专利名称：用于直流大电流检测的无直流磁化双向磁放大器的制作方法
技术领域：
本发明属于电力测量技术领域，具体涉及直流大电流传感器，特别是在高精度零磁通直流大电流测量设备中担任传感器的，能测正反两个方向直流电流的双向磁放大器。
背景技术：
零磁通直流大电流互感器和直流大电流比较仪作为主要的高精度直流大电流测量设备，在许多领域如跨区域高压直流输电、有色金属冶炼、电化学、粒子加速器等中有广泛的应用。零磁通直流大电流互感器和直流大电流比较仪中的核心部件传感器常采用磁放大器。工作时磁放大器起两个作用第一、比较被测的一次电流产生的磁势与反馈电流(即二次电流)产生的磁势的大小；第二、将两个磁势的差值检测出来并将结果送往后续处理电路。零磁通直流大电流互感器和直流大电流比较仪的工作目标就是尽可能使一次电流与二次电流分别产生的磁势之差为零，此种状态谓之平衡。平衡时一次电流与二次电流间存在着明确的数量关系，因此可根据这个数量关系，通过测量小的二次电流计算出不能直接测量的大的一次电流。二十世纪三十年代，德国的w. Kraemer设计出用于测量直流大电流的磁放大器，该磁放大器有两个铁心，结构较简单，但其只能测量朝一个方向流动的直流电流，属单向磁放大器，而用于零磁通直流大电流互感器或直流大电流比较仪中的必须是双向磁放大器，即可测量正反两个方向的直流电流。为此，二十世纪七十年代，加拿大的M. P. MacMartin提出了将两个单向磁放大器差动连接，组成双向磁放大器的方案。该种双向磁放大器因由两个单向磁放大器组成，故包含四个铁心，体积较大，结构复杂，制造安装都很麻烦。二十世纪八、九十年代，揭秉信、徐垦等设计了一种只有两个铁心的双向磁放大器。该磁放大器结构比有四个铁心的磁放大器要简单得多。但因其激磁变压器绕组中通过的是直流脉动电流，无法去磁，因此存在着严重的直流磁化问题，导致激磁变压器体积大大增加，效率严重下降。(见文献[I]揭秉信.大电流测量.北京机械工业出版社.1987,157-223 ; [2]国家发明专利“新型零磁通直流互感器”，申请人华中理工大学，发明人揭秉信、陈宇宁、徐恳(应为徐垦)，申请号91101844. 1，公开号CN1054668，公开H :1991/09/18)。

发明内容
本发明的目的在于提供一种用于直流大电流检测的无直流磁化双向磁放大器，该磁放大器不存在激磁变压器的直流磁化问题，使磁放大器体积减小，但效率大幅度提高。本发明提供的一种无直流磁化双向磁放大器，其特征在于磁放大器的激磁信号由激磁变压器和开关电路提供，激磁变压器绕组中流过的激磁电流为交流电流，激磁变压器中不存在直流磁化现象，同时磁放大器仅使用两个铁心，所述开关电路的同步控制电压直接从激磁变压器副边绕组上获得。与现有技术相比，本发明具有以下技术特点
(I)本发明提供的一种用于直流大电流检测的无直流磁化双向磁放大器，激磁变压器绕组中流过的激磁电流为交流电流，激磁变压器中不存在直流磁化现象，使激磁变压器效率提闻，体积减小；(2)磁放大器仅使用两个铁心，结构比四铁心双向磁放大器简单得多，但可测量双向直流电流；(3)本发明提出的双向磁放大器可作为其核心部件传感器，用于零磁通直流大电流互感器和直流大电流比较仪。零磁通直流大电流互感器和直流大电流比较仪作为主要的高精度直流大电流测量设备，在跨区域高压直流输电、有色金属冶炼、电化学、粒子加速器等诸多领域中有广泛的应用。


图I为本发明无直流磁化双向磁放大器的电路框图。图2为本发明无直流磁化双向磁放大器中开关电路之实例I :可控硅式开关电路。图3为本发明无直流磁化双向磁放大器中开关电路之实例2 :继电器式开关电路。
