一種直流小電流互感器及其測量電流的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直流小電流互感器，包括能被直流小電流電線穿過的環(huán)繞有繞線組的環(huán)形磁性鐵芯，其中，繞線組連接波形產生器，波形產生器連接有單片機，波形產生器包括有并聯(lián)設置的第一回路和第二回路以及比較器，第一回路和第二回路與電源連接，繞線組的兩端接入第一回路，比較器的第一測量端接入第一回路，比較器的第二測量端接入第二回路，比較器能通過第一測量端與第二測量端測得數(shù)據(jù)的比值改變電源的電流方向使波形產生器產生具有一定占空比的波，單片機接收波形產生器產生的波并通過波的占空比變化得到直流小電流電線內電流大小。本發(fā)明具有體積小、精度高、接口簡單、安裝方便、檢測方法新穎的優(yōu)點。
【專利說明】一種直流小電流互感器及其測量電流的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電力測量的【技術領域】，尤其涉及一種直流小電流互感器及其測量電流的方法。
【背景技術】
[0002]在直流系統(tǒng)中直流漏電流傳感器是不可或缺的一個重要元器件，對于設備的直流泄漏電流進行檢測，廣泛應用于直流輸電、蓄電檢測、直流屏、電源、大型醫(yī)療衛(wèi)生設備、光伏、風力發(fā)電、通信基站等行業(yè)設備中，第一時間對設備的漏電情況進行反饋，后端的漏電保護等原件會在第一時間采取相關措施，避免事故發(fā)生，安全使用、生產作業(yè)。
[0003]傳統(tǒng)使用分流器和變送器的方法，這種方法一次與二次沒有隔離，存在較大安全隱患，且精度不高。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述技術現(xiàn)狀，而提供一種體積小、精度高、接口簡單、安裝方便、檢測方法新穎的直流小電流互感器及其測量電流的方法。
[0005]本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案為:
一種直流小電流互感器，包括能被直流小電流電線穿過的環(huán)繞有繞線組的環(huán)形磁性鐵芯，其中，繞線組連接波形產生器，波形產生器連接有單片機，波形產生器包括有并聯(lián)設置的第一回路和第二回路以及比較器，第一回路和第二回路與電源連接，繞線組的兩端接入第一回路，比較器的第一測量端接入第一回路，比較器的第二測量端接入第二回路，比較器能通過第一測量端與第二測量端測得數(shù)據(jù)的比值改變電源的電流方向使波形產生器產生具有一定占空比的波，單片機接收波形產生器產生的波并通過波的占空比變化得到直流小電流電線內電流大小。
[0006]為優(yōu)化上述技術方案，采取的具體措施還包括:
上述的電源包括有外接正壓單電源接口以及能產生負電壓的負壓產生器。
[0007]上述的負壓產生器包括有負壓產生電容以及與負壓產生電容連接的充放電電路，充放電電路與單片機連接，單片機向充放電電路釋放具有一定占空比的方波電壓。
[0008]上述的外接正壓單電源接口通過變壓器變壓后接入波形產生器，外接正壓單電源接口輸入電壓為+12V，外接正壓單電源接口通過變壓器變壓后輸入電壓為+5V，負壓產生器輸出的電壓為-5V。
[0009]上述的第一回路包括有串聯(lián)設置的第一電阻、第二電阻、繞線組以及第三電阻，第二回路包括串聯(lián)設置的第四電阻、第五電阻以及第三電阻，第一測量端測量第一電阻兩端的電壓，第二測量端測量第四電阻兩端的電壓，單片機接收第三電阻兩端產生的電壓波。
[0010]上述的直流小電流互感器包括有四個外接端子，分別為RS485A端子、RS485B端子、GND端子和外接正壓單電源接口。
[0011]上述的單片機設有通訊輸出端。[0012]本發(fā)明還公開了一種直流小電流互感器測量電流的方法，包括以下步驟:
步驟一、設置環(huán)形磁性鐵芯內穿過的直流電流為0mA，當?shù)谝换芈冯娏鞣€(wěn)定時第一電
