Вимірювальне коло змінного струму

Корисна модель має відношення до електротехніки, приладобудування та вимірювальної техніки, зокрема до вимірювальних трансформаторів струму. Першим аналогом є трансформатор струму, який навантажений на резистор та показаний в каталозі: [1] ["Current Transformers for Electronic Watthour Meters" фірми Vacuumschmelze GmbH & Co. KG, Німеччина, 2006 (www.vacuumschmelze.com)]. Вхідною величиною є струм l, що вимірюється, а вихідною - напруга на резисторі: (1) Uвих=IRb/n, де Rb - опір резистора, а n - коефіцієнт трансформації за напругою. Трансформатором є котушка на кільцевому магнітному осерді, через отвір якої просунуто дріт. Дріт є первинною обмоткою трансформатора (один виток), а котушка - вторинною. Прикладом трансформатора є Т60404-Е4624-Х502 ([1], с.7, табл.2) з параметрами: n=2500, Rb=12,5Ом, lмакс=60А. Крім того, опір обмотки Rcu=55Ом, Вихідна напруга Uвих=0,3В (за струмом 60А), а вхідна Uвх»0,65мВ згідно з Uвх=l(Rb+Rcu)/n2, (2) По-перше, вихід трансформатора, що навантажений резистором, є потенціальним, і на нього може впливати зовнішня завада. Крім того, енергія сигналу губиться в резисторі Rb, а потім відновлюється в підсилювачі, що підключається до резистора, причому разом з шумами резистора та підсилювача. Тобто сигнал в підсилювачі супроводжується зовнішньою завадою та внутрішніми шумами вказаних елементів, які зменшують його динамічний діапазон. По-друге, магнітний потік, що виникає в магнітному осерді та викликає появу на виході напруги, має нелінійну залежність від вхідного струму, які є причиною нелінійних спотворень. Для їх зменшення осердя береться з більшим перетином, а це збільшує габарити трансформатора. Вказане, перше та друге, є недоліком першого аналога. Другим аналогом є мікросхема ADE7762 фірми Analog Devices, Inc.:[2] [ADE7762, Polyphase Energy Metering IC with Phase Drop Indication. Preliminary Technical Data, Rev. PrB, 2006, с.17, Фіг.22, 23 (www.analog.com)]. Трансформатори струму, що навантажені на резистори Rb, підключаються до входів мікросхеми ADE7762 через фільтри. Вказані входи мікросхеми - це входи підсилювачів з великим вхідним опором. Трансформатори струму працюють в режимі, що передбачений першим аналогом. Тому недоліком другого аналогу є недолік першого аналога. Щоправда, цей недолік трохи зменшений завдяки вказаним фільтрам. Третім аналогом є вимірювальний пристрій, призначений для вимірювання змінного струму, зокрема в лічильниках електроенергії, за [заявкою №2002043162 від 17.04.02р., Бюл. №11/2003, кн.1, с.2, 30] [3]. У третього аналога трансформатор струму навантажений "нульовим" вхідним опором підсилювального пристрою, що підключений до вторинної обмотки трансформатора струму, а резистор Rb відсутній. Тобто підсилювач (або інший підсилювальний пристрій) є трансімпедансним і керується струмом. Керуючим є, хоча і трансформований, але ж увесь струм, що вимірюється, і без шуму резистора. Крім того, на вхід вимірювального пристрою з нульовим опором зовнішня завада не діє. У даному разі вихідною величиною трансформатора є струм lвих=І/n, (3) Якщо взяти трансформатор, який показаний як приклад до першого аналога, цей струм буде дорівнювати lвих=24мА. Це багато для мікросхемних підсилювальних пристроїв, і тому треба суттєво підвищувати кількість витків обмотки, що ускладнює трансформатор. Реально це повинні бути не десятки, а долі міліампера, тобто кількість витків трансформатора повинна бути десь у сто разів більшою. Це ускладнює реалізацію вимірювального кола і є недоліком третього аналога. За результатом, автором поставлено задачу запропонувати таке вимірювальне коло змінного струму, яке не мало б вказаних недоліків аналогів. Для цього за прототип (найближчий аналог) береться третій аналог, недолік якого повинен бути скасований. Треба запропонувати таке вимірювальне коло, яке було б досить простим і мало б малий трансформований струм на своєму виході, достатній для того, щоб забезпечити економічний та з малим шумом режим роботи підсилювального пристрою, що підключається до виходу вимірювального кола. Суть