一种闭环电流互感器的制作方法

本实用新型涉及电流检测技术领域，尤其涉及一种闭环电流互感器。

背景技术：

现有的电力系统采用交流电压、大电流回路的方式把电力送往用户端，由于电压高、电流大，在对电力系统进行检测和监测时无法直接使用仪表进行测量。电流互感器应运而生，通过将交流电压和大电流按比例降低到较小的数值，从而可以直接使用仪表进行测量。在现有技术中，电流互感器包括开放式电流互感器和闭环电流互感器。如图1所示，为现有的闭环电流互感器的电路结构示意图，包括具有一缺口的聚磁环01，霍尔元件02放置在所述缺口处，匝数为n的补偿线圈03环绕在所述聚磁环01上，待测导体穿过所述聚磁环，与所述聚磁环01形成磁场关系。在现有的闭环电流互感器中，当待测电流ix经过所述待测导体时，所述霍尔元件02输出正比于待测电流ix产生的磁场大小的感应电压，所述感应电压经过放大器04后推动功率放大器05输出补偿电流iy驱动所述补偿线圈，使得补偿线圈03产生的磁场与所述待测电流ix产生的磁场的方向相反，以抵消待测电流ix产生的磁场，霍尔元件02输出的感应电压逐渐减小为0，聚磁环01内的磁场也变为0。当聚磁环01内的磁场为0时，补偿电流iy产生的磁场与待测电流ix产生的磁场大小相等，n*iy＝ix。通过检测电阻r上的电压值vo＝iy*r，从而可以得到待测电流ix＝n*vo/r。

当待测电流ix为正的直流电时，补偿电流iy也为正的直流电，由功率放大器05从正电源v+上吸收能量并输出所述补偿电流iy。在不考虑功率放大器本身所消耗的微弱的工作电流的前提下，所述补偿电流iy等于正电源v+输出的正电流i+，负电源v-提供的电流为零。同理，当待测电流ix为负的直流电时，由负电源v-输出所述补偿电流iy，正电源v+提供的电流为零。

然而，现有的检测仪表对外接电流互感器时可以提供的正负电源是有限的，比如某仪器只能给外部的传感器最大提供+12v0.5a的正电源、-12v0.5a的负电源。使用所述检测仪表为上面的闭环电流互感器供电时，每次只用到正电源/负电源来输出正的补偿电流/负的补偿电流驱动补偿线圈，而负电源/正电源是闲置的，正电源/负电源的负荷较大；另一方面，待测电流的大小受制于正电源或负电源的所能提供的最大电流，为最大电流与补偿线圈匝数的乘积。

技术实现要素：

本实用新型提供一种闭环电流互感器，以解决现有闭环电流互感器依靠单边电源输出补偿电流存在的电源负荷大、补偿电流大小受限的问题。

本实用新型的是这样实现的，一种闭环电流互感器，包括聚磁环、霍尔元件、功率放大电路、第一补偿线圈、第二补偿线圈、信号检测电路；

所述聚磁环为具有一缺口的环形结构导磁物质柱体；

所述霍尔元件位于所述聚磁环的缺口内，用于根据待测电流在所述聚磁环内产生的原边磁场生成感应电压；

所述第一补偿线圈和第二补偿线圈均为多匝线圈，以相同的绕线方向缠绕在所述聚磁环相对的两侧上；

所述功率放大电路的输入端与所述霍尔元件的输出端连接，所述功率放大电路的输出端分别与所述第一补偿线圈的第一端、所述第二补偿线圈的第一端连接；

所述第一补偿线圈的第二端与所述信号检测电路的第一输入端连接，所述第二补偿线圈的第二端与所述信号检测电路的第二输入端连接，所述信号检测电路的输出端作为所述闭环电流互感器的输出端；

当待测导线穿过所述聚磁环且流过待测电流时，所述聚磁环内部产生原边磁场，所述霍尔元件用于根据所述原边磁场感产生感应电压；所述功率放大电路用于根据所述感应电压同步利用正负电源输出互为反向的第一补偿电流和第二补偿电流，所述第一补偿电流用以驱动所述第一补偿线圈，所述第二补偿电流用以驱动所述第二补偿线圈，使得所述第一补偿线圈和第二补偿线圈产生可叠加的磁场；所述信号检测电路用于检测所述第一补偿电流和第二补偿电流，并根据所述第一补偿电流和第二补偿电流输出电压测量值；当所述第一补偿线圈和第二补偿线圈产生的补偿磁场叠加后刚好抵消所述待测电流产生的原边磁场时，所述信号检测电路输出的电压测量值正比于所述待测电流。

