用于测定直流电回路中的交流电分量的装置及其用途

摘要

一种用于测定在直流电回路(1)中流动的电流i

说明书

技术领域

本发明涉及一种装置，该装置用于测定在直流电回路(DC电流回路) 中流动的电流的交流电分量(AC分量)、尤其用于测定在电流回路中的电 弧和/或通信息号，为了传输直流电(DC)，这些通信信号设置有高的DC 电流强度。本发明还涉及该装置在一个光伏设备中的用途。

现有技术

用于测定在直流电回路中的AC分量的常规的电流传感器根据如下原 理工作，测定通过由该AC分量产生的、时间上可变的、在一个电感部件 中的电场感生的交流电压，其中所感生的交流电压与该待测量的AC分量 相对应，尤其与该待测量的AC分量是成比例的。尤其使用所谓的电流转 换器作为电感部件，这些电流转换器由具有磁性的芯材料的线圈组成并且 在同时小的构造形式和少的绕组匝数的情况下达到高的电感值。

尤其在光伏设备的DC电流回路中，DC电流强度通常以几个安培至几 十个安培的数量级出现。同时，例如由在该DC电流回路中在几个kHz至 几百个kHz的频率范围内待检测的电弧引起的AC分量的幅值为仅几个毫 安。

在使用具有磁性的芯材料的电流传感器时，尤其在如此高的DC电流 强度下必须避免该芯材料的饱和。为此使用具有低的磁导率的芯材料或加 大该芯的体积。然而较低的磁导率对该传感器的灵敏度和线性度产生不利 影响，这尤其在测量通过在宽的频率范围上的非常小的AC电流是显而易 见的。较大的芯体积又对构造尺寸及由此对成本产生不利影响。

替代性地，已知如下电流传感器，这些电流传感器构造为不具有磁性 的芯的空心线圈并且安排为呈环形地围绕一个导体，应在该导体中测量 AC分量。由于缺少芯材料，这些空心线圈没有饱和现象并且由此良好地 适用于测量高的DC电流上的AC分量。这些所谓的罗氏传感器 (Rogowski-Sensoren)尤其适用于测量具有大的幅值的AC分量或适用于 在高的频率下测量小的AC分量。然而这些罗氏传感器仅导致适用于在低 的频率下测量小的AC分量。

电感式电流传感器的灵敏度由频率决定，使得该待测量的AC分量的 频率越小，就必须存在越高的电感。该电感能够通过该芯材料的磁导率的 提高或通过绕组的更大的数量而提高，由此使得构造尺寸和成本升高。

发明目的

本发明所基于的目的在于，揭示一种如下装置，该装置可能实现在一 个预定的、具有高的灵敏度和准确度的频率范围内测定在直流电回路(DC 电流回路)中流动的电流的交流电分量(AC分量)，其中该装置能够成本 有效地进行生产。

解决方案

该目的通过用于测定在直流电回路(DC电流回路)中流动的电流的 交流电分量(AC分量)的一种装置实现，该装置具有在该DC电流回路 中安排的一个电感器，其中一个AC路径被安排为与该电感器电并联，该 AC路径包括由一个电容和一个传输器的初级侧绕组组成的一个串联电 路。该装置还包括一个电压测量装置。该装置的突出之处在于一个低通电 路，其中该传输器的一个次级侧绕组通过该低通电路与该电压测量装置相 连接，也就是说，该传输器的该次级侧绕组与一个输入端相连接并且该电 压测量装置与该低通电路的一个输出侧相连接。

由此该装置由两个路径电气地组成，一个AC路径和一个DC路径， 这些路径将在该DC电流回路中流动的电流划分成AC分量和DC分量， 并且该AC分量借助于该低通电路在下游线性化。该DC路径包括一个电 感器，该电感器可用于使该DC分量通过，然而针对该AC分量形成一个 依赖于频率的电阻器，其方式为，使得该DC路径的阻抗随着频率增加而 线性地上升。相反地，由于在该AC路径中安排的、用于该DC分量的电 容，该AC路径被阻挡。结果是，优选通过该AC路径来引导该电流的AC 分量。

