電流互感器設計實(shí)例

電流互感器設計實(shí)例

我們將設計一個(gè)電流互感器。使用電流互感器可以減小測量變換器原邊電流時(shí)的損耗,比如大功率開(kāi)關(guān)電源，由于電流過(guò)大所以需要使用電流互感線(xiàn)圈來(lái)監測電流以減少損耗.

電流互感器與一般的電壓變壓器的區別在什么地方呢?這個(gè)問(wèn)題即使是資深的磁性元件設計人員也很難回答?；镜膮^別在于：變壓器試圖把電壓從原邊變換到副邊，而電流互感器試圖把電流從原邊變換到副邊。電流互感器的電壓大小由負載決定。

我們通過(guò)一個(gè)實(shí)際的設計例子，可以更好地理解電流互感器的工作原理。

假設用電流互感器測量變換器的原邊電流，原邊10A電流對應1V電壓。當然，我們可以用一個(gè)1V/10A=100mΩ的電阻來(lái)測量，但是電阻將造成的損耗為1V×10A=10W，這么大的損耗對幾乎所有的設計來(lái)說(shuō)都是不能接受的。所以，要選用電流互感器，如圖1所示。

圖1 用電流檢測互感器減小損耗

當然，為了減少繞組電阻，我們把原邊的匝數取為1匝，同時(shí)為了使電流降到一個(gè)比較低的水平，副邊匝數應該比較多。如果副邊匝數為N，由歐姆定律可得(10/N)R=1V，在電阻中消耗的功率為P=(1V)2/R。我們假設消耗的功率為50mW(也就是說(shuō)，我們可以使用100mW規格的電阻)，這就要求R不得小于20Ω，如果采用20Ω的電阻，由歐姆定律可得副邊匝數N=200。

現在我們來(lái)看磁芯，假設二極管是普通的一般的二極管，通態(tài)電壓大約為1V，電流為10A/200=50mA?；ジ衅鬏敵鲭妷簽?V，加上二極管的通態(tài)電壓1V，總電壓大約2V。250kHz頻率工作時(shí)，磁芯上的磁感應強度不會(huì )超過(guò)

由于原邊流過(guò)電流的時(shí)間不可能超過(guò)開(kāi)關(guān)周期(否則，磁芯無(wú)法復位)。因此Ae可以很小，而B(niǎo)也不會(huì )很大。這個(gè)例子里磁芯的尺寸不能通過(guò)損耗要求或磁通飽和要求來(lái)確定，更大的可能是由原副邊之間的隔離電壓來(lái)確定。如果隔離電壓沒(méi)有要求，磁芯的大小一般由200匝的繞組所占體積來(lái)確定。你可以用40號的導線(xiàn)流過(guò)500mA的峰值電流，但是這種導線(xiàn)實(shí)在太細，一般的變壓器廠(chǎng)家不會(huì )為你繞制。

實(shí)用提示 除非一定要用，一般情況下不要使用規格小于36號線(xiàn)的導線(xiàn)。

現在我們來(lái)分析為什么不能用電壓變壓器來(lái)替代電流互感器?已經(jīng)知道副邊電壓只有2V，因此原邊電壓為2V/200=100mV。如果輸入直流電壓為48V，那么電流互感器原邊10mV電壓對48V電壓來(lái)說(shuō)是微不足道的——那樣你可以在副邊得到50mA的電流，而對原邊幾乎沒(méi)有什么影響。假設另一種情況(不現實(shí)的)，原邊的輸入直流電壓只有5mV，那么互感器的原邊不可能有10mV的電壓，同時(shí)由于原邊阻抗(如反射副邊阻抗)也比較大，決定了副邊根本不可能產(chǎn)生50mA的電流。即使整個(gè)5mV電壓全部加在原邊，副邊也只能產(chǎn)生200×5mV=1V的電壓：不能在轉換電阻上產(chǎn)生足夠的電壓。因此，電壓變壓器只能用作變壓器，不能用來(lái)檢測電流。

從另外一個(gè)角度來(lái)看：雖然輸入電源的電壓為48V時(shí)，但是流過(guò)電流互感器電流的大小不是由原邊的這個(gè)48V電壓決定的，而是其他因素決定的。

電流互感器是有阻抗限制的電壓變壓器。

最后，我們來(lái)看一下電流互感器的誤差情況怎么樣?答案在于電流互感器的基本定義上：感應的是電流。

實(shí)用提示 電流互感中的二極管和副邊繞組的電阻不會(huì )影響電流的測量，因為(只要阻抗不是無(wú)窮大)串聯(lián)電路中電流處處相等，與串聯(lián)的元件無(wú)關(guān)。

實(shí)際工作中，是不是使用肖特基二極管作為整流二極管是沒(méi)有關(guān)系的：二極管的低通態(tài)電壓只影響變壓器，不會(huì )影響電流互感器。

如果互感器副邊的電感太小，測量誤差將會(huì )增大。也就是激磁電感太小，假設我們要求測量電流的最大誤差為1%，副邊電流為50mA，那么副邊電流就是50mA，這就意味著(zhù)要求激磁電流(副邊)應該小于50mA×1%=500μA。激磁電流沒(méi)有流過(guò)轉換電阻，我們也無(wú)法檢測到這個(gè)電流，這樣誤差就增大了。我們可以算出副邊電感的最小值

現在的匝數為200，我們需要AL=16mH/200=400nH的磁環(huán)，用普通的小鐵氧體磁環(huán)就可以了，這種鐵氧體磁環(huán)是很容易找到的。