[发明专利]差分电流传感方法和设备

说明书

本发明涉及用于检测电流的电流传感器，更具体地，涉及产生与所检测的输入电流有关的输出信号的电流传感器。

许多电器，诸如用于测量电功率和电能消耗的感应式或电子型电度表，需要用来传感线电流和产生与线电流有关的输出信号的电流传感器。这些电器要求传感器在线电流的很大范围内都是精确的。

多年来，感应式电度表一直被用来测量单个电能用户的能耗，以千瓦小时计量。感应式电度表典型地有分离的电压线线圈和电流线圈以及由两线圈中磁通量的结合所驱动的转盘。常规的感应式电度表包括电流传感电路，其中承载线电流的导体绕在铁芯上以形成电流线圈。由于电流流过导体，在铁芯中产生磁通。铁芯中的磁通与从类似的电压线圈产生的磁通相结合，使转盘以与用户电能消耗量有关的速率旋转。

电流变换器连同上述的电流传感电路被使用，以便按比例缩减相当大的线电流，也就是大于约320安培的电流，这是由于为适当地按比例缩减这样大的线电流而需要绕在铁芯上的圈数会变得大到难以做到。电流变换器装在线导体与电流传感电路之间。通常在这种电流变换器额定具有次级绕组5安培的标称电流时，约20安培的次级电流可以流过而不超过变流器的热定额。这样，即使在导体和电流传感电路之间引入电流变换器后，感应电度表仍能测量相当大的电流，例如20安培。

然而，这类相当大的电流并不能被电子型电度表精确地检测，所述电子型电度表典型地利用电子电路或集成电路测量单个电能用户的电流和电压用量。集成电路被设计成接受和测量小信号电平，例如典型地小于5毫安和小于5伏。因此电子型电度表中的电流传感器必须具有大的变换比，以便把相当大的线电流按比例缩减成传感器集成电路可接受的相当小的输入电平。

为了产生这种相当小的输出信号，常规的电流变换器会变得非常大和非常昂贵。这种增加的尺寸和费用，部分是由于对正常的运转要求初级和次级绕组的安培圈数必须相等。绕组圈数也必须被选成使最大的线电流比例缩减成集成电路的5mA电流限制。由于线电流一般地从0.5A变到200A，一般的电流变换器的变换比需要大约为100，000∶1，以便把200A变换成小于5mA的值。100，000∶1的变换比需要相当大的绕组圈数以及非常大和非常昂贵的电流变换器。

除了非常大和非常昂贵以外，如果线导体中的交流电流被叠加在直流电流上，则一般的电流变换器的磁芯就会饱和。直流电流以及因之而造成的磁芯的饱和，通常是由于连接到线导体的不同电器所造成的交流信号的半波整流，或者是人为故意地把直流电流分量加到线导体以使电表出错，阻止正常的电流检测和电能消耗的测量

更进一步地，常规的电流变换器产生外磁场，它会影响邻近的电器，例如在多相电度表中的其它的电流变换器。常规的电流变换器中的电流变换反过来也可受外界源的入射磁场的影响，例如多相电度表中所用的邻近的电流传感器。

这种常规电流变换器的交流电流传感器是由1980年1月颁发的Wolf等人的美国专利NO    4，182，982和1985年1月颁发的Milkovic的美国专利NO    4，492，919（以后分别简称为′982和′919专利）所提供的。′982和′919专利揭示了把线导体分割成具有不同横截面积的一个或多个主分支通路和一个并行的辅助分支通路。电流在这两个分支通路之间分流，基本上正比于这两个通路的横截面积。辅助分支通路穿过环状磁芯的通孔。环状磁芯、形成一圈初级线圈的辅助分支通路以及绕在环状磁芯上的许多圈的次级绕组的组合构成了电流变换器。

在′982和′919专利中所揭示的分支通路由铜组成，由于铜具有显著的电阻温度系数，所以其电阻值随温度涨落有明显变化。另外，为了在可能的线电流的大范围内适当按比例缩小线电流，初级分支通路和辅助分支通路的横截面积可以分别变得特别大和特别小。更进一步地，并行的初级分支通路和辅助分支通路不但受外源所产生的磁场影响，也受其它分支通路中电流所产生的磁场影响。例如，初级分支通路中的电流受辅助分支通路中电流所产生的磁场影响。另外，电流分流器中并行导体之间的磁耦合会在两平行导体之间产生互感。此互感把相当简单的电阻分流器变成复杂的有电流相移的阻抗分流器，根据互感具有主分支通路和并行的辅助通路中的相移。因为足够的测量精度需要电流传感器按比例输出信号的幅度和相位角应该精确地反映线电流的幅度和相位角，并行分支通路中的这种相移，反过来又受电流传感器的输出信号所影响，损害了测量精度。