CN115362374B - 超高带宽电流传感器 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量流过导体(COND)的电流(I)的电路(100)，包括：第一对(110)串联连接的Rogowski型线圈(111、112)，所述第一对Rogowski型线圈能够在第一频段工作；第二对(120)串联的Rogowski型线圈(121、122)，所述第二对Rogowski型线圈能够在第二频段工作，所述第二频段至少部分包括高于所述第一频段的频率的频率；和用于电屏蔽所述第一对线圈的装置(115)，并且其中所述第一对和第二对Rogowski型线圈的芯(180)具有小于10的相对磁导率，并且其中每对线圈中的一个线圈包括至少一个多匝绕组，该对线圈中的另一个线圈包括至少一个以相反方向缠绕的多匝绕组。
Description
技术领域
本发明涉及对导体中流动的电流进行测量，特别涉及通过高带宽罗哥夫斯基线圈(Rogowski)型装置对电流进行测量。
背景技术
在高频段电流传感器中，特别是电流互感器类型的电流传感器能够确保测量装置和测量之间的电流分离。对于高带宽应用，需要在整个频段上具有高相对磁导率的芯。这使得它们对直流电很敏感，直流电会使它们的磁芯饱和，从而降低测量性能。此外，它们很笨重，质量很高。
已开发出另一种类型的传感器，用于测量对直流电流不敏感且可在宽频率范围内使用的交流电流：Rogowski型电流传感器，例如在文献US6313623中特别公开的那种。它们能够根据弱磁性或非磁性空气或磁芯线圈中的电流产生的电压来确定流过导体的电流值，产生的电压与电流的时间导数成正比。这种类型的传感器相对紧凑，并且由于线圈中没有磁芯，因此对电流的连续分量不敏感。然而，这种类型的传感器只能在有限的频率范围内工作，或者在低频(通常为0.1Hz至100kHz)，或者在高频(通常为100kHz至300MHz)。
因此，需要一种紧凑的电流测量装置，用于覆盖从低频到高频的频段，同时不受电压、电流的快速变化和温度漂移的影响。
发明内容
本发明涉及一种用于测量导体中流动的电流的电路，包括：
第一对串联连接的Rogowski型线圈，所述第一对Rogowski型线圈能够在第一频段工作；
第二对串联连接的Rogowski型线圈，所述第二对Rogowski型线圈能够在第二频段工作，所述第二频段至少部分包括高于所述第一频段的频率的频率；和
用于电屏蔽所述第一对Rogowski型线圈的装置，
并且其中所述第一对和第二对Rogowski型线圈的芯具有小于10的相对磁导率，并且其中每对中的一个线圈包括至少一个多匝绕组，该对中的另一个线圈包括至少一个以相反方向缠绕的多匝绕组。
“线圈”是指由至少一个限定线圈内部空间的多匝绕组构成的环形偶极子。因此，线圈的内部空间是导体周围的测量空间，由线圈的多匝绕组限定的待测量电流在其中流动。
在一对Rogowski型线圈中，绕组以相反方向缠绕，以构成用于抑制电容耦合的差分结构。
通过屏蔽第一对线圈，允许限制第一对线圈的带宽，并保护它们免受电压和电流的快速时间变化以及寄生谐振的影响。
在第一频段使用一对Rogowski型线圈，在第二频段使用第二对线圈，能够为电流测量提供高带宽，同时保持良好的信噪比。
两对线圈的芯具有小于10的相对磁导率，以免电流的连续分量干扰电流测量。
根据本发明的一个特定特征，第一频段专用于低频，通常从0.1Hz到100kHz。
根据本发明的另一特定特征，第二频段专用于高频，通常超过100kHz。
根据本发明的另一特定特征，用于屏蔽第一对线圈的装置包括围绕第一对的两个线圈的短路匝。因此，短路匝允许限制第一对线圈中的磁场强度，以避免在强度快速变化期间出现击穿现象，确保在电压快速变化的情况下保护线圈的静电屏蔽功能，并允许降低第二对线圈的质量系数以减少甚至消除高频处的寄生谐振。
根据本发明的另一特定特征，线圈的芯是非磁性的或超顺磁性的。这能够在不引入非线性的情况下增加线圈的灵敏度。