该电路的优点在于，在该AC路径中安排的部件不必被设计为用于在 该DC路径中流动的、高的DC电流，并且由此在设计传输器时不需考虑 饱和效应，并且在该AC直径中的部件仅必须具有小的载流量。在该DC 路径中例如为几十个安培的DC电流强度下能够在根据本发明的AC路径 中使用如下传输器，该传输器可能比以常规方式安排在该DC路径中的传 输器小几个数量级。仅在该DC路径中的线圈必须如此制造，使得该线圈 在出现DC电流强度的情况下不饱和。

在一个实施方式中，由在该DC路径中的电感器和在该AC路径中的 电容形成的高通具有一个极限频率，该极限频率在待检测的AC分量的频 率以上。该设置乍一看不利于测定这些待检测的AC分量，因为在该极限 频率以下的高通的传输特征具有随着频率上升而上升的(即非线性的)曲 线。但一方面得出以下优点，极限频率选择得越高，则能够使用的电感和 电容就越小。

另一方面，与该传输器的次级侧绕组相连接的低通电路实现使该传输 特征线性化。为此以如下方式设计该低通电路，使得在一个预定的频率范 围内(待检测的AC分量处于该频率范围内)的低通电路的传输函数具有 如下曲线，该曲线与在该预定频率范围内的高通的传输函数的曲线互补。 具体地，这意味着：在该预定的频率范围内的低通电路的传输函数具有一 个与在该预定的频率范围内的高通的传输函数可比较的斜率，但具有相反 的符号。因此总体上，该装置在该预定的频率范围内具有一个接近常数的 总传输函数，但至少带有相对于该高通的传输函数减少的变化(即该传输 因数的斜率和/或波动幅度被减少)的总传输函数。具体地，在一个所实现 的应用情形下，该总传输函数的曲线在该预定的频率范围内具有相对于该 高通的传输函数减少了至少因数5的变化。

在此该预定的频率范围包括这些待检测的AC分量并且处于由在该 DC路径中的电感器和在该AC路径中的电容组成的高通的极限频率以下。 如果现在该极限频率(例如几百千赫兹)和待检测的AC分量的预定的频 率范围的下限之间存在一个大于2的因数，则由于电感减小而获得的优点 克服了由于部件耗费(用于通过该低通电路的后续线性化)的提高而产生 的缺点。该高通的极限频率优选以至少因数5、尤其优选以至少因数10处 于该预定的频率范围的下限以上，因此处于这些待检测的AC分量的预定 的频率范围以上。

在本发明的一个实施方式中，该传输器包括一个终止电阻器，该终止 电阻器优选地被安排为与该传输器的次级侧绕组电并联。可以优选以如下 方式设计该终止电阻器，使得该高通在其极限频率处的传输函数的谐振峰 值以如下方式变得缓和或平坦，以便尤其在该高 通的极限频率的范围内得出一个具有单调上升的曲线的传输函数。替代性 地，与前述的实施方式相比，可以增大该终止电阻器，使得该传输器的初 级侧绕组和与该初级侧绕组串联连接的电容形成一个带通，该带通具有在 该高通的极限频率以下的显著的谐振最大值。

在本发明的另一个实施方式中，该DC路径包括由该电感器和一个电 容形成的并联电路组成的一个带阻，由此使得该DC路径的阻抗不再仅线 性地随着频率升高而升高，而是在通过设计电感器和电容而确定的、该带 阻的谐振频率的频率范围内是非常高欧姆的。然后这些待检测的AC分量 尤其在该频率范围内在很大程度上排他地通过该AC路径被引导。在一个 优选的实施方式中，以如下方式设计该传输器的终止电阻器和在该AC路 径中的电容，使得该传输器的初级侧绕组和与该初级侧绕组串联连接的电 容形成一个带通，该带通的谐振频率与该带阻的谐振频率处于相同的频率 范围内。也就是说，该AC路径的最小阻抗优选与该DC路径的最大阻抗 一起下降，以便获得最佳的带通性能。然后通过与该传输器的次级侧绕组 相连接的低通电路尤其在带通和/或带阻的谐振频率以下使频率范围线性 化。此外，在带通和/或带阻的谐振频率处的传输函数的谐振峰值可以被用 于最佳地测定其他的、尤其窄带的AC分量(例如电力线通信信号)。

