Датчик струму

1. Датчик струму, який містить струмонесучу шину, з'єднану з нею первинну обмотку у вигляді замкнутого контуру, намотану на тороїдальний магнітопровід з вторинною обмоткою, який відрізняється тим, що вторинна обмотка виконана з рівномірно намотаних витків по периметру тороїдального магнітопроводу ізольованим проводом, а первинна обмотка намотана також ізольованим проводом, кінці якого закріплені паралельно повздовжній осі струмонесучої шини на фіксованій відстані один від одного, а намотка цієї обмотки виконана принаймні однією парою витків, кожна пара витків розташована в одній площині, проведеній через діаметр тороїдального магнітопроводу, причому намотка первинної обмотки задовольняє умові: 2 3 Головними недоліками трансформаторів струму (ТС) і датчиків струму заснованих на ефекті Холу (ДХ) є: 1) Значна матеріалоємність і, відповідно, висока вартість. З теорії роботи ТС випливає, що його похибки (струмова похибка, чи похибка дійсного коефіцієнту трансформації, і кутова похибка - різниця фаз між струмами первинного і вторинного ланцюга) визначаються двома факторами: обмеженою магнітною проникністю m магнітопроводу і ненульовим значенням величини вторинного навантаження. Якби магнітна проникність m сердечника була нескінченною (його магнітний опір дорівнював би нулю), а навантаження вторинної обмотки було нульовим (режим повного короткого замикання), то похибки були б нульові. На практиці не виконуються обидві умови. Через це, для зменшення похибки, розміри магнітопроводу мають бути значними з високою початковою магнітною проникністю, а обмотки мають бути виконані товстим мідним проводом з великою кількістю витків і з цієї причини ТС масивні. TC виго товляються з високоякісних магнітних та ізоляційних матеріалів та чистої міді, то вони відповідно дорогі. Конструкція ДХ містить у собі магнітопровід із зазором і компенсаційною обмоткою, датчик Холу й електронну плату обробки сигналів. Магніточутливий датчик Холлу закріплений у зазорі магнітопроводу і з'єднаний з входом електронного підсилювача. При протіканні вимірюваного струму по шині, охоплюваної магнітопроводом, в останньому наводиться магнітна індукція. Датчик Холлу, що реагує на виникле магнітне поле, виробляє напругу пропорційну величині наведеної магнітної індукції. Вихідний сигнал з датчика підсилюється електронним підсилювачем і подається в компенсаційну обмотку. У результаті, по обмотці тече компенсаційний струм, пропорційний вимірюваному струму по величині і відповідний йому за формою. Виникаюче при цьому магнітне поле компенсаційної обмотки компенсує магнітне поле вимірюваного струму, то б то датчик Холлу працює як нульорган. Очевидно, що розміри магнітопроводу ДХ порівняно з відповідними розмірами магнітопроводу TC можуть бути меншими, а обмотки можуть бути виконані більш тонким проводом, але, зважаючи на те, що магнітопровід повинен охоплювати всю, часто значного розміру силову струмонесучушину, суттєвого зниження маси і, відповідно, ціни досягти не вдається. Далі наведені приклади з порівнювальними даними: - серійного TC [2]: струм - 600/5 А, номінальні напруга, частота - 660 В, 50 Гц, клас точності - 0,5, маса - 800 г, габаритні розміри - 104x152x109; - серійного ДХ [3]: діапазон виміру - ±1500 А, номінальні напруга, частота - 660 В, 50 Гц, клас точності - 0,5, 89403 4 маса - 460 г, габаритні розміри -110x 94,5х34 мм. 2) Складні конструкція і технологія виготовлення. Для виготовлення потрібно дороге моткове устаткування, складна калібровка (компенсація похибок виткова, підмагнічуванням, створенням нульового струму та інше [4]). Складні методи іспитів до струмів короткого замикання, іспиту на нагрівання при тривалому режимі. 3) Підвищена небезпека струмових трансформаторів для обслуговуючого персоналу (у випадку розриву вторинного ланцюга струмового трансформатора виникають високі напруги небезпечні для обслуговуючого персоналу та перегріви). Виникає проблема електродинамічної, термічної і динамічної стійкості трансформаторів при коротких замиканнях [5]. 