винаходу полягає в тому, що для реалізації вказаного беруться два (або більш, ніж два) трансформатори, перший та другий, що включаються послідовно. За результатом, якщо замість "реального" трансформатора з n=2500, lвих=24мА треба мати "нереальний" трансформатор з n=250000, lвих=0,24мА, пропонується взяти два "реальних" трансформатори, наприклад, з n1=n2=500 кожний (навіть з меншими коефіцієнтами, ніж у першого "реального") та вихідним струмом другого трансформатора lвих2=0,24мА. Обидва трансформатори можуть бути однаковими, а можуть бути і різними, наприклад, з n1>n2 та меншим струмом обмотки першого трансформатора. За результатом пропонується каскадне включеннятрансформаторів струму, що подібне до каскадного включення, наприклад, активних RC-фільтрів, що дає більш ніж сукупний ефект. Технічним результатом вимірювального кола, що пропонується, є отримання на виході меншого трансформованого струму, більш здатного для вимірювання. Крім того, при цьому спрощується коло вимірювання - використовуються двох простих (зменшених) трансформаторів замість одного збільшеного, що не може бути виконаний. Пропонується також вимірювальне коло, що є залежним від вказаного і має багатоканальний вихід. Для цього використовуються декілька (по кількості каналів) "других" трансформаторів, первинні обмотки яких включаються послідовно один до одного і разом до вторинної обмотки першого трансформатора. "Другі" трансформатори можуть бути однаковими, а можуть бути і різними (з різними коефіцієнтами трансформації). Технічним результатом в цьому випадку є отримання двох (або більш, ніж двох) вихідних струмів, що між собою можуть бути рівними або нерівними, але пропорційними до струму, що вимірюється. Пропонується також вимірювальне коло, що теж є залежним від вказаного і має багатоканальний вихід. Для цього використовуються декілька (по кількості каналів) "других" трансформаторів, але замість декількох первинних обмоток використовується одна первинна, загальна для цих "других" трансформаторів. За результатом, вимірювальне коло змінного струму, що пропонується, може бути сформульовано таким чином: 1. Вимірювальне коло змінного струму, що містить трансформатор струму, згідно корисної моделі, що додатково містить другий трансформатор струму, первинна обмотка якого підключена до вторинної обмотки першого трансформатора, а вторинна його обмотка є виходом кола. 2. Вимірювальне коло за п.1, згідно корисної моделі, що додатково містить третій трансформатор струму, первинна обмотка якого включена послідовно з первинною обмоткою другого трансформатора, а вторинна обмотка третього трансформатора є другим виходом кола. 3. Вимірювальне коло за п.1, згідно корисної моделі, що додатково містить третій трансформатор струму, первинна обмотка другого трансформатора є загальною для другого й третього трансформаторів, а вторинна обмотка третього трансформатора є другим виходом кола. 4. Вимірювальне коло за п.2, згідно корисної моделі, що додатково містить інші трансформатори струму, первинні обмотки яких включені послідовно з первинними обмотками другого й третього трансформаторів, а їх вторинні обмотки є іншими виходами кола. 5. Вимірювальне коло за п.3, згідно корисної моделі, що додатково містить інші трансформатори струму, первинна обмотка другого та третього трансформаторів є загальною для другого, третього й інших трансформаторів, а вторинні обмотки інших трансформаторів є іншими виходами кола. 6. Вимірювальне коло за п.1, згідно корисної моделі, що додатково містить трансформатори струму, які включені послідовно один за одним між вторинною обмоткою другого трансформатора та виходом кола. 7. Вимірювальне коло за п.2, 3, 4 або 5, згідно корисної моделі, що додатково містить трансформатори струму, які включені послідовно один за одним між вторинними обмотками другого, третього й інших трансформаторів та відповідними виходами кола. 8. Вимірювальне коло за п.1 або 6, згідно корисної моделі, що є складовою частиною вимірювача струму, потужності або лічильника електроенергії. Перелік фігур: Фіг.1. Показана схема вимірювального