该低通电路可以形成为常规的无源的低通，或替代性地有源的低通， 尤其单级的或多级的、反相的或非反相的集成器。通过在使用一个有源的 低通例如借助于多个运算放大器的情况下在这些待检测的AC分量的频率 范围内进行加强，能够实现的是，通过电感器或带阻和带通的组合而引起 的、对待检测的AC分量的阻尼而得到补偿。

在本发明的一个实施方式中，该低通电路由一个一级集成电路组成， 该集成电路包括一个运算放大器。在一个替代性的实施方式中，该低通电 路由一个2级集成电路组成，该集成电路包括多个运算放大器的一个串联 电路。

在本发明的另一个实施方式中，一个电容被安排为与该传输器的该次 级侧绕组并联，该电容和该传输器的该次级侧绕组的一个杂散电感器 一起形成一个谐振回路，该谐振回路的谐振频率位于 这些待检测的AC分量的频率范围的下限的范围内，然而至少位于该高通 的角频率以下或位于带阻和/或带通的谐振频率以下。

可以由一个分析装置(例如一个信号处理器)在可预定的特征方面来 分析由该电压测量装置测定的交流电分量。正如尤其可能在光伏的直流电 回路中出现的那样，尤其在该直流电回路中、优选在该直流电回路中流动 的、在几个安培的范围内的直流电的高幅值下产生的电弧具有特征性的 AC分量，这些AC分量能够在根据本发明设计该装置的情况下由该电压 测量装置测定并且能够由该分析装置识别为电弧信号。

此外为了通信目的，可以向在该直流电回路中流动的电流施加一个交 流电分量。这些所谓的电力线通信信号同样由该电压测量装置测定并且能 够对应地由该分析装置分析，并且尤其以数字方式向一个电力线通信伙伴 转发。

在本发明的一个实施方式中，该分析装置被适配为，用于在一个第一 预定的频率范围内对借助于该电压测量装置测定的AC分量进行分析以便 检测在该DC电流回路中的电弧，并且在与该第一频率范围不同的一个第 二频率范围内进行分析以便接收电力线通信信号。在此该第一预定的频率 范围的下限优选以因数5、特别优选以因数10位于该带阻和/或该带通的 谐振频率以下，因此在通过该装置线性传输的该频率范围内。相反地，这 些电力线通信信号的平均频率优选处于该带阻和/或该带通的谐振频率以 上，特别优选的是，这些电力线通信信号的平均频率与该带阻和/后该带通 的谐振频率相对应。这对于窄带的电力线通信信号是特别便利的，为了获 得足够的通信带宽，这些电力线通信信号通常位于一个较高的频率范围内 (超过100kHz)。

该装置特别适用于在一个光伏设备的直流电回路中使用，因为在一个 此类的直流电回路中一方面能够流动具有几个安培至几十个安培的幅值 的、非常高的直流电流，这些直流电流让使用常规的电流传感器变得困难。 另一方面，例如在光伏设备的直流电回路中的插接连接有损坏或导线绝缘 不充足的情况下能够恰好由于高的直流电导致电弧，该电弧适于在防护危 险的意义下进行检测。此外使用一个光伏设备的直流电回路，以便借助于 电力线通信在光伏设备的不同部件之间、例如在逆变器和部分远程地安排 在这些光伏模块处的电子件(如分离开关器或传感器)之间实现数据交换。

