ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК G01R19/20 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения переменных токов в цепях радио- и электроустановок в широкой полосе частот.

Известны устройства для измерения переменных токов, например трансформаторы тока, содержащие магнитопровод из магнитомягкого материала, на который нанесены входная обмотка и измерительная обмотка, нагруженная на измерительный резистор (Афанасьев В.В. Адоньев Н.М. Жалалис Л.В. и др. Трансформаторы тока. Л, Энергия, 1980, 344 с.).

Насыщение магнитопровода трансформатора тока при измерении токов в переходных режимах снижает точность измерения и не позволяет получить достоверную информацию о параметрах процесса.

Указанное устройство имеет также невысокую точность в области низких частот из-за снижения ЭДС измерительной обмотки в этой области частот.

Известно также устройство (авт. св. СССР N 1246015, кл. G 01 R 19/20. Магнитоэлектронный преобразователь ток-напряжение. Гусев В.Г. Иванов М.П. и Фокин А. Н. Опубл. в Б.И. N 27, 1986), содержащее входную и две вторичные обмотки, расположенные на магнитопроводе из магнитомягкого материала, два операционных усилителя, первый резистор, включенный между первым выводом первой вторичной обмотки и выходной шиной, соединенной с выходом первого операционного усилителя, конденсатор, включенный между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, второй резистор, включенный между первым выводом второй вторичной обмотки и инвертирующим входом второго операционного усилителя, неинвертирующие входы операционных усилителей и второй вывод второй вторичной обмотки подключены к общей шине, а инвертирующий вход первого операционного усилителя и второй вывод первой вторичной обмотки соединены с выходом второго операционного усилителя.

Указанное устройство имеет сложную конструкцию в связи с наличием двух вторичных обмоток (одна из которых является измерительной, а вторая - компенсационной) и низкую точность измерения в связи с подмагничиванием магнитопровода постоянной составляющей тока компенсации, возникающей за счет дрейфа нулевого уровня выходного напряжения второго операционного усилителя. Дрейф обусловлен наличием тока и напряжения смещения нуля и отсутствием стабилизирующей обратной связи. Выходной сигнал первого операционного усилителя, представляющий собой усиленное выходное напряжение второго операционного усилителя, через первый резистор подается на первую вторичную обмотку, кроме полезного сигнала обратной связи через обмотку протекает постоянная составляющая тока компенсации, которая подмагничивает магнитопровод, вызывая его насыщение и потерю сигналов как обратной связи, так и измерительного, снимаемого второй вторичной обмотки. Для получения максимального напряжения на выходных клеммах первого операционного усилителя достаточно разности потенциалов между его входами в несколько милливольт, поэтому после подачи питающих напряжений устройство за короткий промежуток времени теряет работоспособность вследствие насыщения магнитопровода. Оба операционных усилителя также оказываются в насыщенном состоянии.

Изобретение направлено на упрощение устройства и повышение точности измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в измерительном преобразователе переменного тока, содержащем входную и вторичную обмотки, расположенные на магнитопроводе из магнитомягкого материала, первый операционный усилитель, выход которого и первый вывод первого резистора подключены к выходу преобразователя, второй операционный усилитель, инвертирующий вход которого через второй резистор соединен с первым выводом вторичной обмотки и через конденсатор с его выходом, второй вывод второй вторичной обмотки и неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключены к общей шине, а инвертирующий вход первого операционного усилителя и второй вывод первого резистора соединены с первым выводом вторичной обмотки, и неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к выходу второго операционного усилителя.

Подключение инвертирующего входа первого операционного усилителя и второго вывода первого резистора к первому выводу вторичной обмотки позволило стабилизировать нулевой уровень второго операционного усилителя и упростить устройство за счет совмещения одной вторичной обмотки функций измерительной и компенсационной обмоток. Соединение неинвертирующего входа первого операционного усилителя с выходом второго операционного усилителя позволило повысить устойчивость контура регулирования за счет исключения влияния омического сопротивления вторичной обмотки и выходного частотно-зависимого сопротивления второго операционного усилителя на уровень тока компенсации, а также за счет исключения дополнительного инвертирования сигнала в контуре регулирования. Благодаря исключению влияния указанных сопротивлений на уровень компенсационного тока повышается точность измерения устройства. Ток, протекающий через первый резистор, пропорционален мгновенному значению измеряемого тока во входной обмотке, результирующий магнитный поток в магнитопроводе близок к нулю за счет значительного коэффициента усиления по мощности первого операционного усилителя, ошибка преобразователя не превышает десятой доли процента.

На фиг. 1 приведена функциональная схема измерительного преобразователя переменного тока; на фиг. 2 диаграммы измеряемого тока и выходных сигналов преобразователя тока.

Устройство содержит магнитопровод 1, выполненный из магнитомягкого материала, на который нанесены входная обмотка 2 которая может содержать один виток и выполняться в виде шинной или кабельной вставки, и вторичная обмотка 3, а также первый 4 и второй 5 операционные усилители, первый и второй резисторы 6, 7 и конденсатор 8.

