一种精密交直流大电流互感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于大电流精密测量领域，尤其涉及一种精密交直流大电流互感器。
【背景技术】
[0002]直流大电流的精密测量一般通过基于传统磁调制器技术的直流电流比较仪或零磁通直流电流互感器实现，但是受其中磁调制器的调制频率的限制，该类仪器只能用于测量直流或低频交流。交流大电流的精密测量一般则通过交流电流比较仪或零磁通交流电流互感器来实现，但是该类仪器只能用于测量交流，而不适用于直流。因此，对于需要同时测量直流和交流大电流的应用场合，两类仪器都不能独立完成。
[0003]目前已有能够同时测量直流和交流大电流的互感器，但这类仪器的直流测量功能大都采用了传统磁调制器技术，电路复杂，成本较高，在一定程度上限制了其使用。一种低成本的替代方案是采用调制和解调电路相对简单的自激振荡磁调制器做直流磁通检测器，目前已有基于该技术的大电流互感器可同时测量直流和交流。
[0004]但是，目前该类互感器存在两个主要问题:一是由于缺少调制磁通补偿磁芯和绕组，自激振荡磁调制器的调制磁通会通过变压器效应在互感器原边绕组和副边绕组中感应一定幅值的纹波电流，原边绕组中的纹波电流会干扰被测回路，而副边绕组中的纹波电流会增加测量误差。二是受传感器响应时间的限制，其中自激振荡磁调制器的有用信号提取电路的时间常数不能设置太大，由此带来的问题是有用信号中的高频分量不能被有效衰减，该高频分量将直接作为误差信号驱动反馈控制电路产生纹波电流，从而引入测量误差。因此，目前该类电流互感器还不能用于精密测量。
[0005]图1是一种现有基于自激振荡磁调制器的交直流大电流互感器的原理图。图1中两个环形磁芯C1和C2以及三个绕组Wl，W3和W4构成互感器的测量头，绕组W5通常为穿过互感器测量头的单匝导体，用于流过被测大电流IP。其余元件构成互感器的信号调理电路，用于信号提取和反馈控制。缠绕在磁芯C1上的绕组W1、比较器A1和激磁电流采样电阻R1构成自激振荡磁调制器，用于检测直流磁通。低通滤波器B2用于滤除激磁电流(或激磁电流在采样电阻R1上的压降v2)中的高频分量从而得到有用信号v7。缠绕在磁芯C2上的绕组W3用于检测交流磁通，其输出信号v8通过求和电路D2与信号v7相加，而求和电路D2的输出信号v9作为误差信号驱动反馈控制电路A3及其功率放大电路A4输出二次电流IS用于补偿被测电流IP产生的磁通，最终达到零磁通状态。
[0006]但是，目前该类互感器存在两个主要问题:一是由于缺少调制磁通补偿磁芯和绕组，自激振荡磁调制器的调制磁通会通过变压器效应在互感器原边绕组W5和副边绕组W4中感应一定幅值的纹波电流，原边绕组W5中的纹波电流会干扰被测回路，而副边绕组W4中的纹波电流会增加测量误差。二是受互感器响应时间的限制，其中的自激振荡磁调制器的有用信号提取电路B2的时间常数不能设置太大，由此带来的问题是有用信号中的高频分量不能被有效衰减，该高频分量将直接作为误差信号驱动反馈控制电路A3及其功率放大电路A4产生纹波电流，从而引入测量误差。因此，目前该类互感器还不能用于精密测量。
【发明内容】
[0007]为了解决基于传统磁调制器的交直流大电流互感器电路结构复杂、成本较高的缺点，同时解决基于新兴的自激振荡磁调制器的交直流大电流互感器原、副边调制纹波大不能用于精密测量的缺点，本发明提供了一种结构简单、成本相对低廉的精密交直流大电流互感器，包括测量头，用于测量流过原边绕组的大电流；自激振荡磁调制器电路，用于检测直流磁通；激磁磁通补偿电路，用于抵消激磁磁通感应的纹波电流；以及零磁通交流电流互感器电路，用于检测交流磁通。
[0008]根据本发明的优选实施例，精密交直流大电流互感器的测量头由三个环形磁芯、两个激励绕组、交流磁通检测绕组、副边绕组构成，两个激磁绕组分别缠绕在两个环形磁芯上，交流磁通检测绕组缠绕在三个背靠背叠在一起的环形磁芯上，而副边绕组缠绕在交流磁通检测绕组上，精密交直流大电流互感器的测量头穿过原边绕组，用于测量流过原边绕组的大电流。
[0009]根据本发明的进一步优选实施例，所述两个环形磁芯的物理特性和几何参数相同，第三个所述环形磁芯的几何参数与所述两个环形磁芯相同，但物理特性可以相同，也可以不同，所述两个激励绕组的匝数相同，副边绕组缠绕在交流磁通检测绕组上。
