互感器寄生阻抗平衡补偿的互感器测量电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种互感器寄生阻抗平衡补偿的互感器测量电路，属于模拟信号测量电路【技术领域】。互感器的两个输出端分别连接有运放电路，每个运放电路的同相输入端和其输出端之间并联滤波电路；并且本技术方案中涉及的电阻R1、R3、R4、R5和互感器的二次侧的输出端口的等效电阻R01和R02符合以下条件：R4/R3＝R5/(R1+R01)，R4/R3＝R5/(R1+R02)，R01＝R02＝R0/2，R0为互感器的二次侧寄生阻抗。在两个R5连接点处，施加直流偏移电压Vref，两个运放的输出Uop及Uon，即为本发明得以实现的零互感器输出负载的，以Vref为中心电压的，与互感器二次电流成正比的差分信号，其大小和相位准确的反映了互感器一次侧电流的大小和相位。
【专利说明】 互感器寄生阻抗平衡补偿的互感器测量电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及模拟信号测量电路【技术领域】，尤其是涉及互感器寄生阻抗补偿的测量电路。
【背景技术】
[0002]现代社会，电力能源广泛使用，安全用电(电路保护)、公平用电(准确计量计费)、合理用电(节能减排)等等，均需要以准确测量电流等参数为基础。然而在发电、变电、输电、配电和用电的线路中电流大小悬殊，从几安到几万安都有。为便于测量、保护和控制，需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压一般都比较高，如直接测量是非常危险的，必须要有测量传感元件转换为测量设备可以接受的弱信号。
[0003]电流的测量传感元件，最常用的是电流互感器，结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁芯以及构架、壳体、接线端子等组成，能够很方便地将大电流转换为测量设备可以接受的小电流信号，并起到电气隔离作用，保证了测量设备的安全可靠稳定工作。此外生产工艺相对简单且技术成熟，成本低，也能做到相对比较好的测量精度，因而被广泛应用。
[0004]电流互感器是依据电磁感应原理实现的，与变压器的原理一样。
[0005]理想的互感器及其测量电路，一、二次绕组无内阻，铁芯无磁阻，铁芯电阻无穷大，二次输出的阻抗为零，这样，一次电流在互感器中产生的能量，可以毫无损耗的传递给二次侧，则有 IlNl = I2n2，也即 12/11 = Nl/n2。
[0006]然而，实际中，这是不可能的，至少现有技术条件还远远达不到。对于一个实际的互感器及其测量电路，一、二次绕组都有阻抗(主要是电阻和感抗，容抗完全可以忽略不计)，尤其是二次绕组，扎数多，线径细，因而寄生阻抗大，铁芯有磁阻及阻抗，对于仪用互感器，其二次侧往往还有负载，因而实际的互感器，是存在不小的误差的，包括角差和比差。自电流互感器产生以来，经过不断努力探索，已基本弄清楚，互感器的误差，基本是由以下因素构成:
[0007]1、励磁损耗与铁损。一次侧电流Il必须要有一部分电流1l来磁化铁芯，使得铁芯中产生磁通，1lNl称为磁安阻或励磁磁动势；此外Il还会有一部分电流102,因为磁通穿过铁芯时，在铁芯内部形成涡流而消耗掉，这部分损耗，称为铁损。铁芯材料磁导率越大，所需的1l越小，误差越小。铁芯电阻越大，感生润流越小，102越小，误差越小。
[0008]2、二次负载大小和性质。二次负载，包括二次绕组的寄生阻抗。误差与二次负载成正比，但负载增大后，铁芯磁感应强度变大，磁导率稍有提高，所以误差略小于正比增加。
[0009]3、二次绕组的匝数。误差与二次绕组匝数的平方成反比。因此增加二次绕组匝数，能减少互感器的误差。但增加二次绕组匝数的同时会增加二次绕组内阻，二次回路总阻抗变大，一定程度上增加了误差。
[0010]4、电网的频率。频率越大，误差越大，这本身又和铁芯特性有关。
[0011]5、一次电流大小。电流变大时比差、角差都将减小。然而电流变动很大,通常会在O到额定电流之间变化，因而，互感器误差是非线性的。