根据本发明的另一特定特征，第一对的Rogowski型线圈包括偶数个绕组层。第一对中的线圈包括例如两个同心多匝绕组，第二多匝绕组由第一多匝绕组上的Rogowski型线圈的回线形成。在第一对线圈中具有偶数层绕组，而不是使用Rogowski型线圈的中央回线，能够提高灵敏度。然而，灵敏度的提高伴随着带宽的降低，这就是为什么优选在第一对线圈上使用。
根据一个实施例，该电路还包括至少一个用于对第一对线圈的共模进行滤波的装置，所述装置放置在所述第一对线圈的端子之间。
根据另一个实施例，该电路还包括至少一个用于对第二对线圈的共模进行滤波的装置，所述装置放置在所述第二对线圈的端子之间。
对线圈对的共模进行滤波，能够衰减由时间电压漂移产生的两对线圈输出端的电流。滤波可以通过电容器进行，特别是型三端电容器。对于专用于低频的第一对线圈，滤波还可以包括电感元件。使用/>型电容器能够生产更紧凑、更便宜、更适合高频且能够增加带宽的测量电路。
根据另一个实施例，该电路还包括：
第一HOKA型滤波器，其至少一个输入端连接到所述第一对线圈；和
第二HOKA型滤波器，其输入端连接到所述第二对线圈和所述第一HOKA型滤波器的输出端。
HOKA型滤波器在N.Karrer和P.Hoffer–Noser的文章中定义，“电力电子应用的新电流测量原理”，1999年，它们能够组合到达这些滤波器的输入端的不同信号。因此，第二HOKA型滤波器将来自第二对线圈的信号和第一HOKA型滤波器输出端的信号组合起来。第一HOKA型滤波器可以将来自第一对线圈的信号与在第一滤波器输入端提供的其他信号组合。如果第一HOKA型滤波器只接收来自第一对线圈的信号作为输入，那么它将充当一阶低通滤波器。
放置在第一对和第二对线圈的输出端的两个HOKA型滤波器能够整合线圈输出端恢复的信号，以便能够确定在导体中流动的电流值。实际上，在两对Rogowski型线圈的输出端恢复的信号是由电流在导体中流动产生的电压，该电压与导体中流动的电流的时间导数成正比。此外，由于使用了两对Rogowski型线圈，每个线圈都专用于一个频段，因此，根据本发明的测量电路，有可能在高带宽和非常低的噪音水平下确定导体中的电流值。
这两个HOKA型滤波器可以是模拟滤波器或数字滤波器。
因此，根据本发明的测量电路能够对导体中流动的电流进行差分输出测量。差分输出能够提高传感器在恶劣的电磁环境中的抗干扰能力。
根据本发明的一个特定特征，该电路还包括直流传感器，其输出位于第一HOKA型滤波器的输入端。因此，第一HOKA型滤波器将组合来自第一对线圈的信号和来自直流传感器的信号。
添加直流传感器能够增加电流传感器的带宽，从而也能够测量直流电流。
根据本发明的另一特定特征，直流传感器是效应传感器。
根据本发明的另一特定特征，第一和第二对线圈存在于至少一个印刷电路上。
根据本发明的另一特定特征，第一和第二对线圈存在于至少一个柔性支撑件上。
本发明的另一个目的是一种包括根据本发明的电路的电流传感器。
包含本发明电路的电流传感器能够获得噪声水平非常低的电流传感器，约为满量程的0.01％，能够跟踪1A/s至10kA/s的电流变化速度，带宽覆盖从1Hz到10MHz以上的范围。
本发明的另一个目的是一种用于测量导体中流动的电流的方法，该方法由本发明的电流传感器实现，包括将第一和第二对Rogowski型线圈缠绕在所述导体周围的至少一个步骤。
由于使用了根据本发明的电流传感器，根据本发明的方法能够确定在导体中流动的电流。
附图说明
参考附图，本发明的其他特征和优点将从以下给出的描述中显现，附图无任何限制地示出了本发明的示例性实施例。
图1示意性地部分表示根据本发明的一个实施例的用于测量电流的电路。
图2A示意性地部分表示根据本发明另一实施例的电测量电路的一部分，包括对第一对Rogowski型线圈的共模进行滤波。
图2B示意性地部分表示根据本发明另一实施例的电测量电路的一部分，包括对第二对Rogowski型线圈的共模进行滤波。
