【专利说明】电流传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器，并且更具体地涉及用于测量在也运载AC电流的导体中的DC电流。
【背景技术】
[0002]用于测量DC电流的电流传感器是已知的。图1中示出一种类型的常规电流传感器10，并且被称为开环霍尔(Hall)效应电流传感器。电流传感器10包括具有气隙14的铁磁芯12，气隙14具有放置在其中的用于测量磁通量的霍尔元件16。初级导体18延伸通过芯12的中心并运载通过初级导体18的电流。如果初级导体18既运载AC电流又运载DC电流，则总的初级电流(Iltti)可以表示为在芯12中以及在气隙14中的通量密度与总的初级电流成比例。因此，霍尔元件16产生与电流成比例的电压V0=V0ac;+V0d。。
[0003]如果在初级导体18中的AC电流显著地大于DC电流，则Vode〈〈Voa。。在这种情况下，具有低通滤波器特性的放大器20用于提取感兴趣的信号Vode。放大器20对DC分量Vodc提供大的增益，而使AC分量Voa。衰减。
[0004]当在初级导体18中的AC电流显著地大于DC电流时，上述系统有许多缺点。一个缺点是气隙14的尺寸。因此由Ia。所产生的磁通量比由Id。所产生的磁通量大许多倍，因此气隙14必须较大，以便芯12不会因为由Ia。所产生的大量磁通而饱和。气隙14的大尺寸降低了传感器10的基本灵敏度，该灵敏度如每单位初级电流的传感器输出电压所限定的。另一个缺点是通过芯12的大量AC分量的通量，这些通量将在芯12中产生铁芯损耗和热量。又一个缺点是用于提取并对小信号Vod。进行放大的放大器20也对霍尔元件16的误差分量(例如偏移电压)进行放大，从而减少Id。测量的总体精度。
[0005]基于上述，在现有技术中存在对用于测量也运载着AC电流的导体中的DC电流的改进的电流传感器的需求。
【发明内容】
[0006]根据本发明，提供了一种用于测量也运载着AC电流的初级导体中的DC电流的电流传感器。所述电流传感器包括铁磁芯，所述初级导体可延伸通过所述铁磁芯。所述芯具有形成在其中的气隙。磁通量传感器被放置在所述气隙中。次级绕组被安装到所述芯。所述次级绕组具有连接在其中的阻抗。所述阻抗在AC电流的一个或多个频率处具有基本上为零的值。所述气隙具有小于所述磁通量传感器的厚度的两倍的宽度。
[0007]根据本发明，还提供了用于通过一个或多个初级导体连接到公用电网的逆变器系统。所述逆变器系统包括用于通过所述一个或多个初级导体连接到所述公用电网的逆变器。所述逆变器系统还包括用于连接到所述一个或多个初级导体的一个或多个电流传感器。所述电流传感器中的每个电流传感器具有以上所描述的结构。
【专利附图】
【附图说明】[0008]参照以下描述、所附权利要求书以及附图将更好地理解本发明的特征、方面和优点，其中:
[0009]图1示出现有技术的电流传感器；
[0010]图2示出具有根据本发明所实施的一个或多个电流传感器的公用交互逆变器系统；
[0011]图3示出根据本发明的第一实施例所构造的第一电流传感器的侧视图；
[0012]图4示出第一电流传感器的俯视图；
[0013]图5示出根据本发明的第二实施例所构造的第二电流传感器的侧视图；
[0014]图6示出具有第一构造的第二电流传感器的侧视图；
[0015]图7示出具有第一构造的第二电流传感器对于初级电流的不同频率的响应；
[0016]图8示出具有第二构造的第二电流传感器的侧视图；以及
[0017]图9示出具有第二构造的第二电流传感器对于初级电流的不同频率的响应。
【具体实施方式】
[0018]应当注意的是，在以下的详细描述中，相同组件具有同样的附图标记，不管它们是否在本发明的不同实施例中示出。还应当注意的是，为了清楚和简洁地公开本发明，附图可能不必按照比例并且本发明的某些特征可能以稍示意的形式来示出。