[0012]由于电流互感器本身材质的以及测量原理的影响，提高电流互感器的测量精度，一直是科技界在持续努力的工作。现有的提高互感器精度的技术，主要包括一研究更好的铁芯材料，从早期的低碳钢开始，发展为后来的多钟铁氧体、合金材料、粉芯材料、非晶及纳米晶软磁合金等等技术。这些改进，都是为了达到几个目的:提闻磁导率、提闻饱和磁感应强度、降低剩余磁感应强度、降低矫顽磁力、提高铁芯阻抗，一句话，就是提高铁芯的性能；增大铁芯截面，缩短磁路长度，使铁芯工作在磁感应强度不高的条件下；增加线圈匝数。增加线圈安匝会相应减小比差和角差；限制二次负载的影响，尽量减小二次负载；设计零磁通互感器，充分降低励磁影响。
[0013]现有的互感器输出测量电路虽然说是零负载电路，但是其实并不是零负载，因为互感器的寄生阻抗RO是事实上的负载，在这里没法消除，驱动互感器的输出负载的电压E2并不为零。再者，这种电路，受运放品质的影响，可能不稳定。第三，互感器的输出直接连接运放的输入，运放易受外部的干扰。
【发明内容】
[0014]为了克服现有技术的不足，本发明提出一种互感器寄生阻抗平衡补偿的互感器测量电路，其目的是提高测量互感器的测量精度，并用于对称差分输出。
[0015]为了解决上述的技术问题，本发明提出的基本技术方案为:用于对称差分输出，互感器的两个输出端口分别连接有运放电路，每个运放电路的同相输入端和其输出端之间并联滤波电路；
[0016]所述滤波电路包括串联在一起的电阻R2和电容Cl ；
[0017]所述运放电路的同相输入端与各自连接的互感器的输出端口之间串联电阻R1，所述运放电路的输出端与其反相输入端之间设置电阻R4 ;在两个运放电路的反相输入端之间依次串联两个电阻R5，并在两个电阻R5之间引出一输出端，该输出端为直流偏移参考电压Vref接入点，所述运放电路的同相输入端与其输出端并联电阻R3，其中电阻Rl、R3、R4、R5和互感器的二次侧的输出端口的等效电阻ROl和R02符合以下条件:R4/R3 = R5/(R1+R01)，R4/R3 = R5/(R1+R02)，ROl = R02。
[0018]优选的，所述互感器寄生阻抗平衡补偿的互感器测量电路中，互感器输出两端串接有移相补偿电路。
[0019]优选的，所述互感器寄生阻抗平衡补偿的互感器测量电路中，所述移相补偿电路包括串联在一起的电阻R7和电容C2。
[0020]优选的，所述互感器寄生阻抗平衡补偿的互感器测量电路中，所述电阻R7的阻值为20K?50K欧姆，所述电容C2的电容值为0.1yF?0.3 yF。
[0021]本发明的有益效果是:
[0022]1、真正的实现了互感器的零负载测量，只需要很小的一点能量，就能把一次侧的信息，传递给二次侧，所需要的这部分能量，消耗在励磁和铁损中，从而能够明显地提高测量精度。
[0023]2、相对于现有的电路，由于互感器输出与运放之间可以增加阻容滤波等电路，可以很好地保护运放，使得电路运行变得更加稳定可靠。
[0024]3、直流偏移电压Vref可以根据需求设置其大小，使得该电路发明既可以应用在单电源电路中，也可以应用在双电源电路中,应用灵活。
[0025]4、电路简单，成本低廉，相对于现有电路，实际成本几乎没增加。增加的电阻，每个包括加工费用，不超过3分钱人民币；相对于零磁通互感器，其增加的成本，完全可以忽略不计。
[0026]5、生产简单，一致性好。因为只是简单的增加几个阻容器件，对于现有的电路板生产工艺，增加的这些电路，容易实现流水线、自动化的生产。
[0027]6、本发明的技术方案中，根据需要提出了对称差分输出，有利于具体测量电路的使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为互感器寄生阻抗平衡补偿差分输出的互感器测量电路的电路图；
[0029]图2为实施例二的电路图。
【具体实施方式】
[0030]以下将结合附图1和附图2对本发明做进一步的说明，但不应以此来限制本发明的保护范围。
[0031]实施例一:
[0032]本发明中，将互感器的二次侧等效为电路10，该互感器二次侧等效电路10包括等效电流源12和等效阻抗RO (R0平分为ROl及R02)，12两端的电动势为E2，E2是驱动互感器二次侧负载(包括二次侧的内部阻抗，即寄生阻抗R0)所需的电压。在互感器的输出端c处连接有电阻R1，该电阻Rl连接一运放电路，运放电路的同相输入端e和该运放电路的输出端i并联电阻R3，运放电路的反相输入端g和运放电路的输出端i之间设置电阻R4，在运放电路的同相输入端e和其输出端i之间还并联一滤波电路，该滤波电路包括串联在一起的电阻R2和电容Cl。
