一种直流大电流测量装置及测量方法

摘要

本发明涉及电工技术中的电流测量技术，具体涉及一种直流大电流测量装置及测量方法，该装置包括四柱铁芯、激励绕组、补偿绕组、激励信号产生电路、驱动、信号调理电路、功率放大器和标准电阻。其测量方法通过将电流量转变为磁通量进行检测，特殊的铁芯结构配合桥型连接的激励绕组实现了磁路分裂，将桥型连接的激励绕组中点电压差经过信号处理后控制补偿绕组电流，使磁通恢复平衡，解决了零磁通电流传感器反馈检测回路复杂，补偿电流存在激励信号纹波，检测暂态电流和谐波电流困难等问题。

权利要求

1.一种直流大电流测量装置，包括待测电流，其特征是，包括激励电路和补偿电路；激励电路包括形状相同的两组四柱铁芯、第一、第二、第三、第四激励绕组、激励信号产生电路和驱动；补偿电路包括第一、第二、第三、第四补偿绕组、信号调理电路、功率放大器和标准电阻；两组四柱铁芯的中间左右两柱上分别绕有桥型连接的第一、第二、第三、第四激励绕组，激励信号产生电路经驱动后加在桥型连接的激励绕组的两端；两组四柱铁芯的中间两横柱上分别绕有第一、第二、第三、第四补偿绕组，桥型连接的激励绕组桥中点与激励信号产生电路的信号经过信号调理电路、功率放大器后，连接第一补偿绕组首端，经过各补偿绕组后连接标准电阻接地；待测电流穿过两组四柱铁芯中间的孔洞；

两组四柱铁芯前后叠放，后方的四柱铁芯中间左右两柱上绕有绕向匝数均相同的第一激励绕组和第二激励绕组，中间两横柱上绕有绕向匝数均相同的第一补偿绕组和第二补偿绕组；前方的四柱铁芯中间左右两柱绕有绕向匝数均相同的第三激励绕组、第四激励绕组，中间两横柱上绕有绕向匝数均相同的第三补偿绕组、第四补偿绕组；第三激励绕组、第四激励绕组的绕向与第一激励绕组、第二激励绕组相反，第一补偿绕组、第二补偿绕组的绕向与第三补偿绕组、第四补偿绕组的绕向均相同；第一激励绕组首端与第二激励绕组首端相连，第一激励绕组末端与第三激励绕组首端连接，第二激励绕组末端与第四激励绕组首端连接，第三激励绕组末端与第四激励绕组末端相连；第一激励绕组的末端、第二激励绕组的末端、激励信号产生电路连接到信号调理电路，信号调理电路的输出端连接功率放大器后与第一补偿绕组的首端相连，第一补偿绕组的末端连接到第二补偿绕组的末端，第二补偿绕组的首端连接到第三补偿绕组的首端，第三补偿绕组的末端连接到第四补偿绕组的末端，第四补偿绕组的首端连接到标准电阻后接地。

2.如权利要求1所述的直流大电流测量装置，其特征是，四柱铁芯为整片硅钢片叠成，且磁路方向上无气隙。

3.如权利要求1‑2任一项权利要求所述的直流大电流测量装置的测量方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、在激励信号产生电路的作用下，桥型连接的激励绕组随激励电流产生磁场，使铁芯处于饱和状态；若无待测电流，桥型连接的激励绕组内磁通平衡，正负半周对称；

步骤2、测量待测电流时，待测电流的作用使得桥型连接的激励绕组中的磁通不再平衡，桥型连接的激励绕组斜对角磁通增减方向一致，同侧磁通增减方向相反；处于同一铁芯上的左右激励绕组内的磁通分别为 而 和 的正负半周进入饱和区的时刻和深度不同，此时，桥型连接的激励绕组桥中点感应出现差值电压u，其频率为激励电流频率的两倍，其二次谐波的大小正比于待测电流的大小；

步骤3、通过信号调理电路的处理，将桥型连接的激励绕组桥中点差值电压u与激励电流的二倍频电流I2相乘滤波后，得到与待测电流的大小和方向一一对应的直流电压，将直流电压放大后控制补偿绕组电流，当桥型连接的激励绕组内的磁通恢复平衡后，补偿电流I0将正比于待测电流；

步骤4、通过四柱铁芯横柱上各补偿绕组的互感器作用，待测电流中的交流成分将以相同的比例叠加在补偿电流I0上；通过测量标准电阻RL两端电压得到待测电流的值。

说明书

一种直流大电流测量装置及测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于电工技术中的电流测量技术领域，尤其涉及一种直流大电流测量装置及测量方法。

