一种空芯线圈互感系数的误差消除装置及电流测量装置的制作方法

文档序号:11073641阅读:1097来源:国知局
一种空芯线圈互感系数的误差消除装置及电流测量装置的制造方法

本实用新型涉及一种电流测量技术领域,具体地说,涉及一种空芯线圈互感系数的误差消除装置及其应用。



背景技术:

空芯线圈具有无磁饱和、测量范围大、线性度好、频带宽的优点,是一种极具竞争力的新型电流传感器,空芯线圈是一种电感式传感器,基于磁感应实现对电流的测量,互感系数是其最关键参数。

空芯线圈中,二次绕组绕在一个非磁性骨架上,不存在铁磁材料,使传感器在几安到几百千安的范围内仍然具有优良的线性,与传统CT不同,由于它不是直接测量电流,即使被测电流含有很大的直流分量,仍然不会饱和。因此近年来空芯电流互感器开始应用于继电保护和测量中。

整个线圈均匀地绕在一个环形的非磁性骨架上,将流有被测电流的载流导线置于空芯线圈的环形非磁性骨架内,且通环形非磁性骨架的轴线平行,对于稳态下的正弦电流,空芯线圈的输出电压可以表示为e=M·jω·I,式中,I为被测电流,M为互感常数,ω为正弦电流的角频率,e为空心线圈的输出电压。

可以看到,空芯线圈的测量被测电流的准确度取决于一个稳定的互感系数M。所以为了获得高精度的空芯线圈,制作时必须遵循以下原则:线圈密度恒定;骨架截面积恒定;线圈横截面与中心线垂直,否则,会导致空芯线圈结构不对称,将引入较大的测量误差。

在实际生产及应用中,为了避免空芯线圈结构不对称而引入的测量误差,通过标准的载流导线对空芯线圈互感系数进行标定,但是每次标定的互感系数M不可能是完全恒定的,载流导线的形状、位置和电流分布对标定的互感系数M有着直接而显著的影响,误差通常为1%—3%,极端情况可能超过10%,这样的准确度不能满足大多数工业现场的电流测量要求,这也是阻碍空芯线圈产业化的重要原因之一。

基于此,迫切需要一种空芯线圈互感系数的误差消除装置,该装置能够消除互感系数误差,以解决应用中存在的上述问题,使空芯线圈的测量准确度大幅提高,满足绝大多数工业现场的测量需求。



技术实现要素:

针对上述缺陷,本实用新型提供了一种空芯线圈互感系数的误差消除装置,旨在解决现有技术中由于空芯线圈标定过程中空芯线圈结构不对性和载流导线形状、位置及电流分布因素对空芯线圈的互感系数的影响而使现有的标定结果不准确的技术问题。

为实现上述目的,作为本实用新型的一方面,本实用新型提供了一种空芯线圈互感系数的误差消除装置,包括空芯线圈、控制模块以及旋转模块,空芯线圈固定在旋转模块上,且空芯线圈的中心轴线与旋转模块的中心轴线重合,空芯线圈输出端与控制模块输入端连接,控制模块输出端与旋转模块输入端连接;

空芯线圈将标定电流转化为输出电压;旋转模块带动空芯线圈沿中心轴线旋转;控制模块输出旋转信号控制旋转模块旋转n次,且每次旋转角度为并采集旋转模块每次旋转后空芯线圈的输出电压。

控制模块输出旋转信号控制驱动模块旋转n次,并采集驱动模块每次旋转后空芯线圈的输出电压,并根据空芯线圈电压与标定电流获得互感系数,每次转动旋转模块获得的互感系数的误差各不相同,但由于每次旋转角度相同,且旋转角度为使得这些误差服从正态分布规律,将获得的互感系数进行加权平均,即可消除互感系数的误差,从而极大的提升空芯线圈电流测量的准确度等级。

进一步地,还包括积分模块,积分模块输入端与空芯线圈输出端连接,积分模块输出端与控制模块输入端连接,积分模块将空芯线圈输出电压进行积分处理,使得积分模块输出电压与标定电流呈正比。