[0010]根据本发明的进一步优选实施例，自激振荡磁调制器电路由第一激磁绕组、比较器、和第一电阻构成，比较器的输出端接第一激磁绕组的同名端，第一激磁绕组的非同名端接比较器的输入端，同时与第一电阻相连，第一电阻的另一端接地。
[0011 ] 根据本发明的进一步优选实施例，激磁磁通补偿电路由第二激磁绕组、单位增益反相器和第二电阻构成，单位增益反相器的输入端与比较器的输出端相连，单位增益反相器的输出端接第二激磁绕组的同名端，第二激磁绕组的非同名端接第二电阻，第二电阻的另一端接地。
[0012]根据本发明的进一步优选实施例，还包括第一求和电路，第二求和电路，低通滤波器，以及高通滤波器，第一求和电路的两个输入端分别连接第一电阻的非接地端和高通滤波器的输出端，第一求和电路的输出端连接低通滤波器的输入端，第二求和电路的两个输入端分别连接低通滤波器的输出端和交流磁通检测绕组的同名端。
[0013]根据本发明的进一步优选实施例，其中零磁通交流电流互感器电路由交流磁通检测绕组、反馈控制电路、功率放大电路、副边绕组以及第三电阻构成，反馈控制电路的输入端连接第二求和电路的输出端，反馈控制电路的输出端连接功率放大电路的输入端，功率放大电路连接副边绕组的同名端，副边绕组的非同名端连接第三电阻，第三电阻的另一端接地。
[0014]根据本发明的进一步优选实施例，其中反馈控制电路采用由运算放大器构成的比例-积分电路。
[0015]根据本发明的进一步优选实施例，其中在所述比例-积分电路后接功率放大器输出互感器副边电流，该功率放大器是A类、B类、AB类或D类中的任何一种，或由多个分立元件构成，或由单个集成器件构成。
[0016]根据本发明的进一步优选实施例，所述低通滤波器是无源一阶低通滤波器、无源高阶低通滤波器、有源一阶低通滤波器和有源高阶低通滤波器中的任何一种，所述高通滤波器是无源一阶高通滤波器、无源高阶高通滤波器、有源一阶高通滤波器和有源高阶高通滤波器中的任何一种。
[0017]该精密交直流大电流互感器基于零磁通原理，将调制和解调电路相对简单的自激振荡磁调制器技术与有源交流电流互感器技术相结合，其中自激振荡磁调制器用于检测直流磁通，有源交流电流互感器用于检测交流磁通。这样，正常工作时，无论对于直流还是交流被测电流，互感器始终能够工作在零磁通状态，从而可以同时提高直流和交流电流的测量精度。此外，采用了附加磁芯和绕组用于补偿由于变压器效应在原边和副边绕组上感应的纹波电流，而在附加磁芯和绕组的基础上，采用了高通滤波器用于抵消有用信号中的高频分量，从而降低由于有用信号提取电路，即低通滤波器的时间常数有限在副边绕组中产生的纹波电流。
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本发明实施例，以下将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，以下描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员而言，还可以根据这些附图所示实施例得到其它实施例及其附图。
[0019]图1是一种现有基于自激振荡磁调制器的交直流大电流互感器的原理图；
[0020]图2是本发明提供的精密交直流大电流互感器的原理图。
[0021]图3是本发明提供的精密交直流大电流互感器测量直流电流时的线性度。
[0022]图4是本发明提供的精密交直流大电流互感器测量交流电流时的频带宽度。
【具体实施方式】
[0023]以下将结合附图对本发明的实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
[0024]图2是本发明提供的精密交直流大电流互感器的原理图。图中三个环形磁芯C1、C2、C3和四个绕组Wl、W2、W3、W4构成互感器的测量头，其中两个激磁绕组W1和W2分别缠绕在环形磁芯C1和C2上，交流磁通检测绕组W3缠绕在三个背靠背叠在一起的磁芯C1、C2和C3上，而副边绕组W4缠绕在绕组W3上。原边绕组W5为穿过互感器测量头的单匝导体，用于流过被测大电流IP。各绕组旁边的黑点代表同名端。