图3表示可以执行差分电流测量并且包括根据本发明另一实施例的直流传感器的电测量电路。
具体实施方式
在最简单的形式中，Rogowski型线圈是具有空芯的线圈。然而，“Rogowski线圈”目前是指具有非磁性芯或具有弱磁性芯的线圈。在整个说明书中，“Rogowski型线圈”指的是在本发明测量电路覆盖的整个带宽上，芯的相对磁导率小于10的线圈。
如上所述，“线圈”是指环形偶极子，由至少一个多匝绕组组成，划定线圈内部空间以及导体周围的测量空间。
图1示意性地和部分地表示根据本发明的一个实施例的用于测量导体COND中的电流I的电路100。该电路100包括第一对110的Rogowski型线圈111和112。第一对110的线圈各自包括至少一个多匝绕组。线圈111的绕组沿第一方向缠绕，而另一个线圈112的绕组沿第二方向即相反方向缠绕。
以相反方向缠绕同一对线圈的绕组将能够抑制导体COND与线圈111和112之间的电容耦合。实际上，电容耦合将在两个线圈111和112上以共模出现，而电流I产生的电动势将以差模出现。然后必须将两个线圈111和112串联在一起，两个线圈之间的“中点”M1置于固定电位，例如接地处。因此，在两个线圈111和112的输出端测量差模电压将大大减弱共模中出现的电容耦合。
电路100还包括第二对120的Rogowski型线圈121和122。线圈121和122各自包括至少一个多匝绕组。线圈121和122的绕组以与第一对110的线圈111和112相同的方式以相反的方向缠绕，以抑制导体COND与线圈121和122之间的电容耦合。线圈121和122串联在一起，对于线圈111和112，它们的“中点”M2处于固定电位。
第一对Rogowski型线圈110专用于第一频段，而第二对120专用于第二频段。第二频段至少部分地包括高于第一频段的频率的频率。第一频段将例如专用于低频，而第二频段将专用于高频。
第一对110被短路匝115包围，其确保第一对110的电屏蔽。这种屏蔽允许限制第一对110的线圈111和112的带宽，保护它们免受高电流变化速度的影响，并抑制这些相同线圈的高频寄生谐振。
两对110和120的线圈的芯180是相对磁导率小于10，甚至小于2，甚至小于1.1的芯180。
为了用前述线圈测量在导体COND中流动的电流I，需要将导体COND放置在线圈111、112、121和122的绕组中。电流I在导体COND中的流动将在两对110和120的输出端产生一个电压，该电压与电流I的导数成正比。因此，为了确定电流I的值，将在两对110和120输出端恢复的电压进行积分。
为此，该电路包括放置在两对线圈的输出端的两个HOKA型滤波器113和123。HOKA型滤波器113中的一个因此放置在第一对110的输出端，而另一个123放置在第二对120的输出端。这些HOKA型滤波器113和123由一阶低通滤波器和加法器组成。加法器能够组合由第一对和低通滤波器组成的组件传递的信号和第二对传递的信号，该组件形成能够测量低频电流的电流传感器，第二对形成能够测量高频电流变化速度的电流变化速度传感器dI/dt。
低通滤波器作为低频电流传感器的简单低通滤波器，同时作为高频电流变化传感器的积分器。因此，第二HOKA型滤波器能够组合由低频电流传感器和高频电流变化传感器传递的信号，以构成更高带宽的电流传感器。
由于这两个HOKA型滤波器，因此可以确定第一对110的第一频段和第二对120的第二频段中的电流值。
根据本发明的一个特定特征，对于Rogowski线圈111、112、121和122中的每一个，回线被盘绕以形成多匝绕组。因此，可以获得包括两个多匝绕组的线圈。或者，也有可能在同一对中，第一线圈由第一多匝绕组形成，第二线圈由绕成第一线圈多匝线圈的回线形成。
根据本发明的另一特定特征，第一对110的线圈111和112包括若干层绕组，更具体地，它们包括彼此重叠的偶数层同心绕组。通过增加第一对110的层数，线圈的灵敏度增加，同时减小了它们的带宽。这就是为什么这将优选地用于第一对110的线圈。