阻兩端的電壓絕對值大于第四電阻兩端的電壓絕對值，設定一個值m=第一電阻兩端的電壓-第四電阻兩端的電壓，當m值為正時，比較器控制電源輸出的電壓為負電壓，當m值為負時，比較器控制電源輸出的電壓為正電壓，第一回路內接有繞線組，繞線組作為電感使第一電阻的電壓建立較第四電阻的電壓建立慢，m值正負交替使第三電阻兩端產生一定占空比的電壓方波，該方波被單片機接收并計算該方波占空比，方波占空比記為X ;
步驟二、將直流小電流電線穿過環(huán)形磁性鐵芯，直流小電流電線內的電流使環(huán)形磁性鐵芯的磁通量發(fā)生變化,繞線組的電感值也隨之變化,第一電阻的電壓建立速度與繞線組的電感值變化量成反比，第三電阻兩端產生的電壓方波占空比記為Y ；
步驟三、單片機計算直流小電流電線內的電流量為n (Y-X) +b，其中η為單片集中存的比例系數(shù)，b為零點校正系數(shù)。
[0013]當m值為正時，電源輸出的電壓為-5V，當m值為負時，電源輸出的電壓為5V。
[0014]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明直流小電流互感器，包括能被直流小電流電線穿過的環(huán)繞有繞線組的環(huán)形磁性鐵芯，其中，繞線組連接波形產生器，波形產生器連接有單片機，波形產生器包括有并聯(lián)設置的第一回路和第二回路以及比較器，第一回路和第二回路與電源連接，繞線組的兩端接入第一回路，比較器的第一測量端接入第一回路，比較器的第二測量端接入第二回路，比較器能通過第一測量端與第二測量端測得數(shù)據(jù)的比值改變電源的電流方向使波形產生器產生具有一定占空比的波，單片機接收波形產生器產生的波并通過波的占空比得到直流小電流電線內電流大小。本發(fā)明利用了當直流電輸入環(huán)形磁鐵時會使環(huán)形磁鐵的磁通量發(fā)生改變，導致繞線組電感值變化的特性設計了相應的方波產生回路，方波的占空比與繞線組電感值相關，單片機系統(tǒng)通過測量方波的占空比就能知道繞線組電感值，進一步得出通過環(huán)形磁鐵的直流電的電流大小。本發(fā)明的電路都由簡單而功耗小的器件組成，故只需設備自己產生一個小功率的負電壓即可，正電壓由外接電源提供。負壓產生器由負壓產生電容以及充放電電路組成，充放電電路輸入端與單片機PWM輸出端連接，單片機向充放電電路釋放PWM方波，當電壓進入時，負壓產生電容充電，當電壓消失時，負壓產生電容向外放電，單片機保證負壓產生電容電量放完之前再次充電，由于電容電壓不能突變的原理使負壓產生電容放電電壓保持為一個定值，負壓產生器的功率大小由負壓產生電容的容量決定。本發(fā)明的波形產生器包括兩個并聯(lián)設置的電路和能測量比較第一電阻和第四電阻電壓的比較器，比較器根據(jù)第一電阻和第四電阻的電壓差變化電源的電流方向，目的是產生一個具有一定占空比的方波，而這個方波的占空比受到繞線組電感量的影響，由此可以通過占空比準確測出影響繞線組電感量的直流電流的大小。
[0015]本發(fā)明具有體積小、精度高、接口簡單、安裝方便、檢測方法新穎的優(yōu)點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的結構示意圖；
圖2是負壓產生器的結構示意圖；
圖3是波形產生器的電路圖；
圖4是本發(fā)明磁性鐵芯磁場強度和磁化強度擬合曲線。【具體實施方式】
[0017]以下結合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步詳細描述。
[0018]圖1至圖4所示為本發(fā)明的結構示意圖。
[0019]其中的附圖標記為:環(huán)形磁性鐵芯1、繞線組11、直流小電流電線2、波形產生器3、第一電阻3a、第二電阻3b、第三電阻3c、第四電阻3d、第五電阻3e、第一回路31、第二回路32、比較器33、第一測量端33a、第二測量端33b、電源34、單片機4、負壓產生器5、負壓產生電容51、充放電電路52。