背景技术

[0002] 现代工业对于直流大电流的应用相当广泛，其中以冶金、电解电镀最为常见。直流输电技术的不断发展与应用，也对直流大电流的测量提出了要求。此外，一些科学研究需要
用到粒子加速器、大功率电力电子设备、大功率电池等等都涉及到直流大电流的测量，其重
要性不言而喻。

[0003] 对于储能设备如大功率电池而言，其输出电流的及时准确检测是检测电池电性能不可或缺的一部分。对于电池的状态评估、充放电电量计量、剩余容量估计、寿命预测、电池
模块一致性判断起着非常重要的作用。在直流大电流测量中，除了对仪表的一般要求(如稳
定、可靠、使用方便等)外，还要求测量仪器有足够的准确度，否则测量就失去了意义。目前
工程上要求测量的准确度一般为0.5％，有的要求0.1‑0.2％。

[0004] 然而，大功率电池运行工况复杂，电机负载会给电池电流带来复杂谐波；各种开关、继电器会给电流带来瞬态扰动；在机动性较强的设备中的大功率电池电流测量往往还
会面临着各种电磁干扰、温度变化及振动的影响。

[0005] 目前，测量直流大电流的方法主要有分流器法、霍尔效应法、磁光效应法、磁效应法等。

[0006] 分流器法将分流器串联在被测回路中，通过测量分流器两端的电压得出流过分流器的电流，该法的精度主要取决于分流器本身阻值的准确度和电压的测量精度。其测量原
理简单、可靠性高，其缺点在于测量不隔离、功耗很大、温度的升高会影响测量精度、测量含
谐波直流电流时由于趋肤效应会带来测量误差。

[0007] 霍尔效应法则是利用霍尔效应，将测量直流电流量转化为霍尔电压量，对霍尔电压进行放大后通过反馈控制补偿线圈电流产生磁通抵消被测直流电流产生的磁通，在线圈
磁通为零时，补偿线圈的电流就正比于被测电流。其缺点在于温度特性差(霍尔元件的霍尔
系数、输入输出电阻、剩余电势都与温度有关)、抗电磁干扰性能差(因放置霍尔元件导致铁
芯不闭合)。

[0008] 磁光效应法是基于线偏振光沿着外磁场通过磁光物质时，输出光的偏振面会旋转一个正比于外磁场的角度的原理，通过检测这个角度差，测量出外磁场的大小，从而得出产
生外磁场的电流大小。其同样可以通过闭环来提高测量精度。相对于前两种方法，其在测量
上实现了隔离、提高了不同温度和复杂电磁环境下的测量稳定性，但由于其需使用精密的
光学元件，因此不适用于机动性强的设备如电气机车中，其抗震性差。

[0009] 磁效应法应用最成功的是直流电流比较仪，它通过给绕在环形铁芯上的激励线圈施加一个交流激励信号，使铁芯处于饱和状态。此时，穿过铁芯的被测一次电流产生的磁场
将会破坏原有交流激励信号产生的正负半周对称的交替磁通，使其向正或向负发生偏移
(取决于一次电流的方向与铁芯上的激励线圈的绕向)，这样产生的感应电压变化的周期便
为激励信号周期的一半，故只需对感应电压中的二次谐波幅值进行检测便可测出电流的大
小。为了提高检测精度，将二次谐波电压采用反馈的方式产生相应的直流电压，经过放大后
驱动补偿线圈，当补偿线圈电流产生的磁通与一次电流产生的磁通平衡时，补偿线圈中的
电流便正比于一次电流。该方法没有前面几种方法的明显缺点，但由于铁芯常常处于饱和
状态，无法测量直流电流中的谐波成分，也无法反映电流的暂态过程；同时，激励电流中的
谐波成分也会影响补偿电流的大小，为测量带来误差。为了测量直流电流中的暂态和谐波
成分，可以配合使用Rogowski线圈，但这会增加测量的复杂性，众多的信号处理环节会使测
量误差逐渐放大。

