专利名称：一种电流传感器的补偿方法及零磁通微电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电工测量用的电流传感器(互感器)，特别是一种在工业现场设备及电力系统等广泛应用于精密测量的一种电流传感器的补偿方法及用该方法设计的零磁通微电流传感器。
背景技术：
电流传感器是一种用途广泛的电工测量仪器，在工业现场设备、电力系统一次保护和控制回路中都装有大量的电流传感器。对电流传感器的基本要求是有高的精确度、较平直的误差曲线和良好的抗外界电磁干扰能力以及长时间的稳定性。上述要求对于高精度微电流传感器(mA级，μA级)显得更为重要。众所周知，电流传感器是由一次线圈和二次线通过磁感应耦合实现能量传递，其误差是由建立铁芯中的磁通所需要的激磁电流造成的，提高精度就是要减小激磁电流的影响。如果没有激磁电流，电流传感器将工作在理想状态，一次电流和二次电流相差180度，不存在角差和比差，一次二次之间是严格的匝比关系，这就是所谓的“零磁通”状态。但是，真正的零磁通只是一个理想化的状态，实际上，如果没有激磁电流，铁芯中就不会有磁通，也就无法建立一次和二次的能量传递关系。但通过正确选择补偿措施，可以将铁芯中磁通降到极低程度，达到近似“零磁通”的状态，这时电流传感器有非常高的精度。补偿措施的指导思想是提供一个与激磁电流的 大小、相位适当的补偿电流 使I·0′=-I·0]]>可达到零磁通的理想效果。(参看图5)但是上述补偿电流 不能由原电流传感器提供，需外部注入，靠外部电流源对辅助磁芯激磁来提供。中国专利95201568.4公开了一种补偿结构设置了一个与主工作磁芯叠加的辅助磁芯，一次线圈和二次线圈绕制在二个叠加的磁芯上，在工作磁芯上绕制了一个补偿线圈并在补偿线圈的两端间接有一个补偿电阻，上述结构虽然提高了电流传感器的测量精度，但其缺点是静态补偿，不能实时的跟踪激磁电流的变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种电流传感器的补偿方法及用该方法设计的零磁通微电流传感器，它通过设置的检测线圈，补偿线圈以及电子调理电路采用零磁通平衡原理，准确实时地跟踪激磁电流的变化，并对其进行补偿，达到近似于零磁通的效果，从而准确测量待测交流微电流，并将其变换为直接可用的跟踪电压。
本发明的目的是这样实现的一种电流传感器的补偿方法，其特征是实时检测工作磁芯中的磁感应强度，并通过反馈电路输出相位、大小合适的电流对磁芯中产生的激磁电流跟踪补偿。根据该方法设计的零磁通微电流传感器，设有两个互相叠合的环形工作磁芯和辅助磁芯，磁芯上绕制有一次、二次线圈和补偿线圈，磁芯外设有屏蔽及保护盒，其特征是一次及二次线圈绕制在叠加磁芯上，二次线圈两端间接有负载，设置一个绕制在工作磁芯上的检测线圈及一个绕制在辅助磁芯上的补偿线圈，补偿线圈与检测线圈的两端中有一端接地，另一端之间连接一个包括有放大器、压流变换器组成的电子调理电路，电子调理电路的输入端电压放大电路与检测线圈连接，电子调理电路的输出端压流变换电路与补偿线圈连接。电压放大电路采用同相放大器，压流变换电路采用恒流源电路。在放大电路与压流变换电路之间还设有移相电路及滤波电路。磁芯设有多层屏蔽。所说的屏蔽层为三层，由里至外依次为坡莫合金、铁、铜。
本发明的优点及效果(1)传感器可由传感器头和信号处理板两部分组合，穿孔式非接触测量，无插入损耗。