具体实施例方式下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。本发明提供的一种在激磁变压器中不存在直流磁化的双铁心、双向磁放大器，该磁放大器只包含两个铁心，结构比四铁心双向磁放大器简单得多，但却可检测双向直流电流。该磁放大器的激磁部分由激磁变压器和开关电路组成。开关电路的同步控制电压直接从激磁变压器副边绕组上获得。如图I所示，本发明提供的无直流磁化双向磁放大器的结构为采用两个相同材料、相同尺寸的铁心Tl和T2。铁心Tl上绕有激磁线圈W1、一次线圈W3和二次线圈W5 ;铁心T2上绕有激磁线圈W2、一次线圈W4和二次线圈(也称反馈线圈)W6。激磁线圈W1、W2匝数相同并同向串联连接；一次线圈W3、W4匝数相同并同向串联连接；二次线圈W5、W6匝数相同并同向串联连接。各线圈的同名端用圆点(·)标注在图I中。铁心Tl、T2的材料通常为剩磁较高、矩形系数较高、矫顽力较小的铁磁材料，如晶粒取向的冷轧硅钢片、坡莫合金等。铁心Tl、T2形状为圆环，圆环的截面积可根据实验来确定，通常为IX 10_4m2时可保证正常使用；圆环的直径必须足够大，以保证铁心能无障碍地包围被测母线或汇流排，例如，如被测母线直径为O. Im,则铁心Tl、T2的直径应大于O. 3m。激磁线圈Wl、W2匝数为1000匝。在实际应用中一次线圈W3、W4通常为穿过铁心T1、T2的被测母线或汇流排，因此其匝数等于一匝。一次线圈W3、W4中流过的电流为一次电流(I1), 二次线圈W5、W6中流过的电流为二次电流(I2)。二次线圈W5、W6匝数(N2)必须由一次线圈W3或W4的匝数(N1)、一次电流额定值(Iln)、二次电流额定值(I2n)按下式来确定N2 = IlnN1Zl2n例如，若N1 = I匝，Iln = 6000A, I2n = 5A，则N2 = 1200匝。在这里，一次电流为本发明无直流磁化双向磁放大器的输入电流，即被测电流。在同向串联连接的激磁线圈Wl、W2中，Wl的同名端与W2的异名端相连于a点。Wl的异名端与二极管Dl的阳极相连；W2的同名端与二极管D2的阳极相连。二极管Dl的阴极与电阻R5的一端相连于c点。电阻R5的另一端与电阻R6的一端相连于b点。电阻R6的另一端与二极管D2的阴极相连于d点。电阻R5、R6上的电压降之代数和、即c、d两点之间的电位差V。即为本发明无直流磁化双向磁放大器的输出电压。二极管Dl、D2采用反向电压大于100V、正向电流大于5A的整流二极管。电阻R5、R6的阻值与铁心的材料和尺寸，线圈的匝数，激磁电压的大小和频率以及一次电流I1、二次电流I2、磁放大器输出电压的大小都有关系，须通过实验来确定，一般为数欧姆至数十欧姆。
本发明无直流磁化双向磁放大器的激磁电路由激磁变压器BI，开关电路Al、A2、A3、A4组成。激磁变压器BI有三个绕组，原边绕组为W7，两个副边绕组为W8和W9。原边绕组W7所接交流供电电压的大小和频率由实际供电情况确定，通常直接连接到220V工频交流供电电源。副边绕组W8有一个中心抽头，W8的一端到中心抽头的电压与W9两端间的电压大小相等。原边绕组W7，两个副边绕组W8和W9的同名端在图I中用星号(*)表示。副边绕组W9两端间的电压即为本发明无直流磁化双向磁放大器的激磁电压。激磁电压大小的选取与铁心的材料和尺寸，线圈的阻数，一次电流I1、二次电流12、磁放大器输出电压的大小以及电阻R5、R6的阻值均有关系，须通过实验来确定，一般为数十伏特。