进一步地,空芯线圈的种类为手绕式、机绕式和PCB式。

作为本实用新型的另一方面,本实用新型提供了用空芯线圈互感系数的误差消除装置测量电流的装置,包括载流导体、空芯线圈、旋转模块、积分模块以及控制模块,载流导体位于空芯线圈内部且空芯线圈的中心轴线与载流导体中心轴线平行,空芯线圈固定在旋转模块上,空芯线圈的中心轴线与旋转模块的中心轴线重合,积分模块输入端与空芯线圈输出端连接,积分模块输出端与控制模块输入端连接,控制模块输出端与旋转模块输入端连接,控制模块电流切换输出端与载流导体控制端连接;

载流导体的控制端接收电流切换信号实现标定电流与被测电流的切换;空芯线圈将载流导体中标定电流或被测电流转化为输出电压;旋转模块带动空芯线圈旋转;积分模块将空芯线圈的输出电压进行积分处理,使积分模块输出电压与标定电流呈正比;控制模块输出旋转信号控制旋转模块旋转n次,且每次旋转角度为采集旋转模块每次旋转后积分模块输出电压,并根据旋转模块旋转次数输出电流切换信号。

首先向载流导体内注入标定电流,控制模块输出旋转信号控制旋转模块旋转n次,并采集旋转模块每次旋转后积分模块的输出电压,在旋转模块旋转n次后,控制模块输出电流切换信号使载流导体中注入被测电流,控制模块输出旋转信号控制旋转模块旋转n次,并采集旋转模块每次旋转后积分模块的输出电压。

在载流导体内注入标定电流后,根据采集的积分模块的输出电压与标定电流获得旋转模块每次旋转后空芯线圈的互感系数,将互感系数加权平均值,获得空芯线圈消除误差后的互感系数;在载流导体内输入被测电流后,根据获得空芯线圈消除误差后的互感系数和通过旋转模块每次旋转后采集的积分模块输出电压获得被测电流的测量值,并将被测电流的测量值取加权平均值,获得被测电流值准确值。

通过本实用新型所构思的以上技术方案,与现有技术相比,能够取得以下有益效果:

1、本实用新型通过将空芯线圈固定在旋转模块上,且空芯线圈的中心轴线与旋转模块中心轴线重合,控制模块向旋转模块输出旋转信号,每次以相同的角度转动旋转模块实现改变空芯线圈与标定电流的相对位置,每改变一次相对位置进行一次空芯线圈电压的采集,根据每次采集的空芯线圈电压获得的空芯线圈的互感系数存在误差,这些误差是由于线圈结构的不对称性、载流导线位置、形状以及电流分布以及外界干扰电流和磁场的干扰引起,但由于每次转盘转动角度相同,且每次角度为使得通过每次测量电压获得的互感系数误差呈正态分布,通过将所有互感系数加权求平均值得到互感系数为空芯线圈的理论互感系数。

2、本实用新型提出用空芯线圈互感系数的误差消除装置的测量电流装置,首先获得消除误差后的互感系数,控制模块输出电流切换信号向载流导体中注入被测电流,控制模块输出旋转信号转动旋转模块n次,并采集每次旋转模块旋转后积分模块的输出电压,根据消除误差后的互感系数和积分模块的输出电压获得被测电流的测量值,由于被测电流中心位置、被测电流分布、空芯线圈结构的不对称以及干扰电流的影响,会影响空芯线圈互感系数,但通过旋转模块转动n次且每次转动的角度为使得空芯线圈互感系数的误差呈正态分布,通过将上述获得的被测电流的测量值加权取平均即可获得被测电流值准确值。本实用新型在空芯线圈绕组对称状况、载流导体截面、被测电流中心位置等关键影响因素未知的前提下,一方面可以极大减弱空芯线圈互感系数的不稳定性,另一方面可完全消除外接干扰电流的影响,从而显著提高空芯线圈的测量准确度,以适应工业现场电流测量需求。

附图说明

图1为本实用新型所提供的空芯线圈互感系数的误差消除装置的示意图;