[0033]具体的，在互感器二次侧等效电路的输出端d处也连接一运放电路，该运放电路与连接在互感器的输出端c处的运放电路完全一样，该运放电路也连接有电阻R2、R3、R4和滤波电路。简单的来说，以图1来说明，就是电路上下是对称的，上下两部分是完全一样的。
[0034]另外，在两个运放电路的反相输入端之间来连接有两个电阻R5，该两个电阻R5的阻值相同，即图中的g处和h处之间连接两个电阻R5，并且在两个电阻R5之间引出一输出端k，该k处接入直流偏移电压Vref。
[0035]本发明中，ROl和R02是互感器的寄生阻抗，可以很方便的测量出来。本电路中，两个电阻Rl加在互感器二次侧等效电路的输出端和运放电路之间是用于保护运放电路的。电阻R3、R01、R02和Rl在一起，将互感器的二次侧电流转换为后续电路可以使用的差分电压信号。而滤波电路用于过滤互感器传导过来的高频干扰信号。电阻R4、R5用来平衡阻抗ROl和R02，使得驱动互感器的输出负载电压E2为零，从而使得互感器的负载也为零。
[0036]具体的，这些电阻符合以下条件:
[0037]R4/R3 = R5/(R1+R01)，R4/R3 = R5/(Ri+R02)，ROl = R02。
[0038]根据运放虚短虚断的特点，e与g及f与h的电压分别相等(为了方便说明，其中e和g之间的电压定义为Ueg,如此类推)，Uig = Uie, Ugk = Uea,同样的Ukh = Ubf, Uhj= Ufj,这样使得驱动互感器的负载电压的E2为零。负载电压E2为零，负载也就为零，从而真正实现了零负载测量。同时，RU R3、R4、R5及R01、R02之间的关系，使得两个运放的输出Uop、Uon是以k点电压Vref为参考点的对称差分输出:
[0039]具体的 Uop-Uon = I2*(R3 + R1 + R01 + R02 + R1+R3)+E2 =12*(R3+R1+R01+R02+R1+R3)。
[0040]通过本技术方案，能够对互感器的二次侧寄生阻抗进行补偿，实现了互感器的真正零负载输出，提高了设备的测量精度，同时能够实现对称差分输出，满足了测量的需求。
[0041]实施例二:
[0042]本实施例和实施例一相比，在互感器的两输出端并联移相补偿电路，该电路包括电阻R7及电容C2 ;其中电阻R7的阻值为30K欧姆，所述电容C2的电容值为0.1 μ F。
[0043]根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的【具体实施方式】，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
【权利要求】
1.一种互感器寄生阻抗平衡补偿的互感器测量电路，用于对称差分输出，其特征在于:互感器的两个输出端口分别连接有运放电路，每个运放电路的同相输入端和其输出端之间并联滤波电路， 所述滤波电路包括串联在一起的电阻R2和电容Cl ； 所述运放电路的同相输入端与各自连接的互感器的输出端口之间串联电阻R1，所述运放电路的输出端与其反相输入端之间设置电阻R4;在两个运放电路的反相输入端之间依次串联两个电阻R5，并在两个电阻R5之间引出一输出端，该输出端为直流偏移参考电压Vref接入点，所述运放电路的同相输入端与其输出端并联电阻R3，其中电阻Rl、R3、R4、R5和互感器的二次侧的输出端口的等效电阻ROl和R02符合以下条件:R4/R3 = R5/(R1+R01)，R4/R3 = R5/(R1+R02)，ROl = R02。
2.如权利要求1所述的互感器寄生阻抗平衡补偿的互感器测量电路，其特征在于:互感器输出两端串接有移相补偿电路。
3.如权利要求2所述的互感器寄生阻抗平衡补偿的互感器测量电路，其特征在于:所述移相补偿电路包括串联在一起的电阻R7和电容C2。
4.如权利要求3所述的互感器寄生阻抗平衡补偿的互感器测量电路，其特征在于:所述电阻R7的阻值为20K?50K欧姆，所述电容C2的电容值为0.1yF?0.3 yF。
【文档编号】G01R15/18GK104459265SQ201410691793
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】王育松, 郑映, 王亚雄 申请人:深圳市普元电力技术有限公司