可选地，所述功率放大电路包括运算放大器、第一功率放大器和第二功率放大器；所述第一功率放大器和第二功率放大器互为反相的功率放大器，其中所述第一功率放大器的电压放大倍数为k，所述第二功率放大器的电压放大倍数为-k；

所述运算放大器的输入端与所述霍尔元件的输出端连接；

所述运算放大器的输出端分别与所述第一功率放大器的输入端和第二功率放大器的输入端连接；

所述第一功率放大器的输出端与所述第一补偿线圈的第一端连接，所述第二功率放大器的输出端与所述第二补偿线圈的第一端连接；

所述第一功率放大器和所述第二功率放大器的电源输入端共接于同一正电源和负电源。

可选地，所述第一功率放大器和所述第二功率放大器的电源输入端共接于同一正电源和负电源，所述正电源和负电源由检测仪表提供。

可选地，所述信号检测电路包括第一电阻、第二电阻和差分放大器；

所述第一电阻的第一端与所述第一补偿线圈的第二端之间的共接点与所述差分放大器的正相输入端连接，所述第二电阻的第一端与所述第二补偿线圈的第二端之间的共接点与所述差分放大器的反相输入端连接；

所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第二端共接于浮地输出；

所述差分放大器的输出端作为所述闭环电流互感器的输出端。

可选地，所述第一补偿线圈与所述第二补偿线圈的匝数相同，所述第一电阻与所述第二电阻的阻值相同。

可选地，所述第一补偿线圈与所述第二补偿线圈的匝数不相同，所述第一补偿线圈的匝数与所述第一电阻的阻值之比等于所述第二补偿线圈的匝数与所述第二电阻的阻值之比。

可选地，所述聚磁环为圆环或方环。

本实用新型提供的闭环电流互感器，包括聚磁环、霍尔元件、功率放大电路、第一补偿线圈、第二补偿线圈、信号检测电路，通过所述功率放大电路输出互为反向的补偿电流分别驱动所述第一补偿线圈和第二补偿线圈，使得所述第一补偿线圈和第二补偿线圈产生的补偿磁场叠加后再抵消待测电流产生的原边磁场，从而可以同步用到正电源和负电源来输出补偿电流来驱动补偿线圈，正负电源同时工作，有利于降低补偿电流，有效地解决了现有闭环电流互感器依靠单边电源输出补偿电流存在的电源负荷大的问题；且通过信号检测电路同步检测正的补偿电流和负的补偿电流得到输出电压值，在不改变检测仪表对外接电流互感器提供的最大电流的条件下，可有效扩大待测电流的可检测范围。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有的闭环电流互感器的电路结构示意图；

图2是本实用新型一实施例提供的闭环电流互感器的电路结构示意图；

图3是本实用新型一实施例提供的闭环电流互感器的电路结构示意图；

图4是本实用新型一实施例提供的闭环电流互感器的磁场示意图；

图5是本实用新型一实施例提供的闭环电流互感器的磁场示意图；

图6是本实用新型一实施例提供的闭环电流互感器的电路结构示意图。

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。

本实用新型提供一种闭环电流互感器，所述闭环电流互感器可以用于检测电力系统中的直流电或者交流电，通过双线圈的补偿线圈设计，输出正负补偿电流驱动两个补偿线圈产生可叠加的磁场，来抵消待测电流产生的磁场，进而测量补偿电流在电流检测电阻上的压降，来推测出待测电流。图2示出了本实用新型实施例提供的闭环电流互感器的电路结构示意图。如图2所示，所述闭环电流互感器包括聚磁环10、霍尔元件20、功率放大电路30、第一补偿线圈40、第二补偿线圈50、信号检测电路60。

所述聚磁环10为具有一缺口的环形结构导磁物质柱体；

所述霍尔元件20位于所述聚磁环10的缺口内，用于根据待测电流在所述聚磁环10内产生的原边磁场生成感应电压；

所述第一补偿线圈40和第二补偿线圈50均为多匝线圈，以相同的绕线方向缠绕在所述聚磁环相对的两侧上；

所述功率放大电路30的输入端与所述霍尔元件20的输出端连接，所述功率放大电路30的输出端分别与所述第一补偿线圈40的第一端、所述第二补偿线圈50的第一端连接；

所述第一补偿线圈40的第二端与所述信号检测电路60的第一输入端连接，所述第二补偿线圈50的第二端与所述信号检测电路60的第二输入端连接，所述信号检测电路60的输出端作为所述闭环电流互感器的输出端。