[0010] 可见，为了满足测量直流大电流的准确性、抗电磁干扰性、抗震性，以上的技术仍不能达到测量要求。

发明内容

[0011] 本发明的目的是提供一种能够实现复杂电磁环境、易震动环境下高精度测量含暂态和谐波成分的直流大电流测量装置。

[0012] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种直流大电流测量装置，包括待测电流，包括激励电路和补偿电路；激励电路包括形状相同的两组四柱铁芯、第一、第二、第
三、第四激励绕组、激励信号产生电路和驱动；补偿电路包括第一、第二、第三、第四补偿绕
组、信号调理电路、功率放大器和标准电阻；两组四柱铁芯的中间两柱上分别绕有桥型连接
的第一、第二、第三、第四激励绕组，激励信号产生电路经驱动后加在桥型连接的激励绕组
的两端；两组四柱铁芯的中间两横柱上分别绕有第一、第二、第三、第四补偿绕组，桥型连接
的激励绕组桥中点与激励信号产生电路的信号经过信号调理电路、功率放大器后，连接第
一补偿绕组首端，经过各补偿绕组后连接电阻接地；待测电流穿过两组四柱铁芯中间的孔
洞。

[0013] 在上述的直流大电流测量装置中，两组四柱铁芯前后叠放，后方的四柱铁芯中间两柱上绕有绕向匝数均相同的第一激励绕组和第二激励绕组，中间两横柱上绕有绕向匝数
均相同的第一补偿绕组和第二补偿绕组；以同样的方式在前方的四柱铁芯上设置第三激励
绕组、第四激励绕组，第三补偿绕组、第四补偿绕组，除第三激励绕组、第四激励绕组的绕向
与第一激励绕组、第二激励绕组相反外，其余均相同；第一激励绕组与第二激励绕组首端相
连，第一激励绕组末端与第三激励绕组首端连接，第二激励绕组末端与第四激励绕组首端
连接，第三激励绕组与第四激励绕组末端相连；第一激励绕组的末端、第二激励绕组的末
端、激励信号产生电路连接到信号调理电路，信号调理电路的输出端连接功率放大器后与
第一补偿绕组的首端相连，第一补偿绕组的末端连接到第二补偿绕组的末端，第二补偿绕
组的首端连接到第三补偿绕组的首端，第三补偿绕组的末端连接到第四补偿绕组的末端，
第四补偿绕组的首端连接到标准电阻后接地。

[0014] 在上述的直流大电流测量装置中，四柱铁芯为整片硅钢片叠成，且磁路方向上无气隙。

[0015] 一种直流大电流测量装置的测量方法，包括以下步骤：

[0016] 步骤1、在激励源的作用下，桥型连接的激励绕组随激励电流产生磁场，使铁芯处于饱和状态；若无待测电流，各绕组内磁通平衡，正负半周对称；

[0017] 步骤2、测量待测电流时，待测电流的作用使得各绕组中的磁通不再平衡，桥型连接的激励绕组斜对角磁通增减方向一致，同侧磁通增减方向相反；处于同一铁芯上的左右
激励绕组内的磁通分别为 而 和 的正负半周进入饱和区的时刻和深度不同，
此时，桥型连接的激励绕组的中点感应出现差值电压u，其频率为激励电流频率的两倍，其
二次谐波的大小正比于待测电流的大小；

[0018] 步骤3、通过信号调理电路的处理，将差值电压u与激励电流的二倍频电流I2相乘滤波后，得到与待测电流的大小和方向一一对应的直流电压，将直流电压放大后控制补偿
绕组电流，当各绕组内的磁通恢复平衡后，补偿电流I0将正比于待测电流；

[0019] 步骤4、通过四柱铁芯横柱上各补偿绕组的互感器作用，待测电流中的交流成分将以相同的比例叠加在补偿电流I0上；通过测量标准电阻RL两端电压便可以测出待测电流的
值。

[0020] 本发明的有益效果：(1)将补偿线圈绕在铁芯横柱上，在测量电路处于稳态时，横柱上由于两激励绕组绕向匝数均相同而没有激励磁通，因而交流激励电流不影响补偿电
流，故测得的电流中不含激励信号的纹波。

[0021] (2)对于待测电流中的交流成分而言，铁芯横柱及柱上的补偿线圈构成了一个交流互感器，通过互感器的耦合作用，待测电流中的交流成分以和直流成分相同的比例出现
在补偿电流中，能够完成暂态和谐波电流的测量。

[0022] (3)前后铁芯同侧激励绕组相连但绕向不同，当待测电流突变时，前后激励绕组会感应出反相的电压，从而相互抵消，即使由于某种原因没有完全相互抵消，则会在四个绕组
内部形成环流，不会影响到激励源，即待测电流的突变不会影响激励源，因此激励源无需变
压器隔离。