кола змінного струму, що відповідає п.1. Показані струми: l2=l1/n1, (4) - вторинної обмотки першого трансформатора, що є струмом первинної обмотки другого трансформатора; l3=l1/(n1n2 ) (5) - вторинної обмотки другого трансформатора, що є вихідним струмом кола та, відповідно, струмом навантаження. Фіг.2. Показана схема вимірювального кола змінного струму, що відповідає п. 2. Показані струми: l2=l1/n1, (6) - вторинної обмотки першого трансформатора, що є струмом первинних обмоток другого і третього трансформаторів, які включені послідовно; l3=l1/(n1n2 ), (7) l4=l1/(n1n3 ), (8) - вторинних обмоток другого й третього трансформаторів, що є вихідними струмами кола та, відповідно, струмами двох навантажень. Фіг.3. Показана схема вимірювального кола змінного струму, що відповідає п. 3, на якій замість окремих первинних обмоток на другому та третьому трансформаторах показана одна загальна первинна обмотка, що є рівнозначним (відносно окремих обмоток). В (4), ... (8) n1, n2, n3 - це коефіцієнти трансформації за напругою кожного трансформатора. Навантаження, що показані штриховими лініями, не входять до складу кіл. Одним із навантажень може бути підсилювальний пристрій, що згідно з третім аналогом має нульовий вхідний опір, або близький до нього. Це може бути операційний підсилювач з негативним зворотним зв'язком між його виходом та інвертуючим (негативним) входом, що є входом навантаження відносно неінвертуючого (позитивного) входу підсилювача. Можливі й інші навантаження, - наприклад, резистор, як у першому аналогу. Вимірювальне коло на Фіг.1 еквівалентно являє собою трансформатор струму з еквівалентним коефіцієнтом трансформації, що дорівнює nекв2=n1n2, (9) а коло на Фіг.2 - це не просто еквівалентний трансформатор струму. Це трансформатор із двоканальним виходом, причому канали його незалежні один від одного і можуть мати різні коефіцієнти. Його коефіцієнти трансформації nекв2=n1n2, (10) nекв3=n1n3, (11) Наприклад, замість трансформатора струму з коефіцієнтом n=2500 може бути виготовлене вимірювальне коло, яке складається з двох трансформаторів (Фіг.1), що мають n1=n2=500. Це коло, згідно з (9), буде мати еквівалентний коефіцієнт трансформації nекв=250000, тобто у сто разів більший. А при цьому кожен з двох трансформаторів - меншим за розміром, бо їх коефіцієнти трансформації значно менші: n1=n2=n/5, (12) n1=n2= nекв/500. (13) Із сказаного видно, що вимірювальне коло за п. 1 не тільки забезпечує його виготовлення, але й спрощує: замість трансформатора з кількістю витків 250000, що здійснити практично неможливо, використовуються хоча і два трансформатори, але ж з усього лиш 500 витками кожний (в [1] кількість витків дорівнює 2500). Вхідна напруга другого трансформатора дорівнює Uвх2=(l/n1)(Rb+RCu2)/n22=0,005мВ, (14) де l=60А - струм, що вимірюється, n1=n2=500, Rb®0 (опір навантаження), Rcu2»10Ом (опір обмотки другого трансформатора). Вхідна напруга першого трансформатора, що є вхідною напругою вимірювального кола, дорівнює (15) Uвx=Uвх1»lRCu1/n2=2,4мВ, де RCu1»10Ом. Напруга Uвх (15) значно менше (практично дорівнює нулю) в порівнянні, наприклад, з напругою 220В електричної мережі, струм споживання якої вимірюється. Тобто вимірювальне коло, вхід якого включається послідовно з навантаженням мережі, не буде впливати на струм навантаження. На Фіг.1, 2 та 3 показані кола за п. 1, 2 та 3. Інші кола не показані, бо здійснення їх зрозуміло із приведених інших пунктів (4, ... 8). Можливість здійснення корисної моделі підтверджується, по-перше, приведеним математичним аналізом і, по-друге, тим, що для реалізації кіл використовуються того ж типу компоненти, що й в прототипі. Цими компонентами є трансформатори струму, які є навіть більш простими, з меншою кількістю витків і меншими габаритами осердя. Вимірювальне коло за п. 1 та 6, згідно з аналогами, може бути використане в вимірювачах струму, потужності та лічильниках електроенергії, але з тією перевагою, що має запропоноване вимірювальне коло. Примітка: до матеріалів заявки додаються довідкові матеріали у складі: [1], с.1, 7; [2], с.1,17.