当待测导线穿过所述聚磁环10且流过待测电流时，所述聚磁环10内部产生原边磁场，所述霍尔元件20用于根据所述原边磁场感产生感应电压；所述功率放大电路30用于根据所述感应电压同步利用正负电源输出互为反向的第一补偿电流和第二补偿电流，所述第一补偿电流用以驱动所述第一补偿线圈40，所述第二补偿电流用以驱动所述第二补偿线圈50，使得所述第一补偿线圈40和第二补偿线圈50产生可叠加的磁场；所述信号检测电路60用于检测所述第一补偿电流和第二补偿电流，并根据所述第一补偿电流和第二补偿电流输出电压测量值。当所述第一补偿线圈40和第二补偿线圈50产生的补偿磁场叠加后刚好抵消所述待测电流产生的原边磁场时，所述信号检测电路60输出的电压测量值正比于所述待测电流。

在本实施例中，待测导体置于所述聚磁环10内，所述聚磁环10为圆环或方环。当待测电流流i1过所述待测导体时，在所述聚磁环10内产生原边磁场，所述原边磁场的大小与所述待测电流i1的大小成正比。所述霍尔元件20用于感应所述原边磁场的大小，根据所述原边磁场大小生成感应电压，并将所述感应电压输出至所述功率放大电路30。所述功率放大电路30的正负电源分别接检测仪表提供的正负电源，用于对所述感应电压进行调整，然后输出互为反向的第一补偿电流i2和第二补偿电流i3。其中所述第一补偿电流i2用于驱动所述第一补偿线圈40，使所述第一补偿线圈40产生补偿磁场；所述第二补偿电流i3用于驱动所述第二补偿线圈50，使所述第二补偿线圈50产生补偿磁场。由于所述第一补偿线圈40和第二补偿线圈50缠绕在所述聚磁环10相对的两侧上，且绕线方向相同，当互为反向的第一补偿电流i2、第二补偿电流i3分别流过第一补偿线圈40、第二补偿线圈50时，根据安倍定则，可以得到所述第一补偿线圈40和第二补偿线圈50在所述聚磁环内10产生的补偿磁场的方向是相同的，两个补偿磁场是可叠加的。所述信号检测电路60用于检测所述第一补偿电流i2和第二补偿电流i3通过电流检测电阻后产生的压降，生成并输出电压测量值。当霍尔元件20的感应电压为零时，所述聚磁环10内的磁场为零，即所述第一补偿线圈40和第二补偿线圈50产生的补偿磁场叠加后刚好抵消所述待测电流产生的原边磁场，此时，所述信号检测电路60输出的电压测量值vo正比于所述待测电流i1。根据信号检测电路60输出的电压测量值vo，可以推导出所述待测电流i1，从而实现对待测电流i1的检测。应当理解，上述图2中第一补偿线圈40和第二补偿线圈50的绕线方式仅为本实用新型的一个示例，在实际应用中还可以是与图2所示的相反的绕线方式。

本实施例通过双线圈的补偿线圈设计，并结合所述功率放大电路30同步利用正负电源输出互为反向的补偿电流来驱动所述补偿线圈，有利于降低补偿电流，避免了仅用正电源或负电源输出补偿电流来驱动补偿线圈，有效地解决了现有闭环电流互感器依靠单边电源输出补偿电流存在的电源负荷大的问题；通过信号检测电路同步检测正的补偿电流和负的补偿电流输出检测电压值，在不改变检测仪表对外接电流互感器提供的最大电流的条件下，可有效扩大待测电流的可检测范围。

具体地，作为一种实施方式，如图3所示，所述功率放大电路30包括运算放大器a1、第一功率放大器a2和第二功率放大器a3；所述第一功率放大器a2和第二功率放大器a3互为反相的功率放大器，其中所述第一功率放大器a2的电压放大倍数为k，所述第二功率放大器a3的电压放大倍数为-k；

所述运算放大器a1的输入端与所述霍尔元件20的输出端连接；

所述运算放大器a1的输出端分别与所述第一功率放大器a2的输入端和第二功率放大器a3的输入端连接；

所述第一功率放大器a2的输出端与所述第一补偿线圈40的第一端连接，所述第二功率放大器a3的输出端与所述第二补偿线圈50的第一端连接；

所述第一功率放大器a2和所述第二功率放大器a3的电源输入端共接于同一正电源v+和负电源v-。

本实施例在现有闭环电流互感器的基础上增加了一个功率放大器，共有两个功率放大器，即第一功率放大器a2和第二功率放大器a3。所述第一功率放大器a2的电压放大倍数与第二功率放大器a3的电压放大倍数的大小相同，方向相反，电源输入端分别连接检测仪表提供的正电源和负电源，输出端分别连接第一补偿线圈40和第二补偿线圈50。所述霍尔元件20产生的感应电压提供给所述运算放大器a1后，所述运算放大器a将所述感应电压进行放大，然后提供给所述第一功率放大器a2、第二功率放大器a3，以驱动所述第一功率放大器a2、第二功率放大器a3产生相互反向的第一补偿电流i2、第二补偿电流i3，进而驱动所述第一补偿线圈40和第二补偿线圈50产生可叠加的补偿磁场。

