電流傳感器的制造方法
【專利摘要】提供了一種用于測量也運(yùn)載AC電流（Iac）的初級(jí)導(dǎo)體（40）中的DC電流（I^）的電流傳感器（70）。所述電流傳感器包括鐵磁芯（50），所述初級(jí)導(dǎo)體可延伸通過所述鐵磁芯。所述芯具有形成在其中的窄氣隙（56），并且磁通量傳感器（58）被放置在所述氣隙中。次級(jí)繞組（60）被安裝到所述芯并具有連接在其中的阻抗（72）。所述阻抗在所述AC電流的一個(gè)或多個(gè)頻率處具有基本上為零的值。所述阻抗可以是短路或包括電容器（76）和電感器（74）的阻抗源。
【專利說明】電流傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器，并且更具體地涉及用于測量在也運(yùn)載AC電流的導(dǎo)體中的DC電流。
【背景技術(shù)】
[0002]用于測量DC電流的電流傳感器是已知的。圖1中示出一種類型的常規(guī)電流傳感器10，并且被稱為開環(huán)霍爾(Hall)效應(yīng)電流傳感器。電流傳感器10包括具有氣隙14的鐵磁芯12，氣隙14具有放置在其中的用于測量磁通量的霍爾元件16。初級(jí)導(dǎo)體18延伸通過芯12的中心并運(yùn)載通過初級(jí)導(dǎo)體18的電流。如果初級(jí)導(dǎo)體18既運(yùn)載AC電流又運(yùn)載DC電流，則總的初級(jí)電流(Iltti)可以表示為在芯12中以及在氣隙14中的通量密度與總的初級(jí)電流成比例。因此，霍爾元件16產(chǎn)生與電流成比例的電壓V0=V0ac;+V0d。。
[0003]如果在初級(jí)導(dǎo)體18中的AC電流顯著地大于DC電流，則Vode〈〈Voa。。在這種情況下，具有低通濾波器特性的放大器20用于提取感興趣的信號(hào)Vode。放大器20對(duì)DC分量Vodc提供大的增益，而使AC分量Voa。衰減。
[0004]當(dāng)在初級(jí)導(dǎo)體18中的AC電流顯著地大于DC電流時(shí)，上述系統(tǒng)有許多缺點(diǎn)。一個(gè)缺點(diǎn)是氣隙14的尺寸。因此由Ia。所產(chǎn)生的磁通量比由Id。所產(chǎn)生的磁通量大許多倍，因此氣隙14必須較大，以便芯12不會(huì)因?yàn)橛蒊a。所產(chǎn)生的大量磁通而飽和。氣隙14的大尺寸降低了傳感器10的基本靈敏度，該靈敏度如每單位初級(jí)電流的傳感器輸出電壓所限定的。另一個(gè)缺點(diǎn)是通過芯12的大量AC分量的通量，這些通量將在芯12中產(chǎn)生鐵芯損耗和熱量。又一個(gè)缺點(diǎn)是用于提取并對(duì)小信號(hào)Vod。進(jìn)行放大的放大器20也對(duì)霍爾元件16的誤差分量(例如偏移電壓)進(jìn)行放大，從而減少Id。測量的總體精度。
[0005]基于上述，在現(xiàn)有技術(shù)中存在對(duì)用于測量也運(yùn)載著AC電流的導(dǎo)體中的DC電流的改進(jìn)的電流傳感器的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于測量也運(yùn)載著AC電流的初級(jí)導(dǎo)體中的DC電流的電流傳感器。所述電流傳感器包括鐵磁芯，所述初級(jí)導(dǎo)體可延伸通過所述鐵磁芯。所述芯具有形成在其中的氣隙。磁通量傳感器被放置在所述氣隙中。次級(jí)繞組被安裝到所述芯。所述次級(jí)繞組具有連接在其中的阻抗。所述阻抗在AC電流的一個(gè)或多個(gè)頻率處具有基本上為零的值。所述氣隙具有小于所述磁通量傳感器的厚度的兩倍的寬度。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，還提供了用于通過一個(gè)或多個(gè)初級(jí)導(dǎo)體連接到公用電網(wǎng)的逆變器系統(tǒng)。所述逆變器系統(tǒng)包括用于通過所述一個(gè)或多個(gè)初級(jí)導(dǎo)體連接到所述公用電網(wǎng)的逆變器。所述逆變器系統(tǒng)還包括用于連接到所述一個(gè)或多個(gè)初級(jí)導(dǎo)體的一個(gè)或多個(gè)電流傳感器。所述電流傳感器中的每個(gè)電流傳感器具有以上所描述的結(jié)構(gòu)。
【專利附圖】

