Спосіб перетворення струму для вимірювань без розриву ланцюга та струмові кліщі для його здійснення

Винахід належить до електровимірювальної техніки і може бути використаний для високоточного перетворення струму без розриву ланцюга у електромережах, автоматизованих системах контролю та обліку електроенергії, а також у пристроях та апаратурі енергозбереження. Відомий спосіб перетворення струму, за яким перетворюють магнітний потік, пропорційний струму. Спосіб використовують у всіх без винятку відомих вимірювальних перетворювачах струму для вимірювань без розриву ланцюга [1]. Згідно способу магнітний потік є вихідним сигналом відносно струму, як вхідного сигналу, за відомими рівняннями [2]: 1 o Bdl = i ; Ф = ò Bds . m ò l s При цьому вимірюють або використовують для подальшого перетворення не безпосередньо магнітний потік, а фізичну величину, у яку його перетворюють: струм, напругу, частоту тощо, тобто здійснюється метод прямого перетворення сигналу у ланцюзі струм - магнітний потік - фізична величина, придатна для вимірювань [3]. Недоліком способу є неможливість досягнути високої точності перетворення при його здійсненні у досить розповсюджених пристроях, а саме, у трансформаторах струму з немагнітним зазором у осерді [4]. Обмеження виникає завдяки тому, що високоточне вимірювальне перетворення у трансформаторі струму можливе лише при застосуванні у ньому осердя з високоякісного магнітомя'кого ферромагнетика, а немагнітний зазор, як відомо, зводить нанівець основний показник якості ферромагнетика - значний рівень початкової магнітної проникливості [5]. Найбільш близьким технічним рішенням є компенсаційний метод або метод зрівноваженого перетворення, за яким вхідний та вихідний сигнали порівнюють між собою, а сигнал, отриманий при порівнянні, мінімізують, регулюючи вихідній сигнал у ручному або автоматичному, з використанням ланцюга жорсткого негативного зворотного зв'язку, режимі. Метод, як відомо, забезпечує більшу точність вимірювального перетворення, ніж прямий [3]. Недоліком методу є обмеження по швидкодії при його здійсненні у деяких приладах, де зрівноважують сигнали змінного струму [6]. Задачею винаходу є створення способу перетворення струму для вимірювань без розриву ланцюга при здійснені якого досягається підвищення точності перетворення. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в способі перетворення струму для вимірювань без розриву ланцюга, за яким перетворюють пропорційний струму магнітний потік, магнітний потік, пропорційний струму, що є похибкою перетворення, перетворюють у напругу, яку підсилюють і перетворюють у вихідний сигнал та струм, який порівнюють зі струмом, що підлягають перетворенню, при цьому підсилення виконують до досягнення напругою рівня, при якому похибка перетворення - струм, що є різницею при порівнянні - досягає мінімуму. Порівняльний аналіз відомих технічних рішень показує, що запропонований спосіб перетворення струму для вимірювань без розриву ланцюга, за яким перетворюють пропорційний струму магнітний потік, магнітний потік, пропорційний струму, що є похибкою перетворення, перетворюють у напругу, яку підсилюють і перетворюють у вихідний сигнал та струм, який порівнюють зі струмом, що підлягають перетворенню, при цьому підсилення виконують до досягнення напругою рівня, при якому похибка перетворення - струм, що є різницею при порівнянні - досягає мінімуму, забезпечує, при його здійсненні, більшу точність вимірювального перетворення струму. Похибка перетворення струму у К-ланцюгу: вхідний струм – що підлягає перетворенню - струм, що є є різницею при порівнянні вхідного та вихідного струмів, тобто похибкою зрівноваження або похибкою перетворення – напруга – підсилена напруга – вихідний струм, завдяки наявності b - ланцюгу жорсткого негативного зворотного зв'язку, яким охоплені усі ланки К-ланцюгу прямого перетворення, зменшується у bК разів, що при необхідному рівні коефіцієнту підсилення а також при високостабільному перетворюванні у b-ланцюгу, спричиняє високоточне перетворення струму. Як видно з аналізу виразів для передавальних функцій u i K K1 = W= 2 = i1 - i2 K 2 = K підсилення i1 1 + bK ; ; ; i2 K3 = K 2u K = K1K 2K 3 ; ; та виразу для похибки перетворення струму K DW = 11+ b K ; блок-схеми процедури перетворення сигналу при здійсненні запропонованого способу, наведеної зверху на K ® ¥ DW ® 0 фіг.1, при підсилення . Відомі струмовимірювальні кліщі, або кліщі Дітца, які містять амперметр, на який навантажено трансформатор струму з отвором замикання і роз'ємним осердям [7]. Цей пристрій та його різноманітні модифікації дозволяють шляхом виконання простої операції - розміщення у отворі замикання струмонесучого проводу, здійснити вимірювання струму не тільки без розриву ланцюга, але й без його, хоча б і тимчасового, демонтажу, що є виключно