图2为本实用新型提供的空芯线圈互感系数的误差消除装置中空芯线圈与电流相对位置图;

图3为本实用新型提供的空芯线圈互感系数的误差消除装置中干扰电流与空芯线圈的相对位置图;

图4为本实用新型提供用空芯线圈互感系数的误差消除装置的测量电流装置的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。

如图1所示,本实用新型提供的空芯线圈互感系数的误差消除装置,包括空芯线圈2,将标定电流转化为输出电压;旋转模块1,空芯线圈2固定在旋转模块1上,且空芯线圈的中心轴线与旋转模块的中心轴线重合,旋转模块1带动空芯线圈沿中心轴线旋转;以及控制模块3,控制模块3的输入端与空芯线圈2的输出端连接,控制模块3采集每次旋转模块后空芯线圈2中的电压,控制模块3的输出端与旋转模块1输入端连接,控制模块3输出旋转信号控制旋转模块1旋转n次,且每次旋转角度为并采集旋转模块每次旋转后空芯线圈2的输出电压,根据空芯线圈的输出电压与标定电流得到互感系数,每次转动旋转模块获得对应的互感系数的误差各不相同,由于每次旋转角度相同,且旋转角度为使得互感系数的误差服从正态分布规律,将获得的互感系数进行加权平均后获得的互感系数即为消除误差后的互感系数。

本实用新型提供的空芯线圈互感系数的误差消除装置还包括积分模块,积分模块输入端与空芯线圈输出端连接,积分模块输出端与控制模块输入端连接,积分模块用于将空芯线圈输出电压进行积分处理,使得积分模块的输出电压与标定电流呈正比,当旋转模块收到控制模块输出的旋转信号后,旋转模块绕着中心轴线转动,每转动一次,控制模块采集一次积分模块输出电压,根据积分模块输出电压和标定电流获得空芯线圈的互感系数,并将空芯线圈的互感系数加权取平均,获得消除误差后的互感系数。

在旋转过程中要保持空芯线圈在一个水平面内,不得大幅度的振动或晃动。本实用新型中提供的空芯线圈互感系数的误差消除装置没有颠覆现有空芯线圈的原理,它能够适用于几乎所有结构的空芯线圈,包括手绕式、机绕式和PCB式,空芯线圈沿着线圈轴线不断旋转,其目的是消除互感系数误差的不确定性,不同位置多次测量的平均值可增强互感系数的稳定性。

载流导体与空芯线圈的相对位置、载流导线截面形状以及载流导线中电流分布对互感系数有直接影响,通过电磁感应定律可以证明:当电流中心位置和空芯线圈中心轴线重合时,互感系数为M0,即为该空芯线圈的理论互感系数;在实际电流测量时,电流中心位置和空芯线圈中心轴线不可能完全重合,互感系数的偏差在电流时将产生很大的误差。如图2所示,若电流中心位置处于5-1位置时,对应的互感系数为M1,互感系数测量值M1与理论互感系数M0一般是不相等的。在不断旋转空芯线圈2时,根据运动的相对性,电流中心位置依次到达5-2、5-3、5-4…、5-n,对应的互感系数分别为M2、M3、M4、…、Mn。当转盘第i次旋转时电流在空芯线圈中产生的磁感应强度为:

式中,I为电流,R为空芯线圈的直径,r1为电流中心距离空芯线圈中心轴的距离,i指转盘转动次序,1≤i≤n,r1<R。

将转盘第i次旋转电流在空芯线圈中产生的磁感应强度取平均值,公式为:

可以看出,当转盘转动次数n足够大时,电路中心在距离空芯线圈中心轴线为r1的圆上任意一点处在空芯线圈中产生的磁感应强度的平均值与电流处于空芯线圈轴线位置在空芯线圈中产生电磁感应强度相同,因此我们可以得到以下结论:虽然M1、M2、M3、…、Mn与M0都有较大偏差,但当n足够大时,M1、M2、M3、…、Mn的平均值是完全等于M0的。