【附圖說明】[0008]參照以下描述、所附權(quán)利要求書以及附圖將更好地理解本發(fā)明的特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0009]圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的電流傳感器；
[0010]圖2示出具有根據(jù)本發(fā)明所實(shí)施的一個(gè)或多個(gè)電流傳感器的公用交互逆變器系統(tǒng)；
[0011]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例所構(gòu)造的第一電流傳感器的側(cè)視圖；
[0012]圖4示出第一電流傳感器的俯視圖；
[0013]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例所構(gòu)造的第二電流傳感器的側(cè)視圖；
[0014]圖6示出具有第一構(gòu)造的第二電流傳感器的側(cè)視圖；
[0015]圖7示出具有第一構(gòu)造的第二電流傳感器對(duì)于初級(jí)電流的不同頻率的響應(yīng)；
[0016]圖8示出具有第二構(gòu)造的第二電流傳感器的側(cè)視圖；以及
[0017]圖9示出具有第二構(gòu)造的第二電流傳感器對(duì)于初級(jí)電流的不同頻率的響應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】
[0018]應(yīng)當(dāng)注意的是，在以下的詳細(xì)描述中，相同組件具有同樣的附圖標(biāo)記，不管它們是否在本發(fā)明的不同實(shí)施例中示出。還應(yīng)當(dāng)注意的是，為了清楚和簡潔地公開本發(fā)明，附圖可能不必按照比例并且本發(fā)明的某些特征可能以稍示意的形式來示出。
[0019]現(xiàn)在參照?qǐng)D2，示出了公用交互逆變器系統(tǒng)30，其利用根據(jù)本發(fā)明所實(shí)施的一個(gè)或多個(gè)電流傳感器32。逆變器系統(tǒng)30具有用于將如風(fēng)力渦輪機(jī)、燃料電池、以及光電太陽能電池的可再生能量源聯(lián)接到AC公用電網(wǎng)34的特定用途。逆變器系統(tǒng)30包含逆變器36，所述逆變器36從DC源38 (諸如可再生能量源)接收DC電壓，并將DC電壓轉(zhuǎn)變成AC電流。逆變器36可以是單相或三相，并可操作地在電網(wǎng)頻率(例如50Hz或60Hz)處執(zhí)行從DC到AC的電力轉(zhuǎn)換，以及調(diào)節(jié)饋入到公用網(wǎng)絡(luò)34的電力。逆變器36包括多個(gè)電力電子開關(guān)，諸如絕緣柵門極晶體管(IGBT)。逆變器36通過一個(gè)或多個(gè)線路或初級(jí)導(dǎo)體40 (取決于相的數(shù)量)連接到公用網(wǎng)絡(luò)34。電流傳感器32被安裝到每個(gè)初級(jí)導(dǎo)體40，并可操作地準(zhǔn)確地測量其中的DC電流。基于微處理器的電流控制器42連接到(多個(gè))電流傳感器32，以從電流傳感器接收(多個(gè))DC電流測量結(jié)果。電流控制器42連接到逆變器36并可操作地控制逆變器36中的開關(guān)。
[0020]逆變器系統(tǒng)10被分類成無變壓器系統(tǒng)，這是因?yàn)樵谀孀兤?6和公用網(wǎng)絡(luò)34之間沒有使用隔離變壓器。當(dāng)使用此類無變壓器系統(tǒng)時(shí)，電網(wǎng)調(diào)節(jié)通常要求饋入公用網(wǎng)絡(luò)的電流必須主要是AC，并且必須將DC電流的量限制到非常低的水平，通常小于系統(tǒng)額定值的1%。電流控制器42使用由(多個(gè))電流傳感器32所測量的DC電流，來適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)逆變器36中的開關(guān)的切換模式，以便進(jìn)入到公用網(wǎng)絡(luò)34的DC電流的量幾乎為零，即，提供給公用網(wǎng)絡(luò)34的總電流中的大約0.1%是DC電流。