若所述第一功率放大器a2的电压放大倍数为k、所述第二功率放大器a3的电压放大倍数为-k(k为正数)时，第一功率放大器a2和第二功率放大器a3输出的电流是反向的。为了便于理解，以图2所示补偿线圈的绕线方向为例，如图4所示，当所述待测导体上通过的待测电流i1为正电流时，这里定义从a点流向b点的待测电流为正电流，待测电流i1在聚磁环10内产生顺时针方向的原边磁场，同时所述霍尔元件20根据所述原边磁场产生正的感应电压，提供给所述运算放大器a1，所述运算放大器a1对所述感应电压进行放大，然后提供给所述第一功率放大器a2和第二功率放大器a3。所述第一功率放大器a2从正电源吸收能量并放大k倍后产生第一补偿电流i2，所述第二功率放大器a3从正电源吸收能量并放大-k倍后产生第二补偿电流i3。其中所述第一补偿电流i2为正电流，用于驱动所述第一补偿线圈40，使所述第一补偿线圈40在所述聚磁环10内产生逆时针方向的补偿磁场；所述第二补偿电流i3为负电流，用于驱动所述第二补偿线圈50，使所述第二补偿线圈50在所述聚磁环10内产生逆时针方向的补偿磁场。两个补偿磁场的方向是相同的、可叠加的，且与待测电流产生的原边磁场方向相反，从而可以抵消待测电流产生的原边磁场。

如图5所示，当所述待测导体上通过的待测电流i1为负电流时，这里定义从b点流向a点的待测电流i1为负电流，待测电流i1在聚磁环10内产生逆时针方向的原边磁场，同时所述霍尔元件20根据所述原边磁场产生负的感应电压，提供给所述运算放大器a1，所述运算放大器a1对所述感应电压进行放大，然后提供给所述第一功率放大器a2和第二功率放大器a3。所述第一功率放大器a2从负电源吸收能量并放大k倍产生第一补偿电流i2，所述第二功率放大器a3从负电源吸收能量并放大-k倍产生第二补偿电流i3。其中所述第一补偿电流i2为负电流，用于驱动所述第一补偿线圈40，使所述第一补偿线圈40在所述聚磁环10内产生顺时针方向的补偿磁场；所述第二补偿电流i3为正电流，用于驱动所述第二补偿线圈50，使所述第二补偿线圈50在所述聚磁环10内产生顺时针方向的补偿磁场。两个补偿磁场的方向是相同的、可叠加的，且与待测电流产生的原边磁场方向相反，从而可以抵消待测电流产生的原边磁场。

本实施例通过增加一个和原有功率放大器互为反向的功率放大器，通过两个功率放大器分别从正电源和负电源吸收能量产生补偿电流，驱动补偿线圈，有利于降低补偿电流，避免了仅用正电源或负电源输出补偿电流来驱动补偿线圈，有效地解决了现有闭环电流互感器依靠单边电源输出补偿电流存在的电源负荷大的问题。

具体地，作为一种实施方式，如图6所示，所述信号检测电路60包括第一电阻r1、第二电阻r2和差分放大器a4；所述第一电阻r1与所述第二电阻r2的阻值相同；

所述第一电阻r1的第一端与所述第一补偿线圈40的第二端之间的共接点与所述差分放大器a4的正相输入端连接，所述第二电阻r2的第一端与所述第二补偿线圈50的第二端之间的共接点与所述差分放大器a4的反相输入端连接；

所述第一电阻r1的第二端与所述第二电阻r2的第二端共接于浮地输出；

所述差分放大器a4的输出端作为所述闭环电流互感器的输出端。

在本实施例中，所述信号检测电路60用于在聚磁环10内部的磁场为零时输出正比于待测电流的电压值。若待测电流为i1，第一补偿线圈40的匝数为n1，第二补偿线圈50的匝数为n2，第一补偿电流为i2，第二补偿电流为i3，当所述聚磁环10内的磁场为零时，可以得到i1＝n1*i2+n2*i3(1)。在检测端，本实施例通过在第一补偿线圈40对地串联第一电阻r1，在第二补偿线圈50对地串联第二电阻r2，当所述差分放大器a4的电压放大倍数为1时，所述差分放大器a4的输出端输出的电压检测值vo是r1电阻上的电压v1与r2电阻上的电压v2之和vo＝v1+v2，其中v2＝i2*r1，v2＝i3*r2。当聚磁环10内部的磁场为零时，可以得到i1＝v1*n1/r1+v2*n2/r2(2)。选择合适的r1和r2就可以得到vo和电流i1的对应关系。

