專利名稱：交流電流偵測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種交流電流偵測(cè)器，尤其是關(guān)于一種利用具有兩組次級(jí)線圈的變壓器結(jié)構(gòu)，以達(dá)到高精確量測(cè)交流電流目的的交流電流偵測(cè)器。
在科技日新月異的今日，幾乎所有的裝備都無法脫離電而單獨(dú)運(yùn)作。電力系統(tǒng)方面，為了確保各電力設(shè)備的正常動(dòng)作，故必須隨時(shí)偵測(cè)電流狀態(tài)，以便對(duì)設(shè)備動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)控，而在設(shè)備誤動(dòng)作時(shí)亦可采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，在積體電路等精密微電子方面，電子裝置間的控制信號(hào)及資料號(hào)傳迅數(shù)以千百計(jì)，只要任一電流信號(hào)檢測(cè)錯(cuò)誤，就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生誤動(dòng)作。因此，如何確實(shí)精密地測(cè)量電流，在今天是非常重要的課題。
常用的電流偵測(cè)器可分下列兩種，一種是電阻偵測(cè)法，請(qǐng)參看圖一的電路圖，是將一測(cè)試電阻與待測(cè)電流的電路串聯(lián)，待讀取該電阻上的電壓值后，便可依歐姆定律而換算出該電阻上流經(jīng)的待測(cè)電流(Iin＝Vout/R)，構(gòu)造雖然簡(jiǎn)單，但是電流流經(jīng)電阻產(chǎn)生的熱效應(yīng)(P＝Iin2R)。將便得電阻溫度升高，電阻值受熱而改變，導(dǎo)致量測(cè)出的電流值會(huì)有很大的誤差存在，同時(shí)也會(huì)造成不小的功率損耗。
另外一種量測(cè)方法是比流器偵測(cè)法，請(qǐng)參看圖二的電路圖，其使用比流器(儀用變壓器的一種)，將待測(cè)電流電路與比流器的初級(jí)線圈(電流輸入線圈)串聯(lián)，次級(jí)線圈(電流輸出線圈)則流出與待測(cè)電流I(即Iin)成比例的較小電流Iout，該比例和線圈匝數(shù)比成反比，再用檢測(cè)儀器量測(cè)出此電流Iout。量測(cè)出此電流后，待測(cè)電流便可由公式Iin＝IoutX(M/N)推算出。然而由于一般對(duì)電流的處理比不上對(duì)電壓處理容易，故通常串接一測(cè)試電阻于次級(jí)線圈，以測(cè)量測(cè)試電阻上電壓值Vout，請(qǐng)參看圖三的電路圖，此時(shí)可由公式Iin＝(Vout/R)X(M/N)計(jì)算出待測(cè)電流Iin的大小。
由于上述的比流法是將待測(cè)電流經(jīng)過一比流器而轉(zhuǎn)換至一較小電流，使流過測(cè)試電阻的電流較小，故功率損失較上述電阻法為小，電阻值隨溫度效應(yīng)而改變亦較小，故可使誤差變小，但是仍存在以下幾個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)
1.電阻仍為主要負(fù)載，功率損耗導(dǎo)致溫升將造成電阻值的變化，此對(duì)精密量測(cè)而言非常不利，必須采用品質(zhì)較好(即溫度系數(shù)小)的電阻以改善此缺點(diǎn)。
2.由于比流器本身亦有阻抗(繞組的電阻，磁芯的等效電阻，線圈的漏磁通造成的漏磁電抗及線圈的磁化電抗)存在，因此在電流流過后將會(huì)造成電壓降，故依輸出電壓Vout推算出的電流值將會(huì)有誤差。