[0020]如圖1至圖3所示，本發(fā)明的一種直流小電流互感器，包括能被直流小電流電線2穿過的環(huán)繞有繞線組11的環(huán)形磁性鐵芯I，其中，繞線組11連接波形產生器3，波形產生器3連接有單片機4，波形產生器3包括有并聯(lián)設置的第一回路31和第二回路32以及比較器33，第一回路31和第二回路32與電源34連接，繞線組11的兩端接入第一回路31，比較器33的第一測量端33a接入第一回路31，比較器33的第二測量端33b接入第二回路32，比較器33能通過第一測量端33a與第二測量端33b測得數(shù)據(jù)的比值改變電源34的電流方向使波形產生器3產生具有一定占空比的波，單片機4接收波形產生器3產生的波并通過波的占空比變化得到直流小電流電線2內電流大小。
[0021]實施例中，電源34包括有外接正壓單電源接口以及能產生負電壓的負壓產生器5。
[0022]實施例中，負壓產生器5包括有負壓產生電容51以及與負壓產生電容51連接的充放電電路52，充放電電路52與單片機4連接，單片機4向充放電電路52釋放具有一定占空比的方波電壓。
[0023]實施例中，外接正壓單電源接口通過變壓器變壓后接入波形產生器3，外接正壓單電源接口輸入電壓為+12V，外接正壓單電源接口通過變壓器變壓后輸入電壓為+5V，負壓產生器5輸出的電壓為-5V。
[0024]實施例中，第一回路31包括有串聯(lián)設置的第一電阻3a、第二電阻3b、繞線組11以及第三電阻3c，第二回路32包括串聯(lián)設置的第四電阻3d、第五電阻3e以及第三電阻3c，第一測量端33a測量第一電阻3a兩端的電壓，第二測量端33b測量第四電阻3d兩端的電壓，單片機4接收第三電阻3c兩端產生的電壓波。
[0025]實施例中，直流小電流互感器包括有四個外接端子，分別為RS485A端子、RS485B端子、GND端子和外接正壓單電源接口。
[0026]實施例中，單片機4設有通訊輸出端。
[0027]本發(fā)明還公開了一種直流小電流互感器測量電流的方法，包括以下步驟:
步驟一、設置環(huán)形磁性鐵芯I內穿過的直流電流為0mA，當?shù)谝换芈?1電流穩(wěn)定時第
一電阻3a兩端的電壓絕對值大于第四電阻3d兩端的電壓絕對值，設定一個值m=第一電阻3a兩端的電壓-第四電阻3d兩端的電壓，當m值為正時，比較器33控制電源34輸出的電壓為負電壓，當m值為負時，比較器33控制電源34輸出的電壓為正電壓，第一回路31內接有繞線組11，繞線組11作為電感使第一電阻3a的電壓建立較第四電阻3d的電壓建立慢，m值正負交替使第三電阻3c兩端產生一定占空比的電壓方波，該方波被單片機4接收并計算該方波占空比，方波占空比記為X ; 步驟二、將直流小電流電線2穿過環(huán)形磁性鐵芯I，直流小電流電線2內的電流使環(huán)形磁性鐵芯I的磁通量發(fā)生變化,繞線組11的電感值也隨之變化,第一電阻3a的電壓建立速度與繞線組11的電感值變化量成反比，第三電阻3c兩端產生的電壓方波占空比記為Y ；步驟三、單片機4計算直流小電流電線2內的電流量為n (Y-X) +b，其中η為單片集中存的比例系數(shù)，b為零點校正系數(shù)。
[0028]當m值為正時，電源34輸出的電壓為_5V，當m值為負時，電源34輸出的電壓為5V0
[0029]本發(fā)明利用了當直流電輸入環(huán)形磁鐵時會使環(huán)形磁鐵的磁通量發(fā)生改變，導致繞線組電感值變化的特性設計了相應的方波產生回路，方波的占空比與繞線組電感值相關，單片機系統(tǒng)通過測量方波的占空比就能知道繞線組電感值，進一步得出通過環(huán)形磁鐵的直流電的電流大小。
[0030]本發(fā)明將繞線組11繞設在環(huán)形磁性鐵芯I上，繞線組11兩端接入波形產生器3的第一電路，比較器33的第一測量端33a測量第一電阻3a兩端的電壓，第二測量端33b測量第四電阻3d兩端的電壓，單片機4接收第三電阻3c兩端產生的電壓波，單片機4產生具有一定占空比的方波電壓，對負壓產生電容51進行一定占空比的充電，負壓產生電容51輸出-5V電壓。外接5V正電源組成電源34的正電輸出端A，負壓產生電容51組成電源34的負電輸出端B，電路組裝好后，先設置參照波占空比，即環(huán)形磁性鐵芯I內沒有電流通過時單片機4接收的波占空比，先設置當?shù)谝换芈?1電流穩(wěn)定時第一電阻3a兩端的電壓絕對值大于第四電阻3d兩端的電壓絕對值，例如，當?shù)谝换芈?1電流穩(wěn)定時第一電阻3a能分到3V電壓而此時第四電阻3d只能分到2V，這可以通過調試兩電阻在各自的電路中所占的電阻份量來達到。
