ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА В НАПРЯЖЕНИЕ Российский патент 1996 года по МПК H01F27/36 H01F38/22 

Изобретение относится к технике релейной защиты и автоматики электрических систем и может быть использовано для контроля и измерения тока.

Известен преобразователь на основе трансформатора тока (Казанский В.Е. Измерительные преобразователи тока в релейной защите. М. Энергоатомиздат, 1988. рис. 1.1, с. 11), содержащий измерительную обмотку, размещенную на магнитопроводе, охватывающем первичный ток.

Недостатком такого преобразователя являются ограниченный диапазон преобразования, являющийся результатом влияния индуктивности обмотки трансформатора, и большие габариты.

Указанные недостатки устранены в преобразователе, содержащем дополнительно короткозамкнутую обмотку, которая выполнена в виде сплошного слоя токопроводящего материала, охватывающего магнитопровод (авт.св. 1347025, кл. G 01 R 19/00, БИ N 39, 1987). Однако данное устройство имеет ограниченный диапазон преобразования по частоте, что сужает область его применения. Ограничение частотного диапазона сверху обусловлено влиянием конечной толщины короткозамкнутой обмотки (Электротехника, 1989. N 2, с. 38 43), в пространстве которого замыкается собственный поток (или так называемый поток рассеяния) этой обмотки.

Цель изобретения расширение диапазона рабочих частот и, как следствие, расширение области применения.

С указанной целью в преобразователь тока в напряжение, включающий в себя магнитопровод, одновитковую короткозамкнутую обмотку, размещенную поверх магнитопровода в виде сплошного слоя токопроводящего материала, и многовитковую измерительную обмотку, дополнительно введена вторая короткозамкнутая обмотка, расположенная поверх измерительной в виде сплошного слоя токопроводящего материала.

Во втором варианте обе короткозамкнутые обмотки конструктивно выполнены в виде двух токопроводящих контейнеров, размещенных первый внутри второго, причем магнитопровод размещен внутри первого контейнера, а измерительная обмотка поверх него.

Введение второй короткозамкнутой обмотки вызывает распределение силового тока в двух параллельно включенных короткозамкнутых обмотках. При этом измерительная обмотка оказывается расположенной между двумя протекающими в одном направлении токами силовых обмоток. Такое размещение приводит к тому, что действие магнитных потоков рассеяния, создаваемых первой и второй короткозамкнутыми обмотками, взаимно компенсируется в пространстве измерительной обмотки. В результате ЭДС этой обмотки будет определяться только потоком, который замыкается в магнитопроводе и создается силовым током.

Наиболее заметная компенсация действия потоков рассеяния достигается при равномерном распределении тока по поверхности короткозамкнутых обмоток, охватывающих весь магнитопровод. Данный эффект может быть достигнут при конструктивном выполнении упомянутых короткозамкнутых обмоток в виде сплошных токопроводящих контейнеров с жестко выдержанными размерами и соответствующем их размещении: первый (внутренний) охватывающим магнитопровод, а второй (внешний) измерительную обмотку, расположенную поверх первого контейнера.

Так как практически весь силовой ток замыкается по токопроводящим контейнерам, то измерительная обмотка может быть выполнена предельно тонким проводом. В результате расщепление одной силовой обмотки на две (т.е. выполнения в виде двух токопроводящих слоев или двух контейнеров) не приводит к заметному увеличению размеров устройства по сравнению с прототипом. Расположение же измерительной обмотки между этими короткозамкнутыми обмотками дает положительный эффект расширение диапазона рабочих частот в сторону верхних за счет компенсации действия потоков рассеяния силовых обмоток.

Дополнительный эффект данного решения заключается в улучшении теплового режима. В прототипе короткозамкнутая силовая обмотка, определяющая тепловой режим, слабо охлаждается вследствие наличия поверх нее измерительной обмотки. А в предложенном устройстве, наоборот, одна из силовых обмоток расположена поверх измерительной и хорошо доступна охлаждению. Выравнивание же температуры происходит за счет автоматического перераспределения в них тока, поскольку обе короткозамкнутые обмотки оказываются включенными параллельно. Кроме того, внутренняя короткозамкнутая обмотка (первый проводящий контейнер) выполняет одновременно функцию кожуха, защищающего магнитопровод от механических воздействий при использовании высокопроницаемых сплавов, а внешняя (второй проводящий контейнер) функцию кожуха, обеспечивающего еще и экранирование от электрических помех, что существенно повышает помехоустойчивость и надежность всего преобразователя.

Таким образом, преобразователь, у которого силовая обмотка выполнена в виде двух сплошных токопроводящих слоев или контейнеров, создающих эффект параллельного включения двух короткозамкнутых обмоток и деления в них силового тока так, что происходит компенсация действия потоков рассеяния в пространстве измерительной обмотки, по данным заявителя представляется новым, ранее неизвестным.

Появление же кроме основного положительного эффекта, а именно снижение влияния индуктивности рассеяния, и следующих новых качеств улучшение теплового режима преобразователя, экранирование измерительной обмотки от электрических и механических воздействий существенно отличает предлагаемое устройство от прототипа и расширяет область его применения.

