ДАТЧИК ТОКА В СИЛОВОЙ ШИНЕ Российский патент 1996 года по МПК B60L15/08 G01R19/00 

Изобретение относится к электроизмерительному оборудованию электрического транспорта, в частности к датчикам силового тока.

Известен датчик тока в силовой шине, содержащий ферромагнитный сердечник с воздушным зазором, в котором расположен преобразователь Холла, обмотку, размещенную на сердечнике и подключенную к преобразователю Холла через образцовый резистор, источник тока и операционный усилитель.

Недостатками датчика являются увеличение массы, габаритных размеров и расхода медного провода на обмотку и ферромагнитного материала при изготовлении его для измерения больших токов (десятков килоампер).

Предлагается датчик силового тока, содержащий сердечник замкнутой формы, выполненный из электротехнической стали с воздушным зазором, в котором расположен преобразователь Холла, обмотку, размещенную на сердечнике и подключенную к выходу преобразователя Холла через последовательно соединенные усилитель, источник тока и образцовый резистор, выход которого предназначены для подключения устройства для обработки информации, отличающийся тем, что в сердечник выполнен дополнительный воздушный зазор, в который введена ферритовая прокладка, а в пространстве между закрепленной в корпусе датчика вне сердечника силовой шиной и участком сердечника с ферритовой прокладкой установлена калибровочная токопроводящая пластина.

Элементами новизны в предлагаемом датчике являются размещение шины силового тока вне сердечника, размещение в одном из воздушных зазоров сердечника ферритовой прокладки, использование калибровочной токопроводящей пластины.

Размещение шины силового тока вне сердечника позволяет уменьшить массу и габариты датчиков, предназначенных для измерения больших токов (десятков килоампер). Размещение ферритовой прокладки в одном из воздушных зазоров осуществляет линеаризацию функции преобразования датчика тока. Использование калибровочной токопроводящей шины обеспечивает изменение пределов измерения датчика тока. Отмеченные особенности являются существенными отличиями предлагаемого датчика силового тока, обеспечиваемыми его новыми элементами и связями.

На чертеже показана схема датчика силового тока.

Датчик содержит сердечник 1 замкнутой формы с двумя воздушными зазорами. Сердечник 1 выполнен из электротехнической стали и жестко закреплен в корпусе 2 датчика. В одном из воздушных зазоров сердечника 1 размещена ферритовая прокладка 3, а в другом преобразователь Холла 4. (Цепь питающего тока для преобразователя Холла 4 на схеме не показана). Выход преобразователя Холла 4 соединен через операционный усилитель 5, источник 6 тока и образцовый резистор 7 с обмоткой 8 обратной связи, размещенной на сердечнике 1. Шина 9 силового тока жестко закреплена в корпусе 2 датчика на определенном расстоянии от сердечника 1. В пространстве между шиной 9 силового тока и сердечником 1 в окне 10 корпуса 2 датчика закреплена калибровочная токопроводящая пластина 11.

Работает датчик следующим образом.

Измеряемый ток I_x, протекающий по жестко скрепленным между собой шине 9 и пластине 11, создает вокруг них магнитное поле, силовые линии которого концентрируются в сердечнике 1 и воздействуют на преобразователь Холла 4. Напряженность Н_х этого поля в точке размещения преобразователя Холла зависит от формы и размеров сердечника 1, его магнитной проницаемости и расстояния r между сердечником 1 и геометрическим центром шины 9 и пластины 11:
H_x= K₁ где К₁ коэффициент, учитывающий форму, размеры и магнитную проницаемость сердечника 1.