[0031]公式為第一電阻3a兩端的電壓絕對值=5VX第一電阻3a阻值/(第一電阻3a阻值+第二電阻3b阻值+第三電阻3c阻值)；
第四電阻3d兩端的電壓絕對值=5VX第四電阻3d阻值/(第三電阻3c阻值+第四電阻3d阻值+第五電阻3e阻值)；
設置比較器33，當?shù)谝浑娮?a兩端的電壓大于第四電阻3d兩端的電壓時，比較器33控制電源34輸出的電壓為負電壓，當?shù)谝浑娮?a兩端的電壓小于第四電阻3d兩端的電壓時，比較器33控制電源34輸出的電壓為正電壓,繞線組11作為一個電感，使第一電阻3a的電壓建立較慢，導致第三電阻3c兩端產生的電壓波為一個一定占空比的方波。這個占空比就是參照波占空比，記為X。
[0032]然后在將直流小電流電線2穿過環(huán)形磁性鐵芯1，電流改變了環(huán)形磁性鐵芯I的磁通量，導致繞線組11對第一回路31的電流阻礙能力產生變化:變強還是變弱受到電流方向的影響，變化度的大小則受到電流強度的影響。由于第一電阻3a建立電壓的速度改變，導致第三電阻3c兩端產生的電壓方波占空比改變，這個改變的占空比記為Y ；
最后，單片機4計算Y-X的值，直流小電流電線2內的電流量為n (Y-X) +b，其中η為單片集中存的比例系數(shù)，b為零點校正系數(shù)。
[0033]例如我們記第一電阻3a為RA 1、第二電阻3b為RA2、第三電阻3 c為RA3、第四電阻3d為RA4、第五電阻3e為RA5、第一電阻3a兩端電壓為VI,第四電阻3d兩端電壓為V2,第三電阻3c和第四電阻3d—共分得的電壓為V5，令RA1=200歐姆，RA2=100歐姆，RA4=100歐姆，RA5=200歐姆，則第一回路31電流穩(wěn)定時V1=2/3*V5，V2=1/3*V5，其振蕩如圖5所示，圖中實線為Vl電壓變化過程，虛線為V2電壓變化，過程如下:圖中SI為初始狀態(tài):初始狀態(tài)電源電壓隨機為5V或-5V，此處我們以5V說明振蕩過程，-5V時有類似的過程。此時V1>V2，電源立刻輸出負電壓，因此V2處立刻建立負電壓1/3*V5，而由于電感的存在Vl電壓慢慢向負穩(wěn)態(tài)電壓2/3*V5下降，當Vl電壓降到小于V2電壓時(S2)，電源立刻輸出正電壓，此時V2處立刻建立正電壓1/3*V5，Vl電壓慢慢向正穩(wěn)態(tài)電壓2/3*V5上升，當Vl電壓上升到大于V2電壓時(S3)，電源立刻輸出負電壓，此時V2處立刻建立負電壓1/3*V5，V1電壓慢慢向負穩(wěn)態(tài)電壓2/3*V5下降，由此在V5處產生一定頻率的方波。
[0034]如圖4所示，是磁性鐵芯磁場強度⑶和磁化強度⑶擬合曲線。繞線組11中電流越大磁場強度越大。當直流電流為O時，B-H曲線為P，可見B-H曲線是關于原點對稱的，故第一電阻3a的正電壓建立時間與負電壓建立時間是相等的，設此時第三電阻3c的電壓輸出方波占空比為50%。當直流電流大于O時，B-H曲線左移到P2，當直流電流小于O時，B-H曲線右移到P1，此時第一電阻3a正電壓建立時間與負電壓建立時間就不同，故第三電阻3c的電壓輸出方波占空比不為50%且等比例變化(因為在原點附近B-H曲線為線性的)，但具體占空比是增大還是減小取決于繞線組11同名端方向，當同名端固定時，占空比的變化方向也就確定了。
[0035]單片機4采用通訊方式，可以很方便的與分布式控制系統(tǒng)(DCS)集成，便于維護查找問題，降低安裝維護費用。
[0036]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種直流小電流互感器，包括能被直流小電流電線⑵穿過的環(huán)繞有繞線組(11)的環(huán)形磁性鐵芯(I)，其特征是:所述的繞線組(11)連接波形產生器(3)，所述的波形產生器(3)連接有單片機(4)，所述的波形產生器(3)包括有并聯(lián)設置的第一回路(31)和第二回路(32)以及比較器(33)，所述的第一回路(31)和第二回路(32)與電源(34)連接，所述的繞線組(11)的兩端接入第一回路(31)，所述的比較器(33)的第一測量端(33a)接入第一回路(31)，所述的比較器(33)的第二測量端(33b)接入第二回路(32)，所述的比較器(33)能通過第一測量端(33a)與第二測量端(33b)測得數(shù)據(jù)的比值改變電源(34)的電流方向使波形產生器(3)產生具有一定占空比的波，所述的單片機(4)接收波形產生器(3)產生的波并通過波的占空比變化得到直流小電流電線⑵內電流大小。