附图

在下文中将借助在图中示出的优选的实施例对本发明进行进一步描述 和说明。

图1示出了根据本发明的装置的一个实施方式。

图2示出了根据本发明的装置的另一个实施方式。

图3以一个示意性视图示出了根据本发明的装置的传输函数。

图4示出了作为根据本发明的装置的部件的低通电路的一个实施方 式。

图5示出了根据本发明的装置的另一个实施方式。

图1示出了根据本发明的装置的一个实施方式。电流i_ACDC(t)在一个直 流电回路1中流动。该直流电回路1包括一个DC路径2，一个电感器9 被安排在该DC路径中。一个AC路径3被安排为与该DC路径2电并联， 由一个电容4和一个传输器6的初级侧绕组5'组成的串联电路被安排在该 AC路径中。一个终止电阻器10被安排为与该传输器6的一个次级侧绕组 5"电并联。该终止电阻器10能够通过划分(Teilung)以该传输器6的转换 比的平方被传输到该初级侧上。由此形成由该电容4和带通13组成的串 联电路。

由于该电容4和该电感器9的依赖于频率的阻抗，该电流i_ACDC(t)划分 成一个直流电分量i_DC(DC分量)以及一个交流电分量i_AC(t)(AC分量)， 该直流电分量流动经过通过该电感器9形成的DC路径2，该交流电分量 流动经过该AC路径3。由此由电容4和电感器9组成的安排在适当时、 在考虑到高传输器6的初级侧绕组5'的情况下形成一个高通15，其中不排 除该电流i_ACDC(t)的交流电分量也流动经过该电感器9。

在此，该高通15的一个传输函数在极限频率以下的频率范围中具有一 个线性上升的曲线，其中该极限频率由电容4、电感器9和传输器6的尺 寸设定来确定。在可能免除该终止电阻器10的情况下在该极限频率的范 围内出现的谐振峰值能够根据该终止电阻器10的尺寸设定在该传输函数 的曲线中被缓和，使得该高通15的传输函数单调上升至至少该极限频率。 在该极限频率以上，该高通15的传输函数是常数。此外，能够通过适当 提高该终止电阻器10的电阻值产生一个额外的、在该极限频率以下的谐 振最大值，以便在该谐振最大值的谐振频率下特别高效地传输窄带的AC 分量(例如通信信号)。

沿着该AC路径流动的AC分量i_AC(t)通过该传输器6被变换到该传输 器的次级侧绕组5"上。在此，原则上已经例如在该终止电阻器10上借助 于一个电压测量装置7(例如借助于伏特计或模数转换器)测量了在该次 级侧绕组5"中感生的电压，以便测定AC分量i_AC(t)；然而在具有给定的频 率的电流i_ACDC(t)中的AC分量i_AC(t)的相应的幅值相对于在该次级侧绕组 5"中感生的电压的幅值的比率明显地取决于该给定的频率。当一个交流电 分量i_AC(t)的频率处于该高通15的极限频率以下时，作为一个传输函数的 非线性度已知的这种特性在此处示出的、用于在该次级侧绕组5"中感生的 电压的安排下是特别显著的。

因此一个低通电路8被安排在该次级侧绕组5"和该电压测量装置7之 间。以如下方式设计该低通电路8，使得该低通电路的传输函数在一个频 率范围(该频率范围处于高通15的该极限频率以下并且包含AC分量 i_AC(t)，对该频率范围的检测是有意义的(例如电弧信号或还有电力线通信 信号))内恰好与该高通15的传输函数互补。互补在此意味着：在该频率 范围内的低通电路8的传输函数与该高通的传输函数具有相同的斜率数 值，然而其中相应的斜率具有相反的符号。结果，根据图1的装置的总传 输函数作为这两个提及的传输函数的组合在该高通15的极限频率以下的 一个宽的频率范围内是常数或接近常数。

这具体地意味着，该总传输函数具有变化，即具有保持不变的斜率或 波动幅度，该变化相对该高通15的传输函数的变化(该高通的传输函数 的变化基本与其斜率相对应并且例如为40dB/十倍频程)显著减小，尤其 具有单调的斜率并且例如仅还与在小的dB/十倍频程范围内的波动相对 应。由此在包括待检测的AC分量的频率范围内实现，将在该装置的输入 侧、在该直流电回路1中流动的交流电分量线性变换为在输出侧、借助于 电压测量装置7测量的交流电压上。将由该电压测量装置7测量的交流电 压提供给分析这些所测量的交流电压的一个分析装置11。