(2)精度高，有良好的抗电磁干扰能力，高可靠性、高稳定性、低温漂，工作环境温度为-40℃至+85℃。
(3)输入输出高度隔离，输出值与被测电流成线性比例，角差在±3’以内。
图1是本发明的电原理结构图；图2是本发明的结构框图；图3、4分别是本发明采用的一种同相放大及恒流源电路；图5、6分别是本发明补偿原理示意图及补偿效果向量表示图。
具体实施例方式
参看图1，本发明在普通电流传感器基础上增设了一个与环形工作磁芯T1形状、尺寸均可相同的辅助磁芯T2，两者叠合后一次线圈N1及二次线圈N2绕制在叠合磁芯上，二次线圈N2的两端间连有负载(如精密电阻R)作为二次电流通过后转换为电压信号后再放大输出，检测线圈N0绕制在工作磁芯T1上，补偿线圈N3绕制在辅助磁芯T2上，N0与N3之间连接电子调理电路W。检测绕组N0的作用是检测T1中的磁密(磁感应强度)，为电子调理电路W提供反馈的电压信号，在N0绕组中没有电流，因此对T1列磁动势平衡方程时将不出现I0N0项。电子电路输出的补偿电流I3通过N3产生励磁磁动势，产生与激磁电流I0相反的I0′去补偿I0(图5)，I0′相当于I3的二次电流，图中“*”号表示同名端接法，感应电动势向量 应在 反相180°位置， 作为反馈信号经放大和V/I转换并正确移相，得到 如按同名端注入，则 作为激磁磁动势在二次侧感应的磁动势 将恰好符合图6中各向量的位置。 实际起到去磁磁动势的作用，使T1近似零磁通状态工作，上述过程形成闭环，电流传感器可稳定运行。
图2给出了本发明补偿过程的框图，也给出了一种三层屏蔽的实施方式。由于用于电力系统在线检测的电流传感器处于强电磁场的环境中，同时又长期工作在户外，易受温度、湿度等大气条件的影响，尤其是微电流传感器的屏蔽与防护，一直是困扰其性能的难点。如何将微弱的模拟信号无失真的放大，在温度变化、电磁干扰的环境下精确跟踪一次电流，并且保证角差、比差达到要求。针对电力系统电磁干扰的特点(工频为主，高频范围宽)，本发明采用了由外到内依次为铜、纯铁、坡莫合金，屏蔽效果比单层大得多。对于电屏蔽，实壁单层铜屏蔽在最薄的厚度下也大于100dB，可不用双层屏蔽。但对于磁场干扰采用多层屏蔽才能获得很好的效果。本发明采用了0.35mm厚的铜、纯铁、坡莫合金制作三层屏蔽，效果很好。对于安匝数较低、测量精度要求高的电流互感器，宜选用初始导磁率很高的磁芯，考虑到磁芯材料的温度性能，本发明用超微晶材料做铁芯，在-40℃～+85℃范围内，传感器都具有稳定的性能，二次侧输出信号具有极小的漂移。图1中的电子调理电路W必不可少的基本组成应包括电压放大和压流变换电路，中间也可设置移相及滤波电路，考虑到信号调理的要求和稳定性，可采用二阶贝赛尔线性相移滤波电路及有30Hz通带的四阶带通滤波器。所有电路均应为公知电路，本申请对电路组成及其原理不再途述。图3给出了一种同相放大器电路，当然也可采用反相输入放大或差动输入放大器等公知电路。图中Rf为反馈电阻，由于检测线圈N0感应的电压信号E0要求放大器具有高的输入阻抗，从而使N0线圈中无电流。若采用反相放大器，高的输入阻抗及放大倍数要求反馈电阻Rf也增大，反馈电阻大，受温度的影响也大，也会引入一定的噪声。选用同相放大器具有较高的输入阻抗，而且输入输出同相位对后续电路也有利。图4给出了一种压流转换的恒流源电路，输出电流不随负载而变化，完全由控制电压决定，相当于电压控制电流源，调节Rs可以改变输出电流大小，输出电流最大不超过运放允许输出电流，最小可到μA级。