корисною зручністю і спричинило широке розповсюдження кліщів для вирішення постійно виникаючих потреб у оперативному вимірюванні струму. Таким чином, струмовимірювальні кліщі є вимірювальним приладом, клас точності якого обумовлено не тільки класом точності їх амперметра, але і класом точності їх трансформатора струму. Недоліком струмовимірювальних кліщів є неможливість виконати їх з високим, на рівні еталонного приладу, класом точності, що обмежує функціональні можливості кліщів використанням виключно для вимірювань інтегральних значень струму, які не потребують високої точності, оскільки підвищення класу точності тільки амперметра кліщів без підвищення класу точності їх трансформатора струму неефективне, а підвищення класу точності трансформатора з отвором замикання і роз'ємним осердям, як відомо, обмежене принципово. Обмеження виникає завдяки тому, що високоточне вимірювальне перетворення у трансформаторі струму можливе лише при застосуванні у ньому осердя з високоякісного магнітом'якого ферромагнетика, а немагнітний зазор, який є суттєвим елементом конструкції трансформатора струмовимірювальних кліщів, як відомо, зводить нанівець основний показник якості ферромагнетика - значний рівень початкової магнітної проникливості. Найбільш близьким технічним рішенням є струмовимірювальні кліщі та спосіб їх калібровки [8]. У цьому пристрої пропонується додатково ввести високостабільне джерело струму, що, разом з іншими нововведеними елементами та запропонованою процедурою калібровки, повинно підвищити клас точності кліщів. Недоліком цього пристрою є також обмеження функціональних можливостей використанням його виключно для вимірювань, можливо з меншою похибкою, інтегральних значень струму. Суттєве розширення функціональних можливостей струмовимірювальних кліщів пов'язано, як відомо, з використанням їх вихідного аналогового сигналу - струму, який заведено до амперметру кліщів - як еталонного при проведенні повірки апаратури вимірювальних каналів обліку електроенергії в умовах експлуатації, тобто з використанням струмовимірювальних кліщів як еталонного вимірювального перетворювача [9, 10]. Однак використати таким чином запропоновані кліщі неможливо, тому що для реалізації процедури їх калібровки необхідно послідовно у часі виконати низку операцій, які, за результатом виконання, можливо і спричиняють підвищення класу точності кліщів як вимірювального приладу інтегральних значень струму, але не є достатніми для необхідного підвищення їх класу точності як еталонного вимірювального перетворювача, оскільки, як відомо, вихідні сигнали еталонного вимірювального перетворювача та приладу, який повіряється, повинні бути абсолютно синхронними. Задачею винаходу є створення струмовимірювальних кліщів, які містять трансформатор струму з отвором замикання та високостабільне джерело струму, в яких, завдяки тому, що високостабільне джерело струму утворено підсилювачем потужності, вхід якого з'єднано з виходом шунта, на який навантажено трансформатор струму, а вихід - з обмоткою поділяючого трансформатора струму, кінці іншої обмотки якого обладнано електроконтактними затискачами, досягається підвищення класу точності та розширення функціональних можливостей. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що у струмовимірювальних кліщах, які містять трансформатор струму з отвором замикання та високостабільне джерело струму, високостабільне джерело струму утворено підсилювачем потужності, вхід якого з'єднано з виходом шунта, на який навантажено трансформатор струму, а вихід - з обмоткою поділяючого трансформатора струму, кінці іншої обмотки якого обладнано електроконтактними затискачами. Порівняльний аналіз відомих технічних рішень показує, що у запропонованих струмовимірювальних кліщах, у яких високостабільне джерело струму утворено підсилювачем потужності, вхід якого з'єднано з виходом шунта, на який навантажено трансформатор струму, а вихід - з обмоткою поділяючого трансформатора струму, кінці іншої обмотки якого обладнано електроконтактними затискачами, досягається підвищення класу точності та розширення функціональних можливостей, оскільки, як видно з наведеної на Фіг.1 знизу блок-схеми запропонованих струмовимірювальних кліщів, де 1 - трансформатор струму з отвором замикання та роз'ємним осердям, 2 - шунт, 3 - підсилювач потужності з коефіцієнтом підсилення напруги Кп, 4 - навантаження підсилювача - електричний опір спільної гілки, 5 - поділяючий трансформатор струму, сумарна похибка перетворення струму у К-ланцюгу прямого перетворення: вхідний струм - струм, що є похибкою зрівноваження - перетворений струм, що є похибкою зрівноваження - напруга - підсилена напруга - вихідний струм, завдяки наявності b-ланцюгу жорсткого негативного зворотного зв'язку, яким охоплені усі ланки К-ланцюгу прямого перетворення, зменшується