3.請(qǐng)參看圖四的等效電路圖，即使選用品質(zhì)優(yōu)良的電阻作將測(cè)試電阻R，然而次級(jí)線圈M所采用的銅絲本身即為一大溫度系數(shù)的電阻R2，其對(duì)溫度非常敏感，且其與測(cè)試電阻R串接，在兩溫度系數(shù)不同導(dǎo)體串接情況下，其精確度更是大大的降低。
4.線圈銅絲與測(cè)試電阻R相接點(diǎn)為異質(zhì)金屬接點(diǎn)，其所產(chǎn)生的電位能(WORKFUNCTION)會(huì)干擾量測(cè)，同時(shí)于接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生一接觸電阻Rc其亦為一溫度系數(shù)元件。
5.倘使待測(cè)電流很大時(shí)，所需的比流器線圈的電流比將很大，也就是其圈數(shù)比將會(huì)很大，在制造上會(huì)很困難，此時(shí)通常采取多組比流器串聯(lián)以逐一降低電流，請(qǐng)參考圖五的電路圖，再以電阻R取出最末一個(gè)比流器次級(jí)線圈的電壓Vout值，然而在比流器如此串聯(lián)下，比流器串接下的內(nèi)部阻抗更不能忽略，精密度大大降低。
本實(shí)用新型的主要目的在于提供一種交流電流偵測(cè)器，是將次級(jí)線圈分成兩組，以消除溫升、電阻溫度系數(shù)及電阻負(fù)載效應(yīng)所造成的量測(cè)誤差，以達(dá)到高精確的量測(cè)目的。
本實(shí)用新型的另一目的在于提供一種交流電流偵測(cè)器，其使于量測(cè)電流時(shí)，可減少不必要的功率損耗。
常見的電流偵測(cè)器，由上列陳述，足證至今仍存在著缺點(diǎn)，因而無法對(duì)電流作精確的量測(cè)。有鑒于此本發(fā)明者乃針對(duì)習(xí)知電流偵測(cè)器的缺點(diǎn)，以及本身在電機(jī)領(lǐng)域上多年的豐富實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間研究而設(shè)計(jì)出此種構(gòu)造簡(jiǎn)單，并可確實(shí)達(dá)到高精密測(cè)量電流目的的交流電流測(cè)試器。
本實(shí)用新型包括鐵芯、電流入線圈、電流出線圖；一鐵芯，為一低鐵芯損耗，低磁帶損耗，低漏磁通，低激磁電抗及高通的磁性材料；一電流入線圈，其材料為導(dǎo)電金屬，繞在鐵芯上，與待測(cè)電流電路串聯(lián)；一電流出線圈，其材料為高穩(wěn)定度及低溫度系數(shù)的電阻絲，繞在鐵芯上，其兩端焊接短路；以及一讀取線圈，繞在鐵芯上，兩端開路，可與檢測(cè)儀器串接以量測(cè)感應(yīng)電壓；由上述結(jié)構(gòu)，以電流輸入線圈和待測(cè)電流電路串聯(lián)，使二次側(cè)電流幾乎完全流經(jīng)電流輸出線圈，并利用檢測(cè)儀器量測(cè)讀取線圈上的感測(cè)電壓，如此結(jié)構(gòu)安排可以消除溫升、電阻溫度系數(shù)及電阻負(fù)載效應(yīng)所造成的電流量測(cè)誤差，且可降低功率損耗而達(dá)到高精確量測(cè)交流電流的目的。
本實(shí)用新型交流電流偵測(cè)器是一形同變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)，它是以初級(jí)線圈與待測(cè)交流電流電路相串聯(lián)，如同傳統(tǒng)比流器的接法，而次級(jí)線圈有兩組，第一組使用高穩(wěn)定度，低溫度系數(shù)的電阻絲(如錳銅絲)繞成，將其兩末端焊接短路；第二組線圈則開路，是用作檢測(cè)儀器量測(cè)電壓的讀取線圈，本實(shí)用新型相較傳統(tǒng)的電流偵測(cè)器有如下的優(yōu)點(diǎn)1.本實(shí)用新型第二組次級(jí)線圈(即讀取線圈)為開路狀態(tài)，故二次側(cè)電流幾乎完全流經(jīng)第一組次級(jí)線圈(即電流輸出線圈)，即整個(gè)第一組次級(jí)線圈本身即為二次側(cè)電流負(fù)載電阻，故散熱情形良好；而其是采用溫度系數(shù)小的電阻材料，且溫度系數(shù)處處相同，故電阻值幾乎不變；又其為單一金屬導(dǎo)體，沒有和其他異質(zhì)金屬接觸，故無接觸電位能干擾及接觸電阻產(chǎn)生。