Под действием магнитного поля в преобразователе Холла генерируется ЭДС, величина которой прямо пропорциональна напряженности Н_х. ЭДС преобразователя Холла усиливается операционным усилителем 5. Выходное напряжение усилителя 5 управляет источником тока 6, который вырабатывает ток I_ос обратной связи. Ток I_ос поступает через резистор 7 в обмотку 8 обратной связи. Под действием тока I_ос создается в сердечнике 1 магнитный поток обратной связи, воздействующий на преобразователь Холла 4 в направлении, противоположном воздействию магнитного поля от измеряемого тока I_х. Магнитный поток обратной связи компенсирует воздействие магнитного поля от тока I_х, и выходная ЭДС преобразователя Холла начинает уменьшаться, приводя к уменьшению тока I_ос обратной связи. Уменьшение тока I_ос идет до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие между ним и напряженностью Нх. Согласно теории систем уравновешивающего (компенсационного) преобразования, это состояние описывается следующей зависимостью:
I_oc= H_x где К_пр=К_х•К_у•К_т коэффициент передачи цепи прямого преобразования, в которую входят преобразователь Холла, операционный усилитель, источник тока (К_х, К_у, К_т коэффициенты передачи указанных элементов);
K_oc= коэффициент передачи цепи обратной связи;
W_ос число витков обмотки 8 обратной связи;
R_м -сопротивление магнитной цепи, включающее в себя магнитное сопротивление сердечника 1, ферритовой прокладки 3 и воздушного зазора, в котором находится преобразователь Холла 4.

Коэффициенты К_пр и К_ос выбирают таким образом, чтобы выполнялось условие К_пр•К_ос>>1. В этом случае условие динамического равновесия между током I_ос и напряженностью Н_х можно представить в виде
I_oc=
или с учетом значений Н_х и К_ос,
I_oc=
Согласно данному соотношению ток I_ос обратной связи пропорционален измеряемому току I_х, а коэффициент передачи датчика тока
K_дт=
находится в прямой зависимости от расстояния r между сердечником 1 и геометрическим центром жестко соединенных между собой шины 9 и пластины 11. Из этого следует, что в качестве выходного сигнала датчика можно использовать падение напряжения на резисторе 7, а пределы измерения датчика изменять подсоединением к шине 9 токопроводящей пластины 11. Наибольший предел измерения датчик имеет без пластины 11. При этом сечение сердечника 1 и расстояние между ним и шиной 9 выбираются с учетом магнитных потоков рассеяния и конструктивных требований, предъявляемых к датчику. Для уменьшения предела измерения датчика к шине 9 подсоединяется токопроводящая пластина 11 соответствующей толщины.

Использование ферритовой прокладки 3 обеспечивает линеаризацию функции преобразования датчика в начальной ее части при малых значениях тока I_х, когда проявляется нелинейность кривой намагничивания электротехнической стали.

Таким образом, в предлагаемом датчике существенно снижена зависимость сечения сердечника от величины измеряемого тока, что позволяет сократить расход ферромагнитного материала, меди на обмотку обратной связи и уменьшить массу и габаритные размеры датчика. Кроме того, датчик имеет линейную функцию преобразования, что повышает его точность.

Использование: измерение силового (сотни - тысячи ампер) тока. Сущность изобретения: датчик содержит ферромагнитный сердечник замкнутой формы с двумя воздушными зазорами, в которых размещены ферритовая прокладка и преобразователь Холла. Выход преобразователя Холла соединен через усилитель и источник тока с обмоткой обратной связи, размещенной на сердечнике. Шина силового тока жестко соединена с токопроводящей прокладкой и закреплена в корпусе датчика на строго заданном расстоянии от сердечника. Использование ферритовой прокладки обеспечивает линеаризацию функции преобразования датчика в начальной ее части при малых значениях тока, когда проявляется нелинейность кривой намагничивания электротехнической стали. 1 ил.

ДАТЧИК ТОКА В СИЛОВОЙ ШИНЕ, содержащий сердечник замкнутой формы, выполненный из электротехнической стали с воздушным зазором, в котором расположен преобразователь Холла, обмотку, размещенную на сердечнике и подключенную к выходу преобразователя Холла через последовательно соединенные усилитель, источник тока и образцовый резистор, выводы которого предназначены для подключения устройства для обработки информации, отличающийся тем, что в сердечнике выполнен дополнительный воздушный зазор, в который введена ферритовая прокладка, а в пространстве между закрепленной в корпусе датчика вне сердечника силовой шиной и участком сердечника с ферритовой прокладкой установлена калибровочная токопроводящая пластина.