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種直流小電流互感器，其特征是:所述的電源(34)包括有外接正壓單電源接口以及能產生負電壓的負壓產生器(5)。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種直流小電流互感器，其特征是:所述的負壓產生器(5)包括有負壓產生電容(51)以及與負壓產生電容(51)連接的充放電電路(52)，所述的充放電電路(52)與單片機⑷連接，所述的單片機⑷向充放電電路(52)釋放具有一定占空比的方波電壓。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種直流小電流互感器，其特征是:所述的外接正壓單電源接口通過變壓器變壓后接入波形產生器(3)，所述的外接正壓單電源接口輸入電壓為+12V，外接正壓單電源接口通過變壓器變壓后輸入電壓為+5V，所述的負壓產生器(5)輸出的電壓為-5V。
5.根據(jù)權利要求 4所述的一種直流小電流互感器，其特征是:所述的第一回路(31)包括有串聯(lián)設置的第一電阻(3a)、第二電阻(3b)、繞線組(11)以及第三電阻(3c)，所述的第二回路(32)包括串聯(lián)設置的第四電阻(3d)、第五電阻(3e)以及第三電阻(3c)，所述的第一測量端(33a)測量第一電阻(3a)兩端的電壓，所述的第二測量端(33b)測量第四電阻(3d)兩端的電壓，所述的單片機(4)接收第三電阻(3c)兩端產生的電壓波。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種直流小電流互感器，其特征是:所述的直流小電流互感器包括有四個外接端子，分別為RS485A端子、RS485B端子、GND端子和所述的外接正壓單電源接口。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種直流小電流互感器，其特征是:所述的單片機(4)設有通訊輸出端。
8.—種如權利要求5所述的直流小電流互感器測量電流的方法，其特征是:包括以下步驟: 步驟一、設置環(huán)形磁性鐵芯⑴內穿過的直流電流為OmA，當?shù)谝换芈?31)電流穩(wěn)定時第一電阻(3a)兩端的電壓絕對值大于第四電阻(3d)兩端的電壓絕對值，設定一個值m=第一電阻(3a)兩端的電壓-第四電阻(3d)兩端的電壓，當m值為正時，比較器(33)控制電源(34)輸出的電壓為負電壓，當m值為負時，比較器(33)控制電源(34)輸出的電壓為正電壓，第一回路(31)內接有繞線組(11)，繞線組(11)作為電感使第一電阻(3a)的電壓建立較第四電阻(3d)的電壓建立慢，m值正負交替使第三電阻(3c)兩端產生一定占空比的電壓方波，該方波被單片機(4)接收并計算該方波占空比，方波占空比記為X ; 步驟二、將直流小電流電線⑵穿過環(huán)形磁性鐵芯(I)，直流小電流電線⑵內的電流使環(huán)形磁性鐵芯(1)的磁通量發(fā)生變化，繞線組(11)的電感值也隨之變化，第一電阻(3a)的電壓建立速度與繞線組(11)的電感值變化量成反比，第三電阻(3c)兩端產生的電壓方波占空比記為Y ； 步驟三、單片機(4)計算直流小電流電線(2)內的電流量為n(Y-X)+b，其中η為單片集中存的比例系數(shù)，b為零點校正系數(shù)。
9.根據(jù)權利要求7所述的直流小電流互感器測量電流的方法，其特征是:所述的當m值為正時，電源(34)輸出的電壓為-5V，當m值為負時，電源(34)輸出的電壓為5V。
【文檔編號】G01R19/15GK103983835SQ201410216037
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權日:2014年5月22日
【發(fā)明者】張厚成, 陳偉, 韓書波, 魏麗紅, 盧丹 申請人:南京深科博業(yè)電氣股份有限公司