2.第二組次級(jí)線圈上感應(yīng)的電壓和第一組線較原電壓成比例(此比例即為第二組線圈和第一組線圈的匝數(shù)比)，讀取儀器串聯(lián)于第二組線圈以量測(cè)此感應(yīng)電壓，由于讀取儀器阻抗很高，故流經(jīng)讀取線圈的電流很小(可視為開路狀態(tài))，所以鐵芯及線圈所導(dǎo)致的電感性壓降及電阻性壓降非常小，可以忽略不計(jì)，無傳統(tǒng)比流器的負(fù)載效應(yīng)。
3.電流幾乎全部流經(jīng)第一組次級(jí)線圈(電流輸出線圈)，故本實(shí)用新型的損耗功率幾乎全部在第一組次級(jí)線圈上，由于線圈電阻值較一般電阻值小很多，故其損耗功率遠(yuǎn)較電阻法及比流法所損耗的功率小。
4.當(dāng)待測(cè)電流很大時(shí)，如果不提升初級(jí)線圈及次級(jí)線圈的匝數(shù)比，則流經(jīng)次級(jí)的電流亦會(huì)很大，如果是傳統(tǒng)的比流器，不采用多級(jí)串接的方式的話，待測(cè)電阻將無法承受如此大的發(fā)熱功率而燒毀，即便待測(cè)電阻能耐得住如此高的功率，但是其電阻上的電壓亦會(huì)很大，不易量測(cè)且容易發(fā)生危險(xiǎn)，但是對(duì)本實(shí)用新型而言，由于第一組次級(jí)線圈電阻值很小，故發(fā)熱功率較傳統(tǒng)小很多，電壓也較小，且縱使因待測(cè)電流太大而導(dǎo)致第一組次級(jí)線圈的電壓過高，但是由于電壓是從第二組線圈讀取，故可改變第二組線圈對(duì)第一級(jí)線圈的匝數(shù)比以降低第二組線圈上感應(yīng)電壓值，此外，亦可直接降低第一組次級(jí)線圈的電阻值(如使用更粗的電阻線)，以降低第二組線圈的感應(yīng)電壓，使其易于量測(cè)。因此，以本實(shí)用新型量測(cè)大電流時(shí)，將無需使用多級(jí)方式，僅需改變次級(jí)兩組線圈的匝數(shù)比或改變第一組線圈的電阻值即可，操作非常方便，且可節(jié)省體積及成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。
5.一般的電流器要在次級(jí)線圈測(cè)避免開路，因此在未做量測(cè)時(shí)，通常要在次級(jí)線圈處加上短路接線，然而此短路接線常會(huì)因電流過大而燒壞。而本實(shí)用新型的第一組次級(jí)線圈本身即為短路線圈結(jié)構(gòu)，因此可提供更安全的量測(cè)，尤其是以量測(cè)大電流時(shí)更能顯現(xiàn)本實(shí)用新型優(yōu)于其他習(xí)知技術(shù)。
請(qǐng)參閱以下有關(guān)本創(chuàng)作一較佳實(shí)施例的詳細(xì)說明及其附圖，將可進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容及其目的功效；有關(guān)該實(shí)施例的附圖為

圖1為習(xí)知以電阻法量測(cè)電流的電路圖。
圖2為習(xí)知以比流器量測(cè)電流的電路圖。
圖3為習(xí)知以比流器串聯(lián)測(cè)試電阻以量測(cè)電壓的電路圖，圖1～圖3中DL為電路。
圖4為第3圖的等效電路圖。
圖5為習(xí)知以串接數(shù)個(gè)比流器量測(cè)大電流的電路圖。
圖6為本實(shí)用新型的交流電流偵測(cè)器的電路圖。
圖7為本實(shí)用新型的交流電流偵測(cè)器的等效電路圖。