四个开关电路A1、A2、A3、A4的结构、参数均相同。每个开关电路均有三个接线端，即第一接线端I、第二接线端2和第三接线端3。接线端I和2之间常开。接线端3为控制端，接线端3和I之间的电压为开关电路的控制电压。该控制电压必须与激磁电压同步，故也可称同步控制电压。当接线端2的电位高于接线端I的电位且控制电压大于预设的触发电压时，开关电路触发，使接线端I和2闭合，接线端I和2之间进入导通状态；当接线端2的电位低于接线端I的电位或控制电压小于预设的关断电压时，开关电路关断，使接线端I和2断开，接线端I和2之间重回断开状态。副边绕组W9的同名端与开关电路Al的接线端2、A3的接线端I相连于e点；W9的异名端与A2的接线端2、A4的接线端I相连于f点。开关电路Al的接线端I与A2的接线端I连接于a点；A3的接线端2与A4的接线端2连接于b点。开关电路Al的接线端3与绕组W8的同名端相连；A2的接线端3与绕组W8的异名端相连；A3的接线端3与绕组W9的异名端相连-M的接线端3与绕组W9的同名端相连。绕组W8的中心抽头连接到a点。开关电路A1、A2、A3、A4的接线端1、2之间导通后可承受的导通电流与激磁电流有关，通常可选IA及以上；关断后可耐受的电压与激磁电压有关，通常可选100V及以上。接线端3的触发电压和关断电压须小于激磁电压，通常为数伏特至数十伏特。本发明无直流磁化双向磁放大器的工作过程如下设一次电流I1和二次电流I2的正方向均为电流从对应线圈的同名端流入、异名端流出的方向。当无直流磁化双向磁放大器作为电流传感器单独工作时，无反馈电流I2，这时磁放大器的输出电压V。的大小及极性仅与输入电流、即一次电流I1的大小及方向有关，具体工作状态有如下三种I、平衡状态这时I1 = O。当激磁电压处于正半周，激磁变压器BI的三个绕组W7、W8和W9的同名端均为正电压，异名端均为负电压。激磁电压使开关电路Al和A4的接线端3为正电压而A2和A3的接线端3为负电压。当开关电路Al和A4的接线端3的控制电压达到触发电压，Al和A4导通，而A2和A3仍保持关断。在这里开关电路的导通角通常选择为50° 70°。开关电路Al和A4导通后，一股激磁电流从W9的同名端流出，经e点、Al、a点、Wl、DU R5、b点、A4、f点，流入W9的异名端，对Wl正向激磁，使铁心Tl饱和；另一股激磁电流从W9的同名端流出，经e点、Al、a点、W2、D2、R6、b点、A4、f点，流入W9的异名端，对W2反向激磁，使铁心T2饱和。因W1、W2结构性能相同，D1、D2型号性能相同，R5 = R6，故这两股激磁电流大小相同，在R5、R6上形成的电压大小相等，方向相反，使磁放大器的输出电压V。= O。正半周激磁结束后，Al、A4关断，激磁电流降为零，铁心Tl、T2保持在剩磁状态。当激磁电压处于负半周时，激磁变压器BI的三个绕组Tl、W8和W9的同名端均为负电压，异名端均为正电压。激磁电压使开关电路A2和A3的接线端3为正电压而Al和A4的接线端3为负电压。当开关电路A2和A3的接线端3的控制电压达到触发电压，A2和A3导通，而Al和A4仍保持关断。一股激磁电流从W9的异名端流出，经f点、A2、a点、W1、 DI、R5、b点、A3、e点，流入W9的同名端，对Wl正向激磁，使铁心TI饱和；另一股激磁电流从W9的异名端流出，经f点、A2、a点、W2、D2、R6、b点、A3、e点，流入W9的同名端，对W2反向激磁，使铁心T2饱和。这两股激磁电流大小相同，在R5、R6上形成的电压大小相等，方向相反，使磁放大器的输出电压V。= O。