通过使用低通电路8能够将该电感器9和电容4设计为由此用于比待 检测的AC分量的频率范围高出很多的频率范围，以便尤其能够针对该电 感器9使用更小的部件。如果例如应由具有常数传输函数的电压测量装置 7测量在10kHz至100kHz的频率范围内的一个AC分量i_AC(t)，则在免除 通过该低通电路8可实现的、对在该高通15的极限频率以下的传输函数 的非线性曲线的补偿的情况下以及在给定的电容4为10μF的情况下需要 一个大约25μH的电感器9，以便设定一个大约为10kHz的极限频率；然 而通过使用该低通电路8能够明显地提高该极限频率，例如提高一个因数 10到达大约100kHz，以便在电容C_AC保持不变的情况下仅还需要大约 250nH用于该电感器9。总体上，由此所需要的这些部件的成本、损耗和 构造尺寸下降。

图2示出了另一个实施方式，其中在该DC路径2中安排有一个与该 带感器9电并联的电容12。由电感器9和电容12组成的并联电路形成在 该DC路径2中安排的一个带阻14，该带阻的突出之处在于一个依赖于频 率的阻抗，该阻抗在一个谐振频率下具有最大的阻抗。由此进一步提高了 在该高通15的传输函数中的斜率，该高通现在由带阻14和电容4或带通 13构成。通过在该传输器6的次级侧上的该低通电路8还能够补偿在该带 阻14的谐振频率以下的、提高的斜率。由此能够在该电压测量器7处获 得在该DC路径2中的带阻的谐振频率的频率范围内的一个带通比率，其 中该装置的一个总传输函数借助于适当地适配该低通电路8尤其在该带阻 14的谐振频率以下能够具有一个在很大程度上为常数的曲线。此外在一个 优选的实施方式中，在该AC路径3(该AC路径通过由该电容4和该传 输器6的初级侧绕组5'组成的串联电路在适当设定该终止电阻器10的尺寸 的情况下构成)中的带通13的该谐振频率被设计为与在该DC路径中的带 阻的谐振频率相同。

图3示例性地示出了：对于一个根据图1的装置，由电容4和电感器 9组成的高通15的传输函数20，该低通电路8的传输函数21，以及该装 置的、所得到的总传输函数22。由电容4和电感器9组成的高通15的该 传输函数20具有一个极限频率23，该极限频率与该传输函数20在该极限 点23'处从线性上升到常数曲线的过渡部重合，其中基于适当地选择终止电 阻器10以如下方式缓和在使用不具有终止电阻器的传输器6的情况下出 现的、在极限频率23下的谐振峰值，使得产生一个单调上升的传输函数 20。在该实施方式中，针对这些待检测的AC分量的频率范围24的上端选 择该极限频率23。由此，这些待检测的AC分量的频率范围24位于该传 输函数20的低频率的阻止范围内，其中通过由电容4和电感器9组成的 该高通15实现对AC分量的阻尼。

在次级侧在该传输器的下游连接的低通电路8具有如下传输函数21， 该传输函数尤其在极限频率23以下的频率下确切地负相关，即与由电容4 和电感器9组成的高通15的传输函数20互补，其方式为，使得该传输函 数具有斜率相等的曲线，但具有相反的斜率符号。由此得出一个总传输函 数22，该总传输函数在待检测的AC分量i_AC(t)的频率范围24内具有一条 测量技术上理想的常数曲线，使得在该低通电路8的输出端处安排的该电 压测量装置7提供一个与待检测的AC分量相对应的输出信号，其方式为， 使得该输出信号相对于这些AC分量是成比例的或线性的。实际上，与不 通过该低通电路8补偿的传输函数20相反，该总传输函数22尤其不再具 有单调的斜率，并且其变化为仅还有少数几个dB/十倍频程，即因此比该 传输函数20的变化小出至少因数5。