[0019]现在参照图2，示出了公用交互逆变器系统30，其利用根据本发明所实施的一个或多个电流传感器32。逆变器系统30具有用于将如风力涡轮机、燃料电池、以及光电太阳能电池的可再生能量源联接到AC公用电网34的特定用途。逆变器系统30包含逆变器36，所述逆变器36从DC源38 (诸如可再生能量源)接收DC电压，并将DC电压转变成AC电流。逆变器36可以是单相或三相，并可操作地在电网频率(例如50Hz或60Hz)处执行从DC到AC的电力转换，以及调节馈入到公用网络34的电力。逆变器36包括多个电力电子开关，诸如绝缘栅门极晶体管(IGBT)。逆变器36通过一个或多个线路或初级导体40 (取决于相的数量)连接到公用网络34。电流传感器32被安装到每个初级导体40，并可操作地准确地测量其中的DC电流。基于微处理器的电流控制器42连接到(多个)电流传感器32，以从电流传感器接收(多个)DC电流测量结果。电流控制器42连接到逆变器36并可操作地控制逆变器36中的开关。
[0020]逆变器系统10被分类成无变压器系统，这是因为在逆变器36和公用网络34之间没有使用隔离变压器。当使用此类无变压器系统时，电网调节通常要求馈入公用网络的电流必须主要是AC，并且必须将DC电流的量限制到非常低的水平，通常小于系统额定值的1%。电流控制器42使用由(多个)电流传感器32所测量的DC电流，来适当地调节逆变器36中的开关的切换模式，以便进入到公用网络34的DC电流的量几乎为零，即，提供给公用网络34的总电流中的大约0.1%是DC电流。
[0021]现在参照图3和图4，示出了电流传感器32的更详细的视图，所述电流传感器32被构造以便主要响应于初级导体40中的总的初级电流(Iph)的DC分量(Id。)，同时排斥AC分量(Ia。)。电流传感器32包含由诸如高导磁合金(包含大约75%镍、15%铁、加铜和钥的合金)的铁磁材料组成的芯50。芯50可以是矩形并具有一对间隔开的支柱52和分别固定到支柱的相对端部的一对轭54。可替换地，芯50在外形上可以是环形。初级导体40延伸通过芯50，诸如在支柱52之间和在轭54之间。芯50的一部分(诸如支柱52中的一个支柱)具有形成在其中的气隙56。诸如霍尔元件的磁通量传感器58被放置在气隙56中。气隙56非常小，具有小于磁通量传感器58的厚度的两倍的宽度(例如在支柱52的方向中)，更具体地小于磁通量传感器58的1.5倍厚度。在一些实施例中，气隙56可以仅稍微大于磁通量传感器58的厚度。次级绕组60绕支柱52缠绕，在具有气隙56形成在其中的支柱52的对面。次级绕组60由一个或多个导体的匝组成，该导体由诸如铜的金属组成。导体的单个匝已经发现工作的非常好并且假设存在于以下的描述中。导体的端部连接在一起以便对次级绕组60进行短路。
[0022]具有低通滤波器特性的放大器64用于提取感兴趣的信号，Vodc0放大器64对DC分量Vod。提供增益，而使AC分量Voa。衰减。
[0023]现在，将描述传感器32的操作。初级导体40中的初级电流IPri=Iac;+Id。建立分别与Ia。和Id。成比例的磁通量的AC分量和DC分量。磁通量的AC部分在次级绕组60中感应AC电压。因为次级绕组60是短路绕组，因此在次级绕组60中所感应的电流(I.)在幅度上基本相等，但是与初级导体40的AC电流分量(Ia。)的极性相反。最后的结果是由Ia。所产生的磁通量的AC分量基本被由所感应的次级电流Ise。所产生的磁通量抵消。因此，如由磁通量传感器58所感受的芯50中的通量主要是由于DC电流所产生的。这是由于在气隙56中的通量仅包括由于DC分量(Id。)所产生的通量以及由于没有被所感应的次级电流(I.)所产生的通量抵消掉的由AC分量(Ia。)所产生的AC通量中的小部分AC通量。