[0023] 本发明在振动环境下工作稳定；在复杂电磁环境下，由于铁芯闭合无气隙，亦不影响其测量；外部温度对测量影响小；测量精度高。

附图说明

[0024] 图1为本发明一个实施例测量装置电路结构示意图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

[0026] 本实施例提供了一种直流大电流测量装置，包括四柱铁芯、第一、第二、第三、第四激励绕组、第一、第二、第三、第四补偿绕组、激励信号产生电路、驱动、信号调理电路、功率
放大器和标准电阻。

[0027] 四柱铁芯有两组，前后叠放，待测电流穿过两组铁芯中间的孔洞。后方的四柱铁芯中间两柱上绕有绕向匝数均相同的第一激励绕组A和第二激励绕组B，中间两横柱上绕有绕
向匝数均相同的第一补偿绕组A＇和第二补偿绕组B＇，相应地布置前方四柱铁芯上的第三激
励绕组C、第四激励绕组D、第三补偿绕组C＇、第四补偿绕组D＇，除相应的第三激励绕组C、第
四激励绕组D的绕向与第一激励绕组A、第二激励绕组B相反外，其余均相同。

[0028] 第一激励绕组A与第二激励绕组B首端相连，第一激励绕组A末端与第三激励绕组C首端连接，第二激励绕组B末端与第四激励绕组D首端连接，第三激励绕组C与第四激励绕组
D末端相连，构成激励绕组的桥式结构。激励信号产生电路经驱动后连接在桥式激励绕组的
两侧。

[0029] 第一激励绕组A的末端、第二激励绕组B的末端、激励信号产生电路连接到信号调理电路，信号调理电路的输出端连接功率放大器后与第一补偿绕组A＇的首端相连，第一补
偿绕组A＇的末端连接到第二补偿绕组B＇的末端，第二补偿绕组B＇的首端连接到第三补偿绕
组C＇的首端，第三补偿绕组C＇的末端连接到第四补偿绕组D＇的末端，第四补偿绕组D＇的首
端连接到电阻RL后接地。

[0030] 而且，四柱铁芯为整片硅钢片叠成，且磁路方向上无气隙。

[0031] 具体实施时，如图1所示，一种直流大电流测量装置，包括激励电路和补偿电路。

[0032] 激励电路中，形状相同的两组四柱铁芯的中间两柱上分别绕有桥型连接的激励绕组第一激励绕组A、第二激励绕组B、第三激励绕组C、第四激励绕组D，激励信号产生电路经
驱动后加在桥型连接的激励绕组的两端。

[0033] 补偿电路中，桥型连接的激励绕组桥中点与信号产生电路的信号经过信号调理电路、功率放大器后，连接补偿绕组，经过补偿绕组后连接标准电阻接地。

[0034] 运用本实施例装置进行测量的原理：本装置投入运行后，在激励源的作用下，桥型连接的激励绕组随激励电流产生磁场，使铁芯处于饱和状态。此时，若无待测电流，绕组内
磁通平衡，正负半周对称。在测量待测电流时，待测电流的作用使得绕组中的磁通不再平
衡，桥型连接的激励绕组斜对角磁通增减方向一致，同侧磁通增减方向相反。于是，处于同
一铁芯上的左右绕组内的磁通便由 分别向上或向下移动变为 显然 和 的
正负半周进入饱和区的时刻和深度不同。由此，桥型连接的激励绕组的中点感应出现差值
电压u，其频率为激励电流频率的两倍，其二次谐波的大小反映了待测电流的大小。

[0035] 通过信号调理电路的处理，将桥型连接的激励绕组的中点差值电压u与激励电流的二倍频电流I2相乘滤波后，便能得到与待测电流的大小和方向一一对应的直流电压，通
过将该电压放大后控制补偿绕组电流，当绕组内的磁通恢复平衡后，补偿电流I0将正比于
待测电流。由于铁芯横柱上补偿绕组的互感器作用，待测电流中的交流成分将以相同的比
例叠加在I0上。如此，通过测量RL两端电压便可以测出待测电流的值。

[0036] 本实施例通过将电流量转变为磁通量进行检测，采用特殊的铁芯结构配合桥型连接的激励绕组实现了磁路分裂，将桥型连接的激励绕组中点电压差经过信号处理后控制补
偿绕组电流，使磁通恢复平衡，解决了零磁通电流传感器反馈检测回路复杂，补偿电流存在
激励信号纹波，检测暂态电流和谐波电流困难等问题。

[0037] 应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

[0038] 虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原
理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。