[0021]現(xiàn)在參照?qǐng)D3和圖4，示出了電流傳感器32的更詳細(xì)的視圖，所述電流傳感器32被構(gòu)造以便主要響應(yīng)于初級(jí)導(dǎo)體40中的總的初級(jí)電流(Iph)的DC分量(Id。)，同時(shí)排斥AC分量(Ia。)。電流傳感器32包含由諸如高導(dǎo)磁合金(包含大約75%鎳、15%鐵、加銅和鑰的合金)的鐵磁材料組成的芯50。芯50可以是矩形并具有一對(duì)間隔開的支柱52和分別固定到支柱的相對(duì)端部的一對(duì)軛54。可替換地，芯50在外形上可以是環(huán)形。初級(jí)導(dǎo)體40延伸通過芯50，諸如在支柱52之間和在軛54之間。芯50的一部分(諸如支柱52中的一個(gè)支柱)具有形成在其中的氣隙56。諸如霍爾元件的磁通量傳感器58被放置在氣隙56中。氣隙56非常小，具有小于磁通量傳感器58的厚度的兩倍的寬度(例如在支柱52的方向中)，更具體地小于磁通量傳感器58的1.5倍厚度。在一些實(shí)施例中，氣隙56可以僅稍微大于磁通量傳感器58的厚度。次級(jí)繞組60繞支柱52纏繞，在具有氣隙56形成在其中的支柱52的對(duì)面。次級(jí)繞組60由一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體的匝組成，該導(dǎo)體由諸如銅的金屬組成。導(dǎo)體的單個(gè)匝已經(jīng)發(fā)現(xiàn)工作的非常好并且假設(shè)存在于以下的描述中。導(dǎo)體的端部連接在一起以便對(duì)次級(jí)繞組60進(jìn)行短路。
[0022]具有低通濾波器特性的放大器64用于提取感興趣的信號(hào)，Vodc0放大器64對(duì)DC分量Vod。提供增益，而使AC分量Voa。衰減。
[0023]現(xiàn)在，將描述傳感器32的操作。初級(jí)導(dǎo)體40中的初級(jí)電流IPri=Iac;+Id。建立分別與Ia。和Id。成比例的磁通量的AC分量和DC分量。磁通量的AC部分在次級(jí)繞組60中感應(yīng)AC電壓。因?yàn)榇渭?jí)繞組60是短路繞組，因此在次級(jí)繞組60中所感應(yīng)的電流(I.)在幅度上基本相等，但是與初級(jí)導(dǎo)體40的AC電流分量(Ia。)的極性相反。最后的結(jié)果是由Ia。所產(chǎn)生的磁通量的AC分量基本被由所感應(yīng)的次級(jí)電流Ise。所產(chǎn)生的磁通量抵消。因此，如由磁通量傳感器58所感受的芯50中的通量主要是由于DC電流所產(chǎn)生的。這是由于在氣隙56中的通量僅包括由于DC分量(Id。)所產(chǎn)生的通量以及由于沒有被所感應(yīng)的次級(jí)電流(I.)所產(chǎn)生的通量抵消掉的由AC分量(Ia。)所產(chǎn)生的AC通量中的小部分AC通量。
[0024]因?yàn)樾?0不必運(yùn)載由于Iae的所產(chǎn)生的大量的AC通量，因此沒有使芯50飽和的危險(xiǎn)。因此，當(dāng)與圖1中所示出的現(xiàn)有技術(shù)的傳感器10中所使用的氣隙14相比，可以大幅地減少氣隙56。在這一點(diǎn)上，要注意的是，所要求的氣隙尺寸與初級(jí)導(dǎo)體40中負(fù)責(zé)產(chǎn)生芯50中的磁通量的“凈”初級(jí)電流(AC加DC)成比例。短路次級(jí)繞組60的結(jié)果是，產(chǎn)生磁通量的凈初級(jí)電流的大小可以幾乎為小于現(xiàn)有技術(shù)傳感器10中所產(chǎn)生的20倍，從而允許在尺寸上顯著地減少氣隙56。因此，電流傳感器32的靈敏度得以大幅地增加。磁通量傳感器58的輸出Vo主要由與Id。成比例的信號(hào)Vod。組成，但是在較高的幅度，這是由于電流傳感器32的增加的靈敏度。由于芯50中的殘余AC通量，因此非常少量的Voa。也存在于Vo中。因?yàn)殡娏鱾鞲衅?2的靈敏度高得多，因此大幅降低了提取Vod。的放大要求，從而減少了由于偏移電壓和由于環(huán)境溫度變化的偏移電壓漂移的不準(zhǔn)確性。
[0025]如上所述，電流傳感器32基本只允許芯50中的DC磁通量，并且基本上消除了磁通量中的AC分量，從而使得電流傳感器32響應(yīng)于DC電流而非AC電流。這是通過提供短路輸出的次級(jí)繞組60來完成的?，F(xiàn)在提出這種技術(shù)的一個(gè)變化，其中可以視所需的特定應(yīng)用對(duì)電流傳感器的選擇性進(jìn)行定制。