4) Складність установки і монтажу. Перерахованих недоліків не має найбільш близький по технічним рішенням до запропонованого винаходу датчик струму, який взятий як прототип винаходу (авторське свідоцтво CPCP № 1051597, кл. H 01 F 40/06, винахід опублікований 30.07.1990 р., Бюл. № 28), який містить (фіг. 1) канал струмонесучої шини 1, струмонесучу перемичку 3, магнітопровід з намотанною вторинною обмоткою 2, який установлений на одній із сторін перемички. Струмонесуча перемичка з'єднана з струмонесучою шиною шляхом зварки чи пайки з фіксованим вибором місць з'єднань. Принциповою відмінністю цього відомого винаходу від загальновідомих струмовимірювальних приладів є те, що можна вімірювати не весь струм, а лише його яку завгодно маленьку частину, звідси магнітопровід з намотаною вторинною обмоткою 2 (трансформатор струму) може бути яких завгодно малих розмірів та маси, назвемо його мікротрансформатором струму (MTC). Таким чином MTC може бути яких завгодно малих розмірів та маси, а звідси має спрощену технологію виготовлення, і не несе небезпеки для обслуговуючого персоналу. Недоліками даного відомого пристрою є низька точність вимірювання струму. Головною причиною значних похибок виміру струму є вплив зовнішнього електромагнітного поля. Джерелом зовнішніх полів для трансформаторів струму даної фази, як правило, являються струмонесучі шини інших фаз, сусідні трансформатори струму, магнітопроводи іншого електрообладнання, земля, через проходження в ній блукаючих струмів, та інше. Зовнішні поля змінюють стан магнітопроводів, що призводить до додаткових похибок виміру струму. Винахід вирішує задачу удосконалення конструкції датчика струму шляхом такого виконання обмоток і їх розміщення, при якому похибка вимірювання струму, зумовлена впливом зовнішніх магнітних полів, практично відсутня. Поставлена задача вирішується тим, що в датчику струму, який містить струмонесучу шину, з'єднану з нею первинну обмотку у вигляді замкнутого контуру, намотану на тороїдальний магнітопровід з вторинною обмоткою, згідно із запропонованим винаходом, вторинна обмотка виконана з рівномірно намотаних витків по периметру тороїдального магнітопроводу ізольованим проводом, а первинна 5 обмотка намотана також ізольованим проводом кінці якого закріплені паралельно повздовжній вісі струмонесучої шини на фіксованій відстані один від одного, а намотка цієї обмотки виконана принаймні однією парою витків, кожна пара витків розташована в одній площині, проведеній через діаметр тороїдального магнітопровода, причому намотка первинної обмотки задовільняє умові: i =n åe зп i = 0, i =n (1) де і - порядковий номер витка, n - кількість витків, eiзп - електрорушійна сила, наведена зовнішніми електромагнітними полями і-го витка. Для виконання умови (1) первинна обмотка може бути намотаною однією парою витків, розташованою в одній площині, проведеній через осьову лінію струмонесучої шини, при цьому на тороїдальний магнітопровід можуть бути намотані, як обидва витки пари, так і лише один виток пари, а інший виток пари може знаходитись поряд з тороїдальним магнітопроводом, як з однієї сторони струмонесучої шини, так із різних сторін. Суть винаходу полягає в наступному. У відповідності з законом повного струму [6] магнітна індукція В навкруги круглого прямолінійного струмонесучого проводу з струмом І у будьякій точці А, віддаленій від вісі проводу на відстані r визначається як: 1 1 B = mm 0 = 125m 10 -8 тл. 2pr 2pr (2) Графік змінюваності індукції від відстані від вісі струмонесучого проводу приведений на фіг. 3. Створене магнітне поле з магнітною індукцією В наводить електрорушійну сила в замкнутому контурі, створеному струмонесучою перемичкою та струмонесучою шиною dф SdB e==, dt dt (3) де Ф - магнітний потік, S - площа прямокутника, створеного струмонесучою шиною та струмонесучою перемичкою. Струм, наведений зовнішнім магнітним полем, який і складає основну похибку прототипу при синусоїдальних напрузі та струмі, дорівнює: ' I= ' E ' z 89403 6 2 æw ö = jwç 2 ÷ L1 çw ÷ è 1ø (6) де x2, х1 - індуктивні опори вторинної і первинної обмотки МКС відповідно, w1,w2 - кількість витків первинної і вторинної обмотки МКС відповідно, x1 1 2 æw ö 1 r1 = ç 2 ÷ r1 çw ÷ è 1ø (7) r1 де 1 - приведений опір первинної обмотки, L1, L2 - індуктивність первинної і вторинної обмотки МКС відповідно. Індуктивність в першому наближенні вираховується як [6]: L = 125m w 2 S -8 10 гн, 1 (8) Де l - довжина магнітопроводу по осьовій лінії, м, s - перетин магнітопроводу, мм2. ' Струм I, розрахований по формулам (1), ...,(8) це - складова похибки вимірювання струму, яка викликана впливом зовнішнього поля. Виконані розрахунки похибок вимірювання струму, на прикладі конкретної конструкції датчика струму (а. с. СРСР №1051597, фіг.1), підтвердили наявність значних похибок, викликаних впливом зовнішнього поля. Результати розрахунків співпали з експериментальною повіркою. Вхідні дані: 1) Діаметр струмонесучої мідної шини 4 Д = 12мм; 2) I1 = 160 А; 3) r = 36 мм (типова відстань між струмонесучими шинами для багатьох електроапаратів); 4) тороїдальний сердечник з діаметрами зовнішнімДз =10 мм, внутрішнім Дв = 6 мм, висотою Н = 2 мм, початковою проникністю m = 10000, з рівномірно намотаними витками w = 300, з опором r2= 10 Ом; 5) площа квадрату створеного перемичкою 2 та шиною 1 s = 64 мм2, діаметр проводу перемички Дп = 0,75 мм; 6) перетин шини 1-28 мм2; Результат: 1. При І1= 0,0 А і I2 = 25,0 А, виміряний струм ' I 2 = 25 А, тобто калібрований відомий пристрій без впливу зовнішнього поля працює вірно. 2. При І1= 160,0 А і І2 = 0,0 А, виміряний струм , (4) ' ' ' де I,E, z - вектори відповідно струму, електрорушійної сили та повного опору замкнутого контуру, створеного струмонесучою перемичкою та струмонесучою шиною. ' Повний опір z знаходиться розрахунками із схеми заміщення трансформатору [7], фіг. 2. На схемі: x 2 = j wL 2 , (5) ' I 2 = 7 А, тобто значення струму, наведеного магнітним полем сусідньої шини, настільки значне, що робить відомий пристрій непридатним для використання в якості датчика струму в умовах існування реального зовнішнього поля. У запропонованого винаходу витки кожної пари намотуються таким чином, щоб наведена зовнішнім магнітним полем електрорушійна сила обох 7 89403 витків пари еі була зустрічною, і однаковою по значенню, що і відповідає виразу (1). Суть запропонованого винаходу пояснюється кресленнями фіг.1, фіг.2, …, фіг.10 фіг. 1, фіг. 2 - датчик струму по прототипу (фіг. 1 - принципова схема, фіг. 2 -схема заміщення); фіг. 3 - графік змінюваності індукції від відстані від вісі струмонесучого проводу; фіг. 4, фіг. 5, фіг. 6 - наведені варіанти намоток витків пари первинної обмотки; фіг. 7 - ілюстрація принципу компенсації електрорушійних сил кожного витка пари; фіг. 8, фіг. 9, фіг. 10 - ілюстрації ДС, на якому проведені досліди: фіг. 8 - зовнішній вигляд MKC (зовнішній діаметр - біля 12 мм, маса біля 2 г.); фіг. 9 - зовнішній вигляд ДС - струмонесуча шина з MKC без кожуха (струм номінальний приведеного ДС - 96 А, до 1000 В, 50 Гц); фіг. 10- приклад використання винаходу для розгалуженої мережі (чотири силовимірювальних ланцюга, струм номінальний кожного відгалуження 24 А, до 1000 В, 50 Гц). При намотці, показаній на фіг. 4, фіг. 6 площа витка S1 повинна бути більшою за площу S2. Це пояснюється тим , що частку S1 займає сердечник у якого магнітний опір незрівняно менший за повітря, що приводить до збільшення потоку Ф1, який пронизує S1, і відповідно до збільшення e1. На практиці повна компенсація електрорушійних сил обох витків пари досягається шляхом зміни однієї ' площі витка за рахунок іншого до тих пір поки I 2 (фіг. 1) не стане рівним нульовому значенню при будь-якому не нульовому значенні І 1 . При намотці, показаній на фіг. 5, площі обох витків однакові, тому що вони знаходяться в ідентичних умовах, але на практиці повна компенсація електрорушійних сил обох витків пари може бути досягнена, як і у першому випадку, регулюванням площ витків пари. Датчик струму (фіг. 4, фіг. 5, фіг. 6) містить струмонесучу шину 1, тороїдальний магнітопровід 2 з первинною 3 і вторинною обмотками 4 (5 - перетин магнітопроводу). Вторинна обмотка складена з рівномірно намотаних витків по периметру тороїдального магнітопроводу ізольованим проводом і замкнута через вивід 6 на деяке навантаження 7, а первинна обмотка намотана також ізольованим проводом кінці якого закріплені на осьовій лінії