Известно применение объемных короткозамкнутых витков, охватывающих магнитопроводы с обмотками (Горский А.Н. и др. Расчет электромагнитных элементов источников вторичного электропитания. M. Радио и связь, 1988. с. 9, рис.1 6), которое обеспечивает электрическое экранирование, уменьшает паразитную межобмоточную емкость и одновременно является кожухом трансформатора. Однако данная конструкция предназначена для связи двух трансформаторов. Предлагаемое же техническое решение отличается тем, что используется система из двух короткозамкнутых обмоток, в которой сами обмотки выполняют функцию измерительных резисторов, а их взаимное расположение относительно измерительной обмотки дает эффект компенсации действия потоков рассеяния. Причем указанный эффект не может быть достигнут в упомянутом выше трансформаторе с объемным витком связи.

На фиг. 1 приведено условное изображение предложенного преобразователя, на фиг.2 его эквивалентная схема. Сечение устройства с контейнерным вариантом выполнения обмоток представлено на фиг.3.

Преобразователь (фиг. 1) содержит магнитопровод 1, охватывающий обмотку с первичным током 2, первую короткозамкнутую обмотку 3, охватывающую магнитопровод 1 сплошным слоем, измерительную обмотку 4, расположенную поверх обмотки 3, и вторую короткозамкнутую обмотку 5, охватывающую обмотки 3, 4 и магнитопровод 1 сплошным слоем.

На фиг.2 омические сопротивления обмоток 3 и 5 представлены эквивалентными резисторами 6 и 7.

Преобразователь работает следующим образом. В качестве первичной обмотки 2 используется проводник с контролируемым током i₁, который пропускается в окно магнитопровод 1. Под действием тока i₁ в магнитопроводе создается магнитный поток, создающий ток i₂ в обоих короткозамкнутых обмотках 3 и 5. При этом в измерительной обмотке 4, оказывающейся между протекающими в одном направлении токами обмоток 3 и 5, возникает напряжение U_изм, равное

где W число витков измерительной обмотки 4;
Ф_м магнитный поток в магнитопроводе 1;
Ψ_s3 и Ψ_s5 потокосцепления измерительной обмотки 4, обусловленные магнитными потоками рассеяния короткозамкнутых обмоток 3 и 5 соответственно.

Активное сопротивление R₃ и R₅ короткозамкнутых обмоток 3 и 5 соответственно остаются много меньше сопротивления ветви намагничивания преобразователя в широком диапазоне изменения контролируемого тока i₁, следовательно ток намагничивания i_м оказывается много меньше тока i₂ двух параллельно включенных короткозамкнутых обмоток 3 и 5. Так как сопротивления короткозамкнутых обмоток могут быть неодинаковыми, то токи в них распределятся следующим образом
,
,
где i₂ i₃ + i₅ i₁ i_м ≈ i₁.

Напряжение на измерительной обмотке 4 равно
U_изм WR_экв,
где .

В данном устройстве по сравнению с прототипом существенно снижено влияние потоков рассеяния, а следовательно и индуктивностей рассеяния, на величину напряжения измерительной обмотки.

Таким образом предлагаемый преобразователь обладает более широким диапазоном рабочих частот, что делает возможным его применение в высокочастотных устройствах для измерения силовых токов.

Экспериментальный образец преобразователя для высокочастотного сварочного электрооборудования имеет следующие параметры: магнитопровод из сплава 82К3ХСР с размерами сердечника К34Х29Х4 размещен в специальный контейнер из меди толщиной 1 мм, поверх которой уложена измерительная обмотка с числом витков W 1000 проводом ПЭВ-1-0,06. Второй контейнер образован обмоткой из неизолированного провода d 1,0 мм, наложенной поверх измерительной обмотки. Верхняя граничная частота для этого преобразователя составляет 25 кГц. Преобразователь же без внешнего токопроводящего слоя (прототип) имеет граничную частоту, равную 4 кГц.

Эксперименты, проведенные на сварочной установке с рабочей частотой 5 8 кГц, показали, что для прототипа эффект влияния индуктивности рассеяния проявляется явно. А вариант на основе предложенного решения давал результаты сравнимые с этанолом безиндуктивным шунтом.

Таким образом практическая реализация подтверждает эффективность предлагаемого технического решения и свидетельствует о возможности широкого применения преобразователя в установках повышенной частоты. ЫЫЫ2

Изобретение относится к технике релейной защиты и автоматики электрических систем. Может быть использовано для контроля и измерения тока. В преобразователе на основе трансформатора тока с короткозамкнутой шунтовой 3 и измерительной обмотками 4 использована вторая короткозамкнутая обмотка, а измерительная расположена между короткозамкнутыми обмотками 5. Такая конструкция позволяет компенсировать действие потоков рассеяния, что и решает поставленную задачу. Наиболее заметный эффект компенсации имеет место в случае выполнения короткозамкнутых обмоток в виде токопроводящих контейнеров и соответствующем из размещении: первый - охватывающим магнитопровод 1, а второй - измерительную обмотку 4, расположенную поверх первого контейнера 3. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Преобразователь тока в напряжение, содержащий магнитопровод, на котором размещены первая короткозамкнутая и измерительная обмотки, отличающийся тем, что в него введена вторая короткозамкнутая обмотка, расположенная поверх измерительной обмотки и выполненная в виде сплошного слоя токопроводящего материала. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что обе короткозамкнутые обмотки выполнены в виде двух токопроводящих контейнеров, размещенных первый внутри второго, причем магнитопровод расположен внутри, а измерительная обмотка поверх первого контейнера.