[0024]因为芯50不必运载由于Iae的所产生的大量的AC通量，因此没有使芯50饱和的危险。因此，当与图1中所示出的现有技术的传感器10中所使用的气隙14相比，可以大幅地减少气隙56。在这一点上，要注意的是，所要求的气隙尺寸与初级导体40中负责产生芯50中的磁通量的“净”初级电流(AC加DC)成比例。短路次级绕组60的结果是，产生磁通量的净初级电流的大小可以几乎为小于现有技术传感器10中所产生的20倍，从而允许在尺寸上显著地减少气隙56。因此，电流传感器32的灵敏度得以大幅地增加。磁通量传感器58的输出Vo主要由与Id。成比例的信号Vod。组成，但是在较高的幅度，这是由于电流传感器32的增加的灵敏度。由于芯50中的残余AC通量，因此非常少量的Voa。也存在于Vo中。因为电流传感器32的灵敏度高得多，因此大幅降低了提取Vod。的放大要求，从而减少了由于偏移电压和由于环境温度变化的偏移电压漂移的不准确性。
[0025]如上所述，电流传感器32基本只允许芯50中的DC磁通量，并且基本上消除了磁通量中的AC分量，从而使得电流传感器32响应于DC电流而非AC电流。这是通过提供短路输出的次级绕组60来完成的。现在提出这种技术的一个变化，其中可以视所需的特定应用对电流传感器的选择性进行定制。
[0026]现在，参照图5，示出了除了次级绕组60未短路外，基本上具有与电流传感器32相同构造的电流传感器70。替代地，在次级绕组60的输出处连接阻抗支路72。另外，次级绕组60通常具有多个匝。阻抗支路72可使用线性或非线性的无源组件(诸如电阻器、电感器和电容器)和有源组件(诸如运算放大器、晶体管、二极管等)的组合来构造。当阻抗支路72具有阻抗(Z) =0时，电流传感器70可以视为基本等效于电流传感器32。
[0027]电流传感器70可被构造为具有不同的频率选择性。现在参照图6，示出了第一种此类构造，其中电流传感器具有附图标记70a，以使它与其它构造进行区分。在电流传感器70a中，阻抗支路72a包含由串联连接的电感器74 (具有电感Ls)和电容器76 (具有电容
Cs)组成的具有谐振频率€ = 7 I77T的串联谐振电路。该电路在谐振频率Fs处提供接近
于零的阻抗并且在其它频率处提供高阻抗。在谐振频率Fs处由初级电流(1_)的AC分量(Ia。)所产生的磁通量由在谐振频率Fs处通过由于串联谐振电路的非常低的阻抗所造成的次级电流(I.)抵消。因为在谐振频率Fs处由AC分量产生的磁通量很大程度上被抵消，因此在Fs处大大减少了电流传感器70a的灵敏度(每单位初级电流的电压)。也即是说，如图7所示，电流传感器70a除了在Fs处之外对所有频率都敏感(响应)。
[0028]现在参照图8，示出了具有阻抗支路72b的电流传感器70b，所述阻抗支路72b包含由并联连接的电感器78 (具有电感Lp)和电容器80 (具有电容Cp)组成的具有谐振频率
FP % Ir的并联谐振电路。该电路在谐振频率Fp处提供非常高的阻抗并且在其它频
率处提供较低的阻抗。在谐振频率Fp处由初级电流(Ipri)的AC分量(Ia。)所产生的磁通量没有被次级电流(I.)抵消，这是因为由于在谐振频率Fp处并联谐振电路的非常高的阻抗不允许次级电流(I.)流动。因此，如图9所示，电流传感器70b针对Fp敏感(响应)并且针对低于或高于Fp的频率不敏感(响应)。
[0029]电流传感器70a、70b说明针对传感器的响应如何获得频率选择性。通过为阻抗支路72选择适当的电路，可对电流传感器70的频率响应性进行定制，以满足与频率要求对应的阻抗。
[0030]需要理解的是，上述(多个)示例性实施例的描述旨在仅是说明本发明，而非穷尽本发明。在不背离如由所附权利要求书所限定的本发明的精神或其范围的前提下，本领域的普通技术人员将能够对所公开的主题的(多个)实施例做出某些增加、删除、和/或修改。
【权利要求】