具体地，在图2中示出的、由带阻14和带通13组成的高通15的传输 函数20的斜率为在这些待检测的AC分量的频率范围24内+40dB/十倍频 程。为了实现该总传输函数22的线性化，该低通电路8必须具有一个对 应地负相关的、具有-40dB/十倍频程的斜率的传输函数21。这例如可以通 过一个无源的二级低通实现。

除了在这些待测量的AC分量i_AC(t)的频率范围24内的高通15的传输 函数20的非线性以外，为了额外地补偿这些AC分量i_AC(t)的阻尼，可以 使该低通电路8形成为有源的低通电路，尤其形成为由两个有源的反相的 或非反相的集成电路的串联电路组成的二级集成器，这些集成电路具有多 个运算放大器，这些运算放大器具有20dB/十倍频程的放大。

图4示例性地以一个有源的、非反相的二级集成电路30的形式示出了 一个低通电路8，该集成电路具有两个运算放大器31。基于配属于这些运 算放大器的电容器32，该集成电路30具有依赖于频率的放大并且形成一 个有源的低通，能够额外地借助于这些电阻器33来优化该低通的特性。

如果使用一个此类有源的、非反相的集成电路30，则该总传输函数22 也能够针对在该极限频率23以上的频率被线性化，其方式为，使该非反 相的集成电路30的一个积分时间常数与该高通15的传输函数20匹配， 使得在高通15的极限频率23以上该非反相的集成电路30的加强采用数 值1。由此除了该极限频率23以外，在该低通8的输出端处还得出该总传 输函数22的常数曲线，并且待测量的AC分量i_AC(t)的频率范围24能够延 伸至在该极限频率以上的频率。此外，根据该高通15的构造元件的配置、 尤其该终止电阻器10的尺寸设定以及该DC路径是否包括该电感器9或该 带阻14，该总传输函数22的曲线能够在极限频率23的范围内具有一个单 调的曲线或一个谐振峰值。

在图5中示出了该装置的一个替代性的实施方式，在该装置中一个电 感器9被安排在该直流电回路1的DC路径2中并且一个电容41被安排为 与该传输器6的该次级侧绕组5"并联，该电容和该传输器6的次级侧绕组 5"的该杂散电感器一起形成一个谐振回路42。可以如下地设定该谐振回路 42的部件的尺寸，使得该谐振回路42显著地具有一个谐振位置，该谐振 位置在该极限频率23以下并且在该频率范围24以内。在此，该谐振回路 42的谐振频率优选与该预定的频率范围24的下限相对应。通过该谐振回 路42，高通15的传输函数20的斜率在待测量的AC分量的频率范围24 内被减少至20dB/十倍频程。以此方式减小的斜率能够通过一个一级低通 8被补偿，例如通过在图5中示出的一级集成电路43，该集成电路由运算 放大器31和电容器32组成，在待测量的AC分量的频率范围24内具有 20dB/十倍频程的放大。借助于任选的电阻器44能够进一步优化在该谐振 回路42的谐振频率23的范围内的阻尼，以便借助于电感器9、带通13、 谐振回路42和集成电路43的组合在一个扩展的频率范围内获得该装置的 线性的总传输函数22。具体地，在具体的应用情形下例如能够通过适当地 选择部件和/或通过在具有该传输器6的初级侧绕组5'的串联电路添加一个 电阻器来优化并且例如线性化在极限频率23的范围内的总传输函数22的 曲线，使得这些待检测的AC分量i_AC(t)的频率范围能够延伸超出该极限范 围23。

附图标记列表

1直流电回路

2DC路径

3AC路径

4电容

5'初级侧绕组

5"次级侧绕组

6传输器

7电压测量装置

8低通电路

9电感器

10终止电阻器

11分析装置

12电容

13带通

14带阻

15高通

20传输函数

21传输函数

22总传输函数

23极限频率

23'极限点

24频率范围

30集成电路

31运算放大器

32电容器

33电阻器

41电容

42谐振回路

43集成电路

44电阻器