由图6可以看出，无补偿时，由T1和T2的磁动势平衡方程T1:I·1N1+I·2N2=I·01N1]]>T2:I·1N1+I·2N2=I·02N1]]> 分别是T1和T2的激磁电流。补偿启动后，平衡方程变为T1:I·1N1+I·2′N2=I·01′N1]]>T2:I·1N1+I·2′N2+I·3N3=I·02′N1]]> 可视为I·2′′=I·2+I·2′′]]>，其中 为 在二次侧感应的附加电流，调节 ，也即调整 的大小和相位，使I·2′N2=-I·1]]>N1，则每个磁芯的磁势平衡方程变为T1:I·01′N1=0]]>T2:I·3N3=I·01′N1]]>此时T1的激磁电流为0，故磁通也为0，T1与绕组N1和N2将构成一个没有误差的电流传感器，此时I·1/I·2′=-N2/N1]]>，为严格的匝比变化关系。可以看出，补偿后 变为 原先的角差是 与 的夹角δ，补偿后 与 处于同一直线，角差和比差为零。
权利要求
1.一种电流传感器的补偿方法，其特征是实时检测工作磁芯中的磁感应强度，并通过反馈电路输出相位、大小合适的电流对磁芯中产生的激磁电流跟踪补偿。
2.根据上述方法设计的零磁通微电流传感器，设有两个互相叠合的环形工作磁芯和辅助磁芯，磁芯上绕制有一次、二次线圈和补偿线圈，磁芯外设有屏蔽及保护盒，其特征是一次及二次线圈绕制在叠加磁芯上，二次线圈两端间接有负载，设置一个绕制在工作磁芯上的检测线圈及一个绕制在辅助磁芯上的补偿线圈，补偿线圈与检测线圈的两端中有一端接地，另一端之间连接一个包括有放大器、压流变换器组成的电子调理电路，电子调理电路的输入端电压放大电路与检测线圈连接，电子调理电路的输出端压流变换电路与补偿线圈连接。
3.根据权利要求2所述的零磁通微电流传感器，其特征是所说电压放大电路采用同相放大器，压流变换电路采用恒流源电路。
4.根据权利要求2或3所述的零磁通微电流传感器，其特征是在放大电路与压流变换电路之间还设有移相电路及滤波电路。
5.根据权利要求2或3所述的零磁通微电流传感器，其特征是磁芯设有多层屏蔽。
6.根据权利要求4所述的零磁通微电流传感器，其特征是磁芯设有多层屏蔽。
7.根据权利要求5所述的零磁通微电流传感器，其特征是所说的屏蔽层为三层，由里至外依次为坡莫合金、铁、铜。
8.根据权利要求6所述的零磁通微电流传感器，其特征是所说的屏蔽层为三层，由里至外依次为坡莫合金、铁、铜。
全文摘要
一种电流传感器的补偿方法，其特征是实时检测工作磁芯中的磁感应强度，并通过反馈电路输出相位、大小合适的电流对磁芯中产生的激磁电流跟踪补偿。根据该方法设计的零磁通微电流传感器，设有两个互相叠合的环形工作磁芯和辅助磁芯，磁芯上绕制有一次、二次线圈和补偿线圈，磁芯外设有屏蔽及保护盒，其特征是一次及二次线圈绕制在叠加磁芯上，二次线圈两端间接有负载，设置一个绕制在工作磁芯上的检测线圈及一个绕制在辅助磁芯上的补偿线圈，补偿线圈与检测线圈的两端中有一端接地，另一端之间连接一个包括有放大器、压流变换器组成的电子调理电路，电子调理电路的输入端电压放大电路与检测线圈连接，电子调理电路的输出端压流变换电路与补偿线圈连接。磁芯设有三层屏蔽，由里至外依次为坡莫合金、铁、铜。
文档编号H01F38/28GK1417814SQ0214857
公开日2003年5月14日 申请日期2002年12月18日 优先权日2002年12月18日
发明者徐大可, 曹俊岭, 王军锋, 黄建华 申请人:国电南京自动化股份有限公司