1.一种用于测量也运载AC电流的初级导体中的DC电流的电流传感器。所述电流传感器包含: 铁磁芯，所述初级导体可延伸通过所述铁磁芯，所述芯具有形成在其中的气隙； 磁通量传感器，其被放置在所述气隙中； 次级绕组，其被安装到所述芯，所述次级绕组具有连接在其中的阻抗，所述阻抗在所述AC电流的一个或多个频率处具有基本上为零的值；并且 其中所述气隙具有小于所述磁通量传感器的两倍厚度的宽度。
2.根据权利要求 1所述的电流传感器，其中所述阻抗包含所述次级绕组的端部连接在一起的短路。
3.根据权利要求2所述的电流传感器，其中所述次级绕组具有单个匝。
4.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述气隙具有小于所述磁通量传感器的厚度的1.5倍的宽度。
5.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述芯包含一对间隔开的支柱和一对间隔开的轭，所述轭中的第一轭跨所述支柱的第一端部延伸，并且所述轭中的第二轭跨所述支柱的第二支柱延伸，并且其中在所述支柱中的一个支柱中形成所述气隙。
6.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述芯是环形的。
7.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述阻抗包含具有从由电阻器、电感器、电容器、运算放大器、晶体管以及二极管所组成的组中选择的至少一个设备的电路。
8.根据权利要求7所述的电流传感器，其中所述电路包含电感器和电容器。
9.根据权利要求8所述的电流传感器，其中所述电感器和所述电容器串联连接。
10.根据权利要求8所述的电流传感器，其中所述电感器和所述电容器并联连接。
11.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述磁通量传感器是霍尔元件。
12.一种用于通过一个或多个初级导体连接到公用网络的逆变器系统，所述逆变器系统包含: 逆变器，用于通过所述一个或多个初级导体连接到所述公用网络；以及 一个或多个电流传感器，用于分别连接到所述一个或多个初级导体，每个电流传感器包含: 铁磁芯，所述初级导体可延伸通过所述铁磁芯，所述芯具有形成在其中的气隙； 磁通量传感器，其被放置在所述气隙中； 次级绕组，其被安装到所述芯，所述次级绕组具有连接在其中的阻抗，所述阻抗在所述AC电流的一个或多个频率处具有基本上为零的值；并且 其中所述气隙具有小于所述磁通量传感器的厚度的两倍的宽度。
13.根据权利要求12所述的逆变器系统，进一步包含用于基于由所述一个或多个电流传感器所测量到的(多个)DC电流来控制所述逆变器的操作。
14.根据权利要求13所述的逆变器系统，其中所述控制器可操作地控制所述逆变器，使得从所述逆变器输出的所述电流中的0.1%或更少的电流是DC电流。
15.根据权利要求12所述的逆变器系统，其中所述逆变器是三相逆变器，所述一个或多个初级导体包含三个初级导体，并且所述一个或多个电流传感器包含分别连接到所述三个初级导体的三个电流传感器。
16.根据权利要求12所述的逆变器系统，其中所述阻抗包含所述次级绕组的端部连接在一起的短路。
17.根据权利要求12所述的逆变器系统，其中所述阻抗包含具有从由电阻器、电感器、电容器、运算放大器、晶体管以及二极管所组成的组中选择的至少一个设备的电路。
18.根据权利要求17所述的逆变器系统，其中所述电路包含电感器和电容器。
19.根据权利要求18所述的逆变器系统，其中所述电感器和所述电容器串联连接。
20.根据权利要求18所述的逆变器系统，其中所述电感器和所述电容器并联连接。
【文档编号】G01R15/18GK103703379SQ201280037136
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年7月12日 优先权日:2011年7月28日
【发明者】K·P·戈卡尔 申请人:Abb公司