负半周激磁结束后，A2、A3关断，激磁电流降为零，铁心Tl、T2保持在剩磁状态。2、正输入状态这时I1 > 0，即数值不为零的一次电流I1流过线圈W3和W4，方向为正(从同名端流入线圈)。在正输入状态下，除磁放大器铁心Tl、T2的状态与上述在平衡状态下有不同之外，激磁电压正、负半周期间开关电路的导通情况和激磁电流流过的路径均与平衡状态时一样。因存在不为零的一次电流I1，不论激磁电压处于正负哪个半周，在铁心Tl中，I1与激磁变压器产生的激磁电流各自产生的磁势方向相同，共同对Tl激磁，使Tl饱和度趋深；在铁心T2中，I1与激磁变压器产生的激磁电流各自产生的磁势方向相反，激磁电流产生的激磁效果被I1的去磁作用抵消了一部分，使T2饱和度趋浅。因此流过电阻R6的电流数值比流过R5的小，使磁放大器的输出电压V。> O。显然，若I1数值变大，I1的去磁作用将更强，流过电阻R6的电流数值比流过R5的更小，使磁放大器的输出电压V。的数值更大。3、负输入状态这时I1 < O,即数值不为零的一次电流I1流过线圈W3和W4，方向为负(从异名端流入线圈)。在负输入状态下，除磁放大器铁心Tl、T2的状态与上述在平衡状态下有不同之外，激磁电压正、负半周期间开关电路的导通情况和激磁电流流过的路径均与平衡状态时一样。因存在不为零的一次电流I1，不论激磁电压处于正负哪个半周，在铁心T2中，I1与激磁变压器产生的激磁电流各自产生的磁势方向相同，共同对T2激磁，使T2饱和度趋深；在铁心Tl中，I1与激磁变压器产生的激磁电流各自产生的磁势方向相反，激磁电流产生的激磁效果被I1的去磁作用抵消了一部分，使Tl饱和度趋浅。因此流过电阻R5的电流数值比流过R6的小，使磁放大器的输出电压V。<0。显然，若I1数值变大，一次电流的去磁作用将更强，流过电阻R5的电流数值比流过R6的更小，使磁放大器的输出电压V。的数值更大。据上所述，本发明无直流磁化双向磁放大器，其输出电压的数值及极性与输入电流的大小及方向有关，具体为当输入电流为零时，输出电压也为零；当输入电流的数值上升或下降时，输出电压的数值也相应上升或下降；当输入电流反向时，输出电压的极性符号也变反。因此可根据输出电压的大小和极性检测出输入电流的大小和方向。同时不难看出，在本发明无直流磁化双向磁放大器中，流过激磁变压器各绕组的均是大小相等、正负两个半周方向相反的电流，在其铁心中所产生净磁势为零，因此该磁放大器的激磁变压器不存在直流磁化现象。上述过程为本发明无直流磁化双向磁放大器作为电流传感器单独工作，用来检测直流电流时的工作过程。若本发明无直流磁化双向磁放大器用于零磁通直流大电流互感器或直流大电流比较仪，作为其直 流大电流传感器，则零磁通直流大电流互感器或直流大电流比较仪产生的反馈电流将作为二次电流输入到线圈W5、W6中。这时磁放大器的输入电流将由上述的一次电流I1改成一次电流与二次电流各自产生的磁势之差值I1N1-I2N215在对输入电流做了这种改动之后,本发明无直流磁化双向磁放大器这时的工作过程与上述单独工作时的工作过程完全一样。实例某无直流磁化双向磁放大器的铁心Tl、T2形状为环型，铁心直径O. 65m,截面积
0.7父1()-41112。被测母线穿过铁心1'1、了2，因此一次线圈13、14的匝数等于一胆，二次线圈评5、W6匝数为1200匝，激磁线圈W1、W2匝数为1000匝。激磁变压器BI的原边绕组W7接单相交流供电电源，供电电源电压220V，供电电源频率50Hz。激磁变压器的副边绕组W9输出电压为28V，W8输出电压为双28V。整流二极管Dl D2型号为2CZ57，正向电流5A，反向电压 800V。电阻 R5 = R6 = 10 Ω。开关电路为可控硅式开关电路，由可控硅SCR、电容C、稳压管Z和电阻R组成，如图2所示。可控硅SCR的阴极与稳压管Z的阳极、电容C的一端相连于开关电路的接线端