可选地，作为本实用新型的一个实施例，为了便于求解方程，提升用户使用闭环电流互感器的用户体验，可以令所述第一补偿线圈40与第二补偿线圈50的匝数相同，均为n，以及令第一电阻r1的阻值与第二电阻r2的阻值相同，均为r，当聚磁环10内部的磁场为零时，i1＝n1*i2+n2*i3＝n(i2+i3)，即(i2+i3)＝i1/n(3)，vo＝r*i2+r*i3＝r(i2+i3)＝r*i1/n(4)，在检测到输出的电压检测值vo后，根据所述公式(4)即可换算出待测电流i1，从而完成对待测电流的检测。

可选地，作为本实用新型的另一个实施例，当所述第一补偿线圈40与所述第二补偿线圈50的匝数不相同时，所述第一补偿线圈40的匝数与所述第一电阻的阻值之比等于所述第二补偿线圈50的匝数与所述第二电阻的阻值之比，即n1/r1＝n2/r2(5)，当聚磁环10内部的磁场为零时，vo＝v1+v2，i1＝n1*i2+n2*i3＝v1*n1/r1+v2*n2/r2＝(v1+v2)*n1/r1(6)，在检测到输出的电压检测值vo后，根据所述公式(6)即可换算出待测电流i1，从而完成对待测电流的检测。

需要说明的是，上述实施例以所述差分放大器a4的电压放大倍数为1进行说明，在其他的一些实施方式中，所述差分放大器a4的电压放大倍数也可以为其他放大倍数，通过调整差分放大器a4的电压放大倍数，可以改变用户的在检测仪表上的读数范围，以便用户读数。

进一步地，如果检测仪表提供的正负电源为+12v0.5a、-12v0.5a时，假设补偿线圈的匝数是100t，当待测电流ix为正的时候，现有的闭环电流互感器只使用正电源+12v0.5a来驱动补偿线圈，负电源-12v0.5a是闲置的，补偿电流iy的最大值为0.5a，此时的闭环电流互感器可测量的最大待测电流ix＝100*iy＝50a。通过本实施例的闭环电流互感器，可同时使用正电源+12v0.5a和负电源-12v0.5a来驱动补偿线圈，第一补偿电流i2和第二补偿电流i3的最大值均为0.5a，此时的闭环电流互感器可测量的最大待测电流i1＝n(i2+i3)＝100(i2+i3)＝100a，待测电流的可测量范围是现有单线圈的闭环电流互感器的两倍。

综上所述，在通过功率放大电路30同步输出正的补偿电流和负的补偿电流产生可叠加的补偿磁场后，本实施例通过再增加一组功率放大器和电流检测电阻，分别检测第一补偿电流和第二补偿电流，再通过差分放大器a4对第一补偿电流产生的压降和第二补偿电流产生的压降进行叠加作为电压检测值，在不改变检测仪表对外接电流互感器提供的最大电流的条件下，相比于单线圈的闭环电流互感器，可有效地扩大待测电流的可检测范围，达到原有待测电流检测范围的2倍。

可选地，作为本实用新型的一个优选示例，所述第一补偿线圈可以由一个或多个线圈组成，当所述第一补偿线圈40包括m1个线圈时，则所述功率放大电路30包括m1个第一功率放大器a2，所述信号检测电路60包括m1个第一电阻r1，其中一个线圈与一个第一功率放大器a2、第一电阻r1组成一条补偿电流通路，即每一个线圈的第一端连接一个第一功率放大器a2的输出端，第二端连接一个第一电阻的第一端。所述第二补偿线圈也可以由一个或多个线圈组成，当所述第二补偿线圈50包括m2个线圈时，则所述功率放大电路30包括m2个第二功率放大器a3，所述信号检测电路60包括m2个第二电阻r2，其中一个线圈与一个第二功率放大器a3、第二电阻r2组成一条补偿电流通路，即每一个线圈的第一端连接一个所述第二功率放大器a2的输出端，第二端连接一个所述第二电阻的第一端。其中m1和m2均为正整数，m1与m2可以相同也可以不同。此处不做限制

以上所述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。