請(qǐng)參看圖1，它是以電阻法量測(cè)電流的電路圖，待讀取測(cè)試電阻R上的電壓值Vout后，便可由歐姆定律而換算出待測(cè)電流Iin值。
請(qǐng)參看圖2，它是以比流器量測(cè)電流的電路圖，待量測(cè)出次級(jí)線圈的電流Iout后，可由線圈匝數(shù)比而換算出待測(cè)電流Iin的大小。
請(qǐng)參看圖3，它是以比流器串聯(lián)測(cè)試電阻以量測(cè)電壓的電路圖，虛線內(nèi)為比流器，量測(cè)出次級(jí)線圈上的測(cè)試電阻R的電壓Vout后，待測(cè)電流便可由公式Iin＝(Vout/R)X(M/N)而換出待測(cè)電流值。
請(qǐng)參看圖4，它是圖3的等效電路圖，虛線內(nèi)為實(shí)際的比流器等效電路，粗實(shí)線為理想變壓器，由于比流器是變壓器的一種，而變壓器本身有阻抗(繞組的電阻，磁芯的等效電阻，線圈的漏磁通造成的漏磁電抗及線圈的磁化電抗)存在，其中繞組電阻具有決定性的影響，因此實(shí)際比流器的等效電路包括理想變壓器及兩側(cè)線圈的電阻R1及R2。除此之外，由于比流器尚無一待測(cè)電阻串聯(lián)，故尚有一干擾電位能及接觸電阻Rc存在。
請(qǐng)參看圖5，它是以串接數(shù)個(gè)比流器量測(cè)大電流的電路圖，將多組比流器予以串聯(lián)以便逐一降低電流，再以電阻取出最末一個(gè)比流器次級(jí)線圈的電壓值，可由公式Iin＝(Vout/R)X(M1/N1)X(M2/N2)X…X(Mn/Nn)，而換算出待測(cè)電流值。
請(qǐng)參看圖6，它是本實(shí)用新型交流電流偵測(cè)器的電路圖，為一形同變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)，是以初級(jí)線圈(電流輸入線圈，是繞N匝于鐵芯上)與待測(cè)交流電流的電路相串聯(lián)，如同傳統(tǒng)比流器的接法(如為柱形中空鐵芯結(jié)構(gòu)，則將待測(cè)交流電流的電路貫穿此鐵蕊即可)。次級(jí)線圈有兩組，第一組線圈(電流輸出線圈)是使用高穩(wěn)定度，低溫度系數(shù)的電阻絲(如錳銅絲)，繞M圈子上述鐵芯上，并將兩末端焊接短路，第二組線圈(可為一般銅線)則繞成P圈于鐵芯上，線圈兩端開路，其是為用作檢測(cè)儀器量測(cè)感應(yīng)電壓的讀取線圈。由于檢測(cè)儀器的內(nèi)阻為高阻抗，讀取線圈上的電流非常小，故連接檢測(cè)儀器后的該線圈仍可視為開路狀態(tài)，故二次側(cè)電流幾乎完全流經(jīng)第一組次級(jí)線圈(電流輸出線圈)，亦即由此線圈上的電流來完全抵消初級(jí)線圈于鐵芯所造成的磁動(dòng)勢(shì)，而第二組線圈(讀取線圈)則作為讀取感應(yīng)電壓用，其上電流非常小，由如此的結(jié)構(gòu)安排，將傳統(tǒng)比流器次級(jí)線圈所負(fù)擔(dān)的功能(讓電流流過以抵消初級(jí)線圈所造成的磁動(dòng)勢(shì)及用以讀取電壓這兩個(gè)功能)分開，而以兩個(gè)線圈分別來完成，如此將可完全傳統(tǒng)比流器因溫升、電阻系數(shù)及電阻負(fù)載效應(yīng)所造成的量測(cè)誤差，且可降低損耗于電流偵測(cè)器內(nèi)的功率損耗而達(dá)到高精確的量測(cè)目的。該鐵芯可為一中空結(jié)構(gòu)，使待測(cè)電流電路可經(jīng)由此中空結(jié)構(gòu)穿透鐵芯，無須以電流輸入線圈串聯(lián)待測(cè)電流電路。為了更詳細(xì)說明本實(shí)用新型的原理及推導(dǎo)出實(shí)際應(yīng)用本發(fā)明后的結(jié)果，必要以本發(fā)明的電路作分析，其分析如下圖7為本實(shí)用新型交流電流偵測(cè)器的等效電路圖，本發(fā)明可以等效為一理想變壓器(粗實(shí)線為理想變壓器，可使用理想變壓器的公式)及兩側(cè)的線圈電阻r1、r2及r3，而檢測(cè)儀器的內(nèi)阻為r4。