[0026]現(xiàn)在，參照?qǐng)D5，示出了除了次級(jí)繞組60未短路外，基本上具有與電流傳感器32相同構(gòu)造的電流傳感器70。替代地，在次級(jí)繞組60的輸出處連接阻抗支路72。另外，次級(jí)繞組60通常具有多個(gè)匝。阻抗支路72可使用線性或非線性的無源組件(諸如電阻器、電感器和電容器)和有源組件(諸如運(yùn)算放大器、晶體管、二極管等)的組合來構(gòu)造。當(dāng)阻抗支路72具有阻抗(Z) =0時(shí)，電流傳感器70可以視為基本等效于電流傳感器32。
[0027]電流傳感器70可被構(gòu)造為具有不同的頻率選擇性?，F(xiàn)在參照?qǐng)D6，示出了第一種此類構(gòu)造，其中電流傳感器具有附圖標(biāo)記70a，以使它與其它構(gòu)造進(jìn)行區(qū)分。在電流傳感器70a中，阻抗支路72a包含由串聯(lián)連接的電感器74 (具有電感Ls)和電容器76 (具有電容
Cs)組成的具有諧振頻率€ = 7 I77T的串聯(lián)諧振電路。該電路在諧振頻率Fs處提供接近
于零的阻抗并且在其它頻率處提供高阻抗。在諧振頻率Fs處由初級(jí)電流(1_)的AC分量(Ia。)所產(chǎn)生的磁通量由在諧振頻率Fs處通過由于串聯(lián)諧振電路的非常低的阻抗所造成的次級(jí)電流(I.)抵消。因?yàn)樵谥C振頻率Fs處由AC分量產(chǎn)生的磁通量很大程度上被抵消，因此在Fs處大大減少了電流傳感器70a的靈敏度(每單位初級(jí)電流的電壓)。也即是說，如圖7所示，電流傳感器70a除了在Fs處之外對(duì)所有頻率都敏感(響應(yīng))。
[0028]現(xiàn)在參照?qǐng)D8，示出了具有阻抗支路72b的電流傳感器70b，所述阻抗支路72b包含由并聯(lián)連接的電感器78 (具有電感Lp)和電容器80 (具有電容Cp)組成的具有諧振頻率
FP % Ir的并聯(lián)諧振電路。該電路在諧振頻率Fp處提供非常高的阻抗并且在其它頻
率處提供較低的阻抗。在諧振頻率Fp處由初級(jí)電流(Ipri)的AC分量(Ia。)所產(chǎn)生的磁通量沒有被次級(jí)電流(I.)抵消，這是因?yàn)橛捎谠谥C振頻率Fp處并聯(lián)諧振電路的非常高的阻抗不允許次級(jí)電流(I.)流動(dòng)。因此，如圖9所示，電流傳感器70b針對(duì)Fp敏感(響應(yīng))并且針對(duì)低于或高于Fp的頻率不敏感(響應(yīng))。
[0029]電流傳感器70a、70b說明針對(duì)傳感器的響應(yīng)如何獲得頻率選擇性。通過為阻抗支路72選擇適當(dāng)?shù)碾娐罚蓪?duì)電流傳感器70的頻率響應(yīng)性進(jìn)行定制，以滿足與頻率要求對(duì)應(yīng)的阻抗。
[0030]需要理解的是，上述(多個(gè))示例性實(shí)施例的描述旨在僅是說明本發(fā)明，而非窮盡本發(fā)明。在不背離如由所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神或其范圍的前提下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠?qū)λ_的主題的(多個(gè))實(shí)施例做出某些增加、刪除、和/或修改。
【權(quán)利要求】
1.一種用于測量也運(yùn)載AC電流的初級(jí)導(dǎo)體中的DC電流的電流傳感器。所述電流傳感器包含: 鐵磁芯，所述初級(jí)導(dǎo)體可延伸通過所述鐵磁芯，所述芯具有形成在其中的氣隙； 磁通量傳感器，其被放置在所述氣隙中； 次級(jí)繞組，其被安裝到所述芯，所述次級(jí)繞組具有連接在其中的阻抗，所述阻抗在所述AC電流的一個(gè)或多個(gè)頻率處具有基本上為零的值；并且 其中所述氣隙具有小于所述磁通量傳感器的兩倍厚度的寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的電流傳感器，其中所述阻抗包含所述次級(jí)繞組的端部連接在一起的短路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流傳感器，其中所述次級(jí)繞組具有單個(gè)匝。