1。电容C的另一端与SCR的门极(也称触发极)、Z的阴极连接于电阻R的一端。电阻R的另一端为开关电路的接线端3。可控硅SCR的阳极为开关电路的接线端2。可控硅SCR的正向导通电流与激磁电流有关，通常可选IA及以上；反向电压与激磁电压有关，通常可选100V及以上。稳压管Z的稳定电压须大于可控硅的门极触发电压。电阻R的阻值应保证流过其的电流大于可控硅的门极触发电流与稳压管电流之和。电容C通常取O. 01至O. I微法。在本实例中，可控硅SCR的型号为KP5，正向电流5A，反向电压800V，触发电流5mA，触发电压3. 5V。稳压管Z的型号为2CW53,稳定电压5V,稳定电流IOmA,最大电流40mA。电阻R = 2kΩ。电容C = 0.1 μ f。可控硅的导通角大约为60°。工作时，激磁电压经过开关电路的电阻R、电容C、稳压管Z的分压，加到可控硅SCR的门极。若可控硅的阳极电压高于阴极电压，即接线端2的电压高于接线端I的电压，且门极电压大于可控硅的触发电压时，可控硅导通，接线端2和I之间处于导通状态，激磁电流从接线端2流向接线端I。若可控硅的阳极电压低于阴极电压，即接线端2的电压低于接线端I的电压时，可控硅截止，接线端2和I之间处于关断状态，激磁电流不能再从接线端2流向接线端I。结合图I和图2可看到，在本实例中，当激磁电压处于正半周，激磁变压器BI的三个绕组W7、W8和W9的同名端均为正电压，异名端均为负电压。激磁电压经开关电路中电阻R、电容C、稳压管Z的分压，使开关电路I和4中可控硅SCR的门极为正电压而开关电路2和3中的SCR的门极为负电压。同时开关电路I和4中SCR的阳极电压高于阴极电压而开关电路2和3中SCR的阳极电压低于阴极电压。当开关电路I和4中的可控硅SCR的门极电压达到触发电压，SCR导通，而开关电路2和3中的SCR仍保持关断。这时一股激磁电流从W9的同名端流出，经e点、开关电路I的SCR、a点、Wl、Dl、R5、b点、开关电路4的SCR、f点，流入W9的异名端，对Wl正向激磁；另一股激磁电流从W9的同名端流出，经e点、开关电路I的SCR、a点、W2、D2、R6、b点、开关电路4的SCR、f点，流入W9的异名端，对W2反向激磁。正半周激磁结束后，开关电路I和4中可控硅SCR的阳极电压低于阴极电压，两个SCR均截止，开关电路I和4中的接线端2和I之间均开路，激磁电流降为零。当激磁电压处于负半周时，激磁变压器BI的三个绕组W7、W8和W9的同名端均为负电压，异名端均为正电压。激磁电压经开关电路中电阻R、电容C、稳压管Z的分压，使开关电路2和3中可控硅SCR的门极为正电压而开关电路I和4中的SCR的门极为负电压。同时开关电路2和3中SCR的阳极电压高于阴极电压而开关电路I和4中SCR的阳极电压低于阴极电压。当 开关电路2和3中SCR的门极电压达到触发电压，SCR导通，而开关电路I和4中的SCR仍保持关断。一股激磁电流从W9的异名端流出，经f·点、开关电路2的SCR、a点、Wl、Dl、R5、b点、开关电路3的SCR、e点，流入W9的同名端，对Wl正向激磁；另一股激磁电流从W9的异名端流出，经f点、开关电路2的SCR、a点、W2、D2、R6、b点、开关电路3的SCR、e点，流入W9的同名端，对W2反向激磁。