由匝數(shù)比可知本發(fā)明的電流負(fù)載線圈上的電流大小Iout=IinX(N/M)，由于電流輸出線圈的線圈電阻為r2，而其兩端為短路，故電壓V1＝IoutXr2，和待測(cè)的電流成正比，但此電壓無法由外部檢測(cè)儀器量出，但可由第二組次級(jí)線圈(讀取線圈)量出此電壓大小，因?yàn)橛衫硐胱儔浩骼碚撝?，鐵芯上每一線圈的感應(yīng)電壓和整個(gè)磁芯上的磁通量變化率成正比，由此可知讀取線圈上的電壓V2＝V1X(P/M)＝IinX(N/M)Xr2X(P/M)，由于檢測(cè)儀器內(nèi)阻r4為一高阻抗(百萬歐姆以上)，亦即讀取線圈可視作開路狀，幾乎無電流流經(jīng)其上，而線圈電阻為數(shù)歐姆，無電壓降，即故無傳統(tǒng)比流器的負(fù)載電阻效應(yīng)，故檢測(cè)儀器上量測(cè)出的電壓值Vout和V2相同。其和待測(cè)電流Iin成正比，故可依此換算出待測(cè)電流的大小，其換算公式為Iin＝V2XM2/N/P/r2。實(shí)驗(yàn)證實(shí)與理論分析完全相同。
從上述可知，本實(shí)用新型以巧思的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善以電流偵測(cè)器無法達(dá)到高精確量測(cè)電流的缺點(diǎn)，且可依實(shí)際需要(待測(cè)電流的范圍)調(diào)整匝數(shù)比，可適應(yīng)于任何設(shè)備，而達(dá)到高精確的量測(cè)結(jié)果，故本發(fā)明充分符合專利法中的新穎性及進(jìn)步性的法定新型專利要件，現(xiàn)依法提出申請(qǐng)。
上述的具體實(shí)施例是用來詳細(xì)說明本實(shí)用新型的目的、特征及功效，對(duì)于熟悉此類技藝的人士而言，根據(jù)上述說明，可能對(duì)該具體實(shí)施例作部分變更及修正，而并不脫離出本發(fā)明的精神范疇。
權(quán)利要求1.一種交流電流偵測(cè)器，包括電流入線圈、電流出線圈，其特征是一電流入線圈，繞在鐵芯上，與待測(cè)電流電路串聯(lián)；一電流出線圈，繞在鐵芯上，其兩端焊接短路；以及一讀取線圈，繞在鐵芯上，兩端開路，可與檢測(cè)儀器串接以量測(cè)感應(yīng)電壓。
2.按照權(quán)利要求1所述的交流電流偵測(cè)器，其特征是電流輸出線圈材料為錳銅絲。
3.按照權(quán)利要求1所述的交流電流偵測(cè)器，其特征是該鐵芯可為一中空結(jié)構(gòu)，使待測(cè)電流電路可經(jīng)由此中空結(jié)構(gòu)穿透鐵芯，無須以電流輸入線圈串聯(lián)待測(cè)電流電路。
專利摘要本實(shí)用新型是一種交流電流偵測(cè)器,其結(jié)構(gòu)包括鐵芯、電流輸入線圈、高穩(wěn)定且低溫度系數(shù)的電流輸出線圈及讀取線圈,它是以電流輸入線圈和待測(cè)電流電路串聯(lián),而鐵芯二次側(cè)感應(yīng)的電流則幾乎完全流經(jīng)電流輸出線圈,最后再以檢測(cè)儀器量測(cè)讀取線圈上的感應(yīng)電壓,如此安排將可以降低功率損耗并消除溫升、電阻溫度系數(shù)及電阻負(fù)載效應(yīng)所造成的電流量測(cè)誤差,以達(dá)到高精確量測(cè)交流電流之目的。
文檔編號(hào)G01R1/00GK2372691SQ99223938
公開日2000年4月5日 申請(qǐng)日期1999年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月28日
發(fā)明者劉志生 申請(qǐng)人:劉志生