К выходу 9 преобразователя тока подключены выход первого операционного усилителя 4 и первый вывод первого резистора 6, второй вывод которого, инвертирующий вход первого операционного усилителя 4 и первый вывод второго резистора 7 соединены с первым выводом вторичной обмотки 3. Второй вывод резистора 7 и первый вывод конденсатора 8 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя 5, к выходу которого подключены второй вывод конденсатора 8 и неинвертирующий вход первого операционного усилителя 4. Второй вывод вторичной обмотки 3 и неинвертирующий вход второго операционного усилителя 5 соединены с общей шиной 10 устройства.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии питающих напряжений и протекании входного тока I₁ (фиг. 2, поз. 1), последний создает в магнитопроводе 1 магнитный поток, который подмагничивает сердечник и при достаточном уровне входного тока насыщает магнитопровод. Во вторичной обмотке 3 наводится ЭДС U₃, пропорциональная величине и скорости изменения магнитного потока в сердечнике (фиг. 2, поз. 2). При подаче питающих напряжений с момента времени t₁ выходной сигнал U₃ вторичной обмотки 3 интегрируется активным интегратором напряжения, выполненным на втором операционном усилителе 5, резисторе 7 и конденсаторе 8. Постоянная интегрирования равна произведению сопротивления резистора 7 на емкость конденсатора 8. Выходное напряжение U₅ второго операционного усилителя 5 поступает на неинвертирующий вход первого операционного усилителя 4, который усиливает по напряжению разность потенциалов между его входами, т.е. между первым выводом вторичной обмотки 3 и выходом второго операционного усилителя 5. Появление ЭДС U₃ на вторичной обмотке 3 вызвано наличием остаточного магнитного потока, обусловленного разностью магнитодвижущихся сил первичного тока во входной обмотке и тока компенсации во вторичной обмотке 3. Так как контур регулирования функционирует с конечной, но не равной нулю ошибкой, то магнитопровод подмагничивается приведенным разностным током I_р,
I_р I₁ I₃•K_пр,
где I₁ ток, протекающий во входной обмотке;
I₃ ток компенсации, протекающий во вторичной обмотке 3;
K_пр коэффициент преобразования устройства, равной отношению магнитодвижущих сил контуров с токами I₁ и I₃.

Напряжение, приложенное между входами усилителя 4, усиливается в K_у>1 раз и через первый резистор 6 прикладывается к вторичной обмотке 3. Через резистор 6 протекает ток компенсации, вызывающий магнитный поток, вектор которого направлен встречно вектору потока, вызванному измеряемым током I₁. Так как сопротивление резистора 7 и входное сопротивление утечки первого операционного усилителя 4 на несколько порядков выше полного сопротивления вторичной обмотки 3 в режиме компенсации, то практически весь ток компенсации протекает через вторичную обмотку 3. Этот же ток создает падение напряжения на резисторе 6, практически равное выходному напряжению первого операционного усилителя 4 и пропорциональное мгновенному значению измеряемого тока I₁ (фиг. 2, поз. 4). Так как первый операционный усилитель 4 имеет коэффициент усиления по мощности значительно больше единицы (десятки и сотни тысяч раз), то сила разностного тока I_р по отношению к силе измеряемого тока составляет сотые доли процента и погрешность измерения практически определяется индуктивностями рассеяния входной и вторичной обмоток 2 и 3.

Решение поставленной задачи подтверждается испытанием макетного образца устройства. В качестве операционных усилителей 4 и 5 использованы микросхемы усилителей КР544УД2А, операционный усилитель 4 использовался с усилителем мощности на транзисторах КТ814г и КТ815Г. Диапазон измеряемых токов составил 0. 50А. Приведенная погрешность измерения не превышает 0,15% и обусловлена аддитивными составляющими, вызванными напряжением смещения нуля усилителей 4 и 5 и потоками рассеяния обмоток 2 и 3.

Предложенное устройство может быть использовано в качестве бесконтактного широкополосного измерительного преобразователя переменных токов в системах управления электропривода, тиристорных регуляторах, зарядных устройствах и в качестве измерительного органа релейных защит.

Использование: в системах управления электропривода, тиристорных преобразователях, регуляторах и измерительных органах релейной защиты. Сущность изобретения: измерительный преобразователь переменного тока содержит магнитопровод 1 из магнитомягкого материала с входной 2 и вторичной 3 обмотками, два операционных усилителя (ОУ) 4 и 5, два резистора (Р) 6 и 7 и конденсатор 8, к выходу 9 устройства подключены выходы ОУ 4 и первый выход Р6, второй вывод которого, инвертирующий вход ОУ 4 и первый вывод Р 7 соединены с первым выводом вторичной обмотки 3, второй вывод Р7 и первый вывод конденсатора 8 соединен с инвертирующим входом ОУ 5, к выходу которого подключены второй вывод конденсатора 8 и неинвертирующий вход ОУ 4, второй вывод вторичной обмотки 3 и неинвертирующий вход ОУ 5 соединены с общей шиной устройства. 2 ил.

Измерительный преобразователь переменного тока, содержащий входную и вторичную обмотки, расположенные на магнитопроводе из магнитомягкого материала, первый операционный усилитель, выход которого и первый вывод первого резистора соединены и являются выходом измерительного преобразователя переменного тока, второй операционный усилитель, инвертирующий вход которого через второй резистор соединен с первым выводом вторичной обмотки и через конденсатор с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого и второй вывод вторичной обмотки подключены к общей шине, отличающийся тем, что первый вывод вторичной обмотки соединен с вторым выводом первого резистора и инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к выходу второго операционного усилителя.