根据本发明的另一特定特征，线圈对110和/或120的线圈的芯180是非磁性的。
根据本发明的另一特定特征，线圈对110和/或120的线圈的芯180是超顺磁性的。
芯180是超顺磁性或非磁性的这一事实能够影响测量电路的灵敏度。
根据本发明的另一特定特征，线圈对110和/或120的线圈是空芯线圈。因此它们的芯180由空气形成。
为了简化附图，导体COND在图2A到3中没有表示。在图2A和图3中，同一对内的Rogowski型线圈的多匝绕组以相反方向缠绕，线圈的芯具有小于10的相对磁导率。此外，第一对线圈能够在第一频段工作，而第二对线圈能够在第二频段工作。第二频段至少部分地包括高于第一频段的频率的频率。
图2A示意性地部分表示根据本发明另一实施例的电测量电路的一部分，包括第一对Rogowski型线圈的共模的滤波器。
如前所述，第一对210的两个Rogowski型线圈211和212串联连接在一起，并且被磁电屏蔽装置215包围，例如短路匝215。用于对第一对210的共模进行滤波的装置216被放置在所述对210的端子之间，以便对线圈211和212的共模进行滤波。连接到第一对线圈211和212的第一HOKA型滤波器213放置在滤波装置216之后。
共模滤波装置216允许减少源自第一对210的共模的干扰电流。
滤波装置216包括电感元件L1和L2以及电容元件C1。
根据本发明的一个特定特征，电容元件C1是三端子电容器，例如型电容器。这种类型的陶瓷电容器比价格较低的传统电容器更紧凑，并且可以处理更高的频率。
图2B示意性地部分表示根据本发明另一实施例的电测量电路的一部分，包括第二对Rogowski型线圈的共模的滤波器。
如先前在图1中所描述的，第二对220的两个Rogowski型线圈221和222串联连接在一起。
用于对第二对220的共模进行滤波的装置226被放置在所述对220的端子之间，以便对共模进行滤波。连接到第二对线圈221和222的第二HOKA型滤波器223放置在滤波装置226之后。
滤波装置226能够减少源自第二对220的共模的干扰电流。它包括电容元件C2，例如陶瓷电容器。这种类型的电容器比传统电容器更紧凑、更便宜并且可以处理更高的频率。
图3表示根据本发明另一实施例的电测量电路300。
测量电路300包括专用于低频的第一对310Rogowski型线圈311和312以及专用于高频的第二对320Rogowski型线圈321和322。在同一对中，线圈串联在一起并具有相反方向的绕组。
第一对310被短路匝315包围，以限制线圈311和312的带宽，同时保护它们免受由于频率升高和强电流漂移引起的寄生谐振。
如参考图2A所述的用于对第一对310的共模进行滤波的装置可以放置在第一对310的端子之间，就像用于对第二对320的共模进行滤波的装置一样，如参考图2B所述，可以放置在第二对320的端子之间。
在第一对310的线圈311和312中由导体中的电流I流动产生的电压eBF在第一对的输出端提供给第一HOKA型滤波器313。
在线圈321和322中由导体中的电流I流动产生的电压eHF在第二对的输出端提供给第二HOKA型滤波器323。
两个HOKA型滤波器313和323能够组合和积分在两对线圈310和320中产生的电压eHF和eBF，以确定在导体中流动的电流I的值，无论是在低频还是在高频。
测量电路300还可以包括直流传感器330，以确定在导体中流动的直流或极低频电流。在这种情况下，第一HOKA型滤波器313组合第一对310的信号和传感器330的信号，第二HOKA型滤波器323组合第一HOKA型滤波器313和第二对320的输出端的信号。测量电路300因此能够获得非常高带宽的电流传感器。
根据本发明的一个特定特征，直流传感器330是能够精确测量直流或极低频电流的效应传感器。
根据本发明的另一特定特征，两对Rogowski型线圈存在于至少一个印刷电路上。