如图3所示,在空芯线圈2的窗外存在干扰电流7,它们之间存在一定磁耦合,等效互感系数不可能完全等于零,因此,外界干扰电流磁场会对空芯线圈2的测量准确度产生不可预知的显著影响。若干扰电流中心位置在7-1时,对应的互感系数为M1',在不断旋转空芯线圈2时,根据运动的相对性,空芯线圈2与干扰电流中心位置的相对位置如图4所示,干扰电流中心位置依次到达7-2、7-3…、7-n,对应的互感系数分别为M1'M'2…、M'n,当转盘第i次旋转时干扰电流在空芯线圈中产生的磁感应强度为:

式中,I'为干扰电流,R为空芯线圈的直径,r2为干扰电流中心距离空芯线圈中心轴的距离,i指转盘转动次序,1≤i≤n,r2>R。

可以看出,n趋近无穷时,干扰电流在距离空芯线圈轴线为r2圆上任意一点处在空芯线圈中产生的磁感应强度的平均值等于零,因此可以得到如下结论:当n足够大时,M1'、M'2、…、M'n的平均值总是等于0的,通过旋转多次测量的方法可完全消除外接干扰电流7对空芯线圈2的影响。

同理,通过多次以相同的角度旋转转盘,且每次转动的角度为使得由于空芯线圈结构不对称引起的互感系数测量值的误差呈正态分布,将互感系数误差加权取平均后为零。

综上所述,由于空芯线圈结构不对称性、干扰电流的影响和载流导线形状、位置及电流分布因素造成空芯线圈的互感系数测量值的误差呈正态分布,通过将所获得互感系数测量值取加权平均即得到空芯线圈消除误差后的互感系数。

对于获得的空芯线圈互感系数进行加权取平均可以根据公式获得该空芯线圈的互感系数准确值M;也可以采用更复杂的数值计算方法用于消除随机误差,算法的选取与测量次数n的取值有很大关系。

如图4所示,本实用新型提供用空芯线圈互感系数的误差消除装置的测量电流装置中,空芯线圈2固定在旋转模块1上,且空芯线圈2的中心轴线与旋转模块1的中心轴线重合,载流导体4位于空芯线圈2内,且载流导体4与空芯线圈2的轴线平行,控制模块5输出端与旋转模块1输入端连接,首先让载流导体4中注入标定电流,控制模块5输出旋转信号使旋转模块1旋转n次且每次均以角度为旋转,在旋转模块2每次旋转后,控制模块5采集积分模块3的输出电压,在旋转模块旋转n次后,获得n组输出电压,根据n组输出电压和标定电流获得n组互感系数,由于空芯线圈结构的不对称、电流分布、电流中心位置以及外部干扰电力的影响,使n组互感系数均存在误差,由于每次旋转模块1旋转角度相同且为使得获得n组互感系数的误差呈正态分布,通过将上述n组互感系数加权取平均,即可获得消除误差后的互感系数,当旋转驱动模块1旋转n次后,控制模块5输出电流切换信号,使载流导体4中的电流切换为被测电流,控制模块5输出旋转信号使旋转模块1旋转n次且每次均以角度为旋转,在旋转模块2每次旋转后,控制模块5采集积分模块3的输出电压,在旋转模块旋转n次后,获得n组输出电压,根据n组输出电压和消除误差后的互感系数获得n组被测电流的测量值,由于空芯线圈结构的不对称、电流分布、电流中心位置以及外部干扰电力的影响,使n组被测电流的测量值均存在误差,由于每次旋转模块旋转角度相同且为使得空芯线圈互感系数呈正态分布,通过将上述n组被测电流的测量值加权取平均,即可获得被测电流的精确值。

本实用新型用提供的空芯线圈互感系数的误差消除装置测量电流的装置,在空芯线圈绕组对称状况、载流导体截面、被测电流中心位置等关键影响因素未知的前提下,一方面可以极大减弱空芯线圈互感系数的不稳定性,另一方面可完全消除外接干扰电流的影响,从而显著提高空芯线圈的测量准确度,以适应工业现场电流测量需求。

本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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