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述氣隙具有小于所述磁通量傳感器的厚度的1.5倍的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述芯包含一對(duì)間隔開的支柱和一對(duì)間隔開的軛，所述軛中的第一軛跨所述支柱的第一端部延伸，并且所述軛中的第二軛跨所述支柱的第二支柱延伸，并且其中在所述支柱中的一個(gè)支柱中形成所述氣隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述芯是環(huán)形的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述阻抗包含具有從由電阻器、電感器、電容器、運(yùn)算放大器、晶體管以及二極管所組成的組中選擇的至少一個(gè)設(shè)備的電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電流傳感器，其中所述電路包含電感器和電容器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電流傳感器，其中所述電感器和所述電容器串聯(lián)連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電流傳感器，其中所述電感器和所述電容器并聯(lián)連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述磁通量傳感器是霍爾元件。
12.一種用于通過一個(gè)或多個(gè)初級(jí)導(dǎo)體連接到公用網(wǎng)絡(luò)的逆變器系統(tǒng)，所述逆變器系統(tǒng)包含: 逆變器，用于通過所述一個(gè)或多個(gè)初級(jí)導(dǎo)體連接到所述公用網(wǎng)絡(luò)；以及 一個(gè)或多個(gè)電流傳感器，用于分別連接到所述一個(gè)或多個(gè)初級(jí)導(dǎo)體，每個(gè)電流傳感器包含: 鐵磁芯，所述初級(jí)導(dǎo)體可延伸通過所述鐵磁芯，所述芯具有形成在其中的氣隙； 磁通量傳感器，其被放置在所述氣隙中； 次級(jí)繞組，其被安裝到所述芯，所述次級(jí)繞組具有連接在其中的阻抗，所述阻抗在所述AC電流的一個(gè)或多個(gè)頻率處具有基本上為零的值；并且 其中所述氣隙具有小于所述磁通量傳感器的厚度的兩倍的寬度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的逆變器系統(tǒng)，進(jìn)一步包含用于基于由所述一個(gè)或多個(gè)電流傳感器所測量到的(多個(gè))DC電流來控制所述逆變器的操作。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的逆變器系統(tǒng)，其中所述控制器可操作地控制所述逆變器，使得從所述逆變器輸出的所述電流中的0.1%或更少的電流是DC電流。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的逆變器系統(tǒng)，其中所述逆變器是三相逆變器，所述一個(gè)或多個(gè)初級(jí)導(dǎo)體包含三個(gè)初級(jí)導(dǎo)體，并且所述一個(gè)或多個(gè)電流傳感器包含分別連接到所述三個(gè)初級(jí)導(dǎo)體的三個(gè)電流傳感器。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的逆變器系統(tǒng)，其中所述阻抗包含所述次級(jí)繞組的端部連接在一起的短路。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的逆變器系統(tǒng)，其中所述阻抗包含具有從由電阻器、電感器、電容器、運(yùn)算放大器、晶體管以及二極管所組成的組中選擇的至少一個(gè)設(shè)備的電路。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的逆變器系統(tǒng)，其中所述電路包含電感器和電容器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的逆變器系統(tǒng)，其中所述電感器和所述電容器串聯(lián)連接。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的逆變器系統(tǒng)，其中所述電感器和所述電容器并聯(lián)連接。
【文檔編號(hào)】G01R15/18GK103703379SQ201280037136
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月28日
【發(fā)明者】K·P·戈卡爾 申請(qǐng)人:Abb公司