根据本发明的另一特定特征，两对Rogowski型线圈存在于至少一个柔性支撑件上。
本发明还涉及一种电流传感器，其包括如参照图1至图3所述的电测量电路。
根据本发明的传感器可以允许对在导体中流动的电流进行现场测量。它还可以集成到需要定期或连续测量同一导体中的电流的更复杂的设备中。
本发明还涉及一种用于测量导体中流动的电流的方法。该方法由根据本发明的测量传感器或通过根据本发明的任何测量电路来实施。导体放置在两对线圈的Rogowski型线圈之间，使得线圈缠绕在该导体上。导体中的电流在每对线圈中产生电压，然后将这些电压组合和积分，以便能够确定在导体中流动的电流值，无论电流的频率如何。
更一般地说，由于根据本发明的传感器，可以测量在导电部件中或在电气组件中或在传感器外部和/或不能放置在线圈绕组中的电路中流动的电流。实际上，只需将传感器的线圈绕在导体上，并将该导体与部件、组件或电路相连，这样，在该部件、组件或电路中流动的电流也会流向放在线圈绕组中的导体。
Claims (8)
1.一种用于测量导体(COND)中流动的电流(I)的传感器(100、300)，包括：
第一对(110、210、310)串联连接的Rogowski型线圈(111、112、211、212、311、312)，第一对Rogowski型线圈用于测量第一频段中的电流(I)；
第二对(120、220、320)串联连接的Rogowski型线圈(121、122、221、222、321、322)，所述第二对Rogowski型线圈用于测量第二频段中的电流(I)，所述第二频段至少部分包括高于所述第一频段的频率的频率；和
用于电屏蔽第一对线圈的装置(115、215、315)，
并且，其中所述第一对和第二对Rogowski型线圈的芯(180)具有小于10的相对磁导率，并且其中每对线圈中的一个线圈包括至少一个多匝绕组，该对线圈中的另一个线圈包括至少一个以相反方向缠绕的多匝绕组；
其中，所述传感器还包括：
第一HOKA型滤波器(313)，其至少一个输入端连接到所述第一对线圈；和
第二HOKA型滤波器(323)，其多个输入端连接到所述第二对线圈和所述第一HOKA型滤波器的输出端。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第一对Rogowski型线圈包括偶数个多匝绕组层。
3.根据权利要求1所述的传感器，还包括至少一个用于对所述第一对线圈的共模进行滤波的第一装置(216)，所述第一装置放置在所述第一对线圈的端子之间。
4.根据权利要求1所述的传感器，还包括至少一个用于对所述第二对线圈的共模进行滤波的第二装置(226)，所述第二装置放置在所述第二对线圈的端子之间。
5.根据权利要求1所述的传感器，还包括直流传感器(330)，其输出端置于所述第一HOKA型滤波器(313)的输入端，所述直流传感器能够测量所述导体中的直流电流。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第一对Rogowski型线圈和第二对Rogowski型线圈存在于至少一个印刷电路上。
7.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第一对Rogowski型线圈和第二对Rogowski型线圈存在于至少一个柔性支撑件上。
8.一种通过根据权利要求1至7中任一项所述的电流传感器实现的用于测量导体中流动的高带宽电流的方法，包括：
将第一对和第二对的Rogowski型线圈缠绕在所述导体周围；
在第一频段中进行第一电流测量；
在第二频段中进行第二电流测量，所述第二频段至少部分包括高于所述第一频段的频率的频率；和
组合两个电流测量值，以确定包括所述第一频段和所述第二频段的频段上的电流测量值。
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