у bК разів. При необхідному рівні коефіцієнту підсилення а також при високостабільному перетворюванні у b-ланцюгу це спричиняє високоточне перетворення струму що, при застосуванні більш точного амперметру, підвищує клас точності кліщів. Використання їх вихідного аналогового сигналу - струму, який заведено до амперметру кліщів - як еталонного при проведенні повірки апаратури вимірювальних каналів обліку електроенергії в умовах експлуатації, тобто використання струмовимірювальних кліщів як еталонного вимірювального перетворювача, розширює їх функціональні можливості. Сутність винаходу пояснюється кресленнями, де на Фіг.1 зверху зображена блок-схема процедури перетворення сигналу при здійсненні запропонованого способу, а нижче зображена блок-схема запропонованих струмових кліщів. На Фіг.2 зверху зображена електрична схема запропонованих струмових кліщів, а нижче - їх компоновка з струмонесучим проводом у робочому положенні при виконанні вимірювань. Запропоновані струмові кліщі складаються з трансформатора струму з отвором замикання 1, навантаженого на шунт 2, вихід якого з'єднано з входом підсилювача потужності 3, вихід якого з'єднано з однією з обмоток поділяючого трансформатора струму 4, кінці іншої обмотки якого обладнано електроконтактними затискачами 5. Струмові кліщі працюють згідно запропонованого способу наступним чином. При наявності струму і1 у струмонесучому проводі, до оголених ділянок якого підключено електроконтактні затискачі 5, чим створено спільну між першою обмоткою поділяючого трансформатора струму 4 та струмонесучим проводом гілку, яку охоплено роз’ємним осереддям трансформатора струму 1 з отвором замикання, у спільній гілці тече струм і1-і21. Цей струм спричиняє вторинний струм (і1-і21)1 у трансформаторі струму з отвором замикання. Вторинний струм спричиняє напругу u на виході шунта, яка, після підсилення у підсилювачі потужності, спричиняє струм i2 який протікає у другій обмотці поділяючого трансформатора струму та струм і21, який протікає у його першій обмотці та порівнюється зі струмом і1 у спільній гільці. Струм і2 є вихідним аналоговим сигналом кліщів, оскільки миттєві значення цього струму повторюють у масштабі, який дорівнює коефіцієнту трансформації поділяючого трансформатора струму, миттєві значення струму і21, який з точністю до різниці при порівнянні, тобто струму, що є похибкою зрівноваження або похибкою перетворення, дорівнює струму, який підлягає перетворенню, а його ланцюг гальванічно розв'язано з струмонесучим проводом. В цілому кліщі є автоматичною слідкуючою системою, яка у заданому масштабі відслідковує у вихідному ланцюгу – обмотці поділяючого трансформатора струму, яка з’єднана з виходом підсилювача, струм у струмонесучому проводі, мінімізуючи, завдяки наявності ланцюга жорсткого негативного зворотного зв'язку, яким охоплено усі ланки перетворення та підсилювач потужності, сигнал неузгодження - струм, що є похибкою зрівноваження. Таким чином, у порівнянні з прототипом, використання способу перетворення струму для вимірювань без розриву ланцюга та струмових кліщів для його здійснення, за яким перетворюють пропорційний струму магнітний потік, магнітний потік, пропорційний струму, що є похибкою перетворення, перетворюють у напругу, яку підсилюють і перетворюють у вихідний сигнал та струм, який порівнюють зі струмом, що підлягає перетворенню, при цьому підсилення виконують до досягнення напругою рівня, при якому похибка перетворення - струм, що є різницею при порівнянні - досягає мінімуму, дозволяє отримати новий технічний результат - підвищити клас точності струмових кліщів та розширити їх функціональні можливості. Література 1. Андреев Ю.А., Абрамзон Г.В. Преобразователи тока для измерений без разрыва цепи. Л., "Энергия", 1979г. 2. Тамм И.Е. Основы теории электричества., М., "Наука", 1976г. 3. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. Л., "Энергия", 1968г. 4. Стогний Б.С. Теория высоковольтных измерительных преобразователей переменного тока и напряжения, "Наукова думка", Киев., 1984г. 5. Бачурин Н.И. Трансформаторы тока., "Энергия"., М, 1964г. 6. Карандеев К.Б. и др. Быстродействующие электронные компенсационно-мостовые приборы. Изд-во "Энергия", 1970. 7. G. Dietze. - Ein neues Messgerat und seine Verwendung - E.T.Z., 1902, стр.843. 8. Заявка на изобретение №93004531 RU. Заяв. Сименс А.Г., Автор Йоахим Брунсвик. Заявлено 05.03.93р. 9. PWF 2.3 - Устройство измерительное переносное для поверки счетчиков электроэнергии - проспект фирмы ЕМН/МТЕ/МТЕ Россия - 2002г. 10. Переносная поверочная установка УПП МЭ 3.3., ПЭМ-02 (энерготестер) прибор энергетика многофункциональный., ЭНЕРГОМОНИТОР 3.3, переносной эталонный счетчик и анализатор качества электроэнергии - в одном приборе: проспекты ООО "НПП Марс-Энерго", Санкт-Петербург, Россия., 2004г.