负半周激磁结束后，开关电路2和3中的可控硅SCR的阳极电压小于阴极电压，两个SCR均截止，开关电路2和3中的接线端2和I之间均开路，激磁电流降为零。综合上述，本实例中的可控硅式开关电路满足图I所示磁放大器对开关电路的要求。实测表明，本实例中无直流磁化双向磁放大器的最大灵敏度为150mV/A。以本实例中磁放大器为传感器组成一次电流额定值6000A、二次电流额定值5A的零磁通直流大电流互感器，当一次电流变化范围为(120% 1% )X6000A时，其直流电流比较误差不超过O. 1%。图3为继电器式开关电路的实例，这里的开关电路采用高频(大于1000Hz)继电器或固态继电器，其电路结构、参数、工作过程等与上述采用可控硅式开关电路的实例类似。以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种无直流磁化双向磁放大器，其特征在于磁放大器的激磁信号由激磁变压器和开关电路提供，激磁变压器绕组中流过的激磁电流为交流电流，激磁变压器中不存在直流磁化现象，同时磁放大器仅使用两个铁心，所述开关电路的同步控制电压直接从激磁变压器副边绕组上获得。
2.根据权利要求I所述的无直流磁化双向磁放大器，其特征在于所述激磁变压器有三个绕组，原边绕组W7，两个副边绕组W8、W9 ;原边绕组W7直接连接交流供电电源；副边绕组W8有一个中心抽头，W8的一端到中心抽头的电压与W9两端间的电压大小相等；原边绕组W7，副边绕组W9两端间的电压即为所述无直流磁化双向磁放大器的激磁电压。
3.根据权利要求I或2所述的无直流磁化双向磁放大器，其特征在于所述开关电路为四个，各开关电路的结构、参数均相同；每个开关电路均有第一至第三接线端，其中，第一、第二接线端之间常开，第三接线端为控制端，第三接线端与第一接线端之间的电压为开关电路的同步控制电压。
4.根据权利要求I或2所述的无直流磁化双向磁放大器，其特征在于所述两个铁心为相同材料、相同尺寸的铁心Tl和T2，铁心Tl上绕有激磁线圈W1、一次线圈W3和二次线圈W5 ;铁心T2上绕有激磁线圈W2、一次线圈W4和二次线圈W6 ;激磁线圈Wl、W2匝数相同并同向串联连接；一次线圈W3、W4匝数相同并同向串联连接；二次线圈W5、W6匝数相同并同向串联连接。
5.根据权利要求3所述的无直流磁化双向磁放大器，其特征在于所述两个铁心为相同材料、相同尺寸的铁心Tl和T2，铁心Tl上绕有激磁线圈W1、一次线圈W3和二次线圈W5 ；铁心T2上绕有激磁线圈W2、一次线圈W4和二次线圈W6 ;激磁线圈W1、W2匝数相同并同向串联连接；一次线圈W3、W4匝数相同并同向串联连接；二次线圈W5、W6匝数相同并同向串联连接。
6.根据权利要求3所述的无直流磁化双向磁放大器，其特征在于所述开关电路为可控硅式开关电路或继电器式开关电路。
全文摘要
本发明属于电力测量技术领域，具体为一种用于直流大电流检测的无直流磁化双向磁放大器。磁放大器仅使用两个铁心，但可测量双向直流电流。磁放大器的激磁信号由激磁变压器和开关电路提供，激磁变压器绕组中流过的激磁电流为交流电流，因此激磁变压器中不存在直流磁化现象，使激磁变压器效率提高，体积减小。开关电路的同步控制电压直接从激磁变压器副边绕组上获得。该磁放大器可作为电流传感器，用于零磁通直流大电流互感器和直流大电流比较仪。
文档编号G01R15/00GK102879624SQ20121032798
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者徐垦, 徐雁, 肖霞 申请人:华中科技大学