струмонесучої шини на деякій відстані один від одного. Намотку первинної обмотки можна виконати декількома варіантами (фіг. 4, фіг. 5, фіг. 6), наприклад, однією парою витків, розташованою в одній площині, проведеній через діаметр тороїдального магнітопровода з однаковою площею кожного витка, або обмотка намотується будь-яким іншим варіантом, при якому виконується умова (фіг. 7): i=n åe зп i = 0, i=n Де і - порядковий номер витка, 8 n - кількість витків, eiзп -електрорушійна сила, наведена зовнішніми електромагнітними полями і-го витка. Датчик струму працює наступним чином. Струмонесуча шина 1 і первинна обмотка 3 утворюють дільник струму. Величина струму, яка відгалужується у первинну обмотку MKC індукує напругу на виході вторинної обмотки 4. Вторинна обмотка 4 МКС, яка намотана на магнітопровід 2 замикається через вивід 6 на деяке навантаження 7, забезпечуючи в ньому струм, практично, пропорційний струму первинної і відповідно струму струмонесучої шини. Суттєвими ознаками відомого пристрою, що збігається з суттєвими ознаками винаходу, є: принцип розділення струму принаймні на дві частини і вимірювання лише однієї незначної частки струму за допомогою трансформатора струму. Суттєвою ознакою винаходу, що відрізняє його від аналогу і що вирішує проблему впливу зовнішніх електромагнітних полів є те, що первинна обмотка виконана принаймні однією парою витків, розташованою в одній площині, проведеній через осьову лінію струмонесучої шини, при цьому на тороїдальний магнітопровід можуть бути намотані, як обидва витки пари, так і лише один виток пари, а інший виток пари може знаходитись поряд з тороїдальним магнітопроводом, як з однієї сторони струмонесучої шини, так із різних сторін. Кінці витків первинної обмотки закріплені паралельно повздовжній осі струмонесучої шини. Найкращий результат досягається при закріплені вказаних кінців по осі струмонесучої шини. У варіантах, показаних на фіг. 4, фіг. 5, фіг. б, сумарна електрорушійна сила, наведена зовнішніми полями, кожної пари витків дорівнює нулю. Єдиною умовою для виконання цього - рівномірне зовнішнє поле на просторі обмеженому парою витків. Зважаючи на те, що вимірюється лише незначна частка струму (лише та, яка протікає через пару витків, наприклад струм Із , фіг. 1), то розміри MKC малі. Для підтвердження розрахунків проведені експериментальні випробування винаходу в тих же умовах в яких випробувався прототип. Результат випробування - похибка, зпричинена зовнішнім полем повністю відсутня (навіть на відстані 10 мм від струмонесучої шини). Додатковими важливими перевагами винаходу являється: 1) зручна калібровка ДС (шляхом зміни товщини витка, наприклад , підпилюванням чи навпаки напаюванням), 2) зручне усунення впливу зовнішніх полів (як згадувалось - шляхом зміни площі одного із пари витків за рахунок іншого). Таким чином, завдяки технічним рішенням винаходу досягається значне зниження (практично до нульового значення) впливу зовнішніх магнітних полів, що приводить до зменшення похибки вимірювання струму. Також досягається спрощення конструкції і процесу його наладки і калібровки в порівнянні з існуючими рішеннями, що робить 9 запропоновану конструкцію придатною для широкого використання в господарських цілях. Литература: 1. WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Октябрь 2004 Современные промышленные датчики тока. Андрей Данилов (Москва). 2. Каталоги сайта фирмы ABB http://www.abb.com. 3. Каталоги сайта компании ПРОМТЕХЭЛЕКТРО - http: / /www.ptelectro.ru. 89403 10 4. Трансформаторы тока, В. В. Афанасьев, Н. М. Адоньев, В. М. Кибель и др. -2-е изд., Энергоатомиздат, 1989. 5. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА НА 0,4 KB: ИСПЫТАНИЯ, ВЫБОР, ПРИМЕНЕНИЕ, А. Гуртовцев, В. Бордаев, В. Чижонок, Новости электротехники, журнал 2(26) 2004 - Всероссийский информационно-справочное издание. 6. Теоретическая электротехника, Н. Н. Мансуров, В. С. Попов, издание девятое, «Энергия», 1966, гл. 5. 7. Электрические машины, Л. Пиотровский, ГОСЭНЕРГОИЗДАТ, М., 1958, гл. 13. 11 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 89403 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601