ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H01F38/28 

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерению переменных токов в электроэнергетике.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в повышении точности измерения переменных токов в электроэнергетике и улучшении эксплуатационных характеристик трансформаторов тока.

Известны так называемые компенсационные трансформаторы тока (см. Лейтман М. Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. М. Энергоатомиздат, 1986, 144 с.). Одна обмотка такого трансформатора включается в цепь измеряемого тока, другая является выходной, а третья подсоединяется ко входу усилителя. Такие устройства имеют малые погрешности преобразования тока за счет отрицательной обратной связи. Но трансформаторы такого типа в электроэнергетике не применяются, поскольку при большом первичном токе (тысячи ампер) необходим большой коэффициент трансформации при использовании маломощного усилителя, т.к. выходной ток трансформатора определяется выходным током усилителя (единицы миллиампер при использовании операционных усилителей). Это приводит к расходу большого количества меди и существенному снижению технологичности при изготовлении трансформатора. Уменьшить количество витков вторичной обмотки можно увеличением выходного тока усилителя, но это приводит к снижению надежности трансформатора, а этому фактору в электроэнергетике придается большое значение.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является трансформатор тока (см. Андреев Ю.А. Абрамзон Г.В. Преобразователи тока для измерения без разрыва цепи. Л. Энергия, 1979. с. 36-40, 144 с.). Он содержит сердечник из ферромагнитного материала, первичную и вторичную обмотки. Такой трансформатор широко используется в электроэнергетике, т.к. он надежен и прост в изготовлении. Недостатком прототипа является наличие погрешностей преобразования, которые, как известно, увеличиваются с ростом сопротивления во вторичной обмотке. Это сопротивление включает в себя сопротивления обмотки трансформатора, соединительных проводов и измерительных приборов. Кроме этого, трансформатор и измерительные устройства часто разнесены в пространстве, поскольку первый располагается в распределительном устройстве, а вторые на пульте управления, что обуславливает использование длинных соединительных проводов. Это приводит с одной стороны к росту сопротивления во вторичной обмотке, а, следовательно, к увеличению погрешностей, а с другой к увеличению мощности потерь и расхода материалов, т.к. вторичный ток прототипа является довольно значительным (1А или 5А согласно ГОСТ), что также является недостатком прототипа.

Цель изобретения повышение точности измерения тока, снижение расхода материалов и мощности потерь путем уменьшения сопротивления во вторичной обмотке трансформатора.

Для достижения поставленной цели в измерительном трансформаторе тока, содержащем: первый трансформатор с первичной и вторичной обмотками, причем первичная обмотка включена в цепь измеряемого тока; второй трансформатор, содержащий три обмотки и усилитель, причем третья обмотка подсоединена между земляной шиной и входом усилителя, выход которого через вторую обмотку и резистор соединен с земляной шиной; первая обмотка второго трансформатора включена между выводами вторичной обмотки первого трансформатора, а точка соединения третьей обмотки второго трансформатора и резистора является выходом устройства.

Существенным отличием заявляемого устройства от прототипа является использование второго каскада на основе компенсационного трансформатора тока, что позволяет снизить сопротивление вторичной обмотки трансформатора.

По имеющимся у авторов сведениям эти существенные признаки не известны из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению авторов сущность заявляемого изобретения не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "изобретательский уровень"
Признаки данного изобретения могут быть многократно использованы в измерительной технике с получением технического результата, заключающегося в достижении поставленной цели, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Функциональная схема устройства приведена на фиг. 1 и содержит первый трансформатор с первичной 1, вторичной 2 обмотками, второй трансформатор с первой обмоткой 3, усилителем 4, второй 5, третьей 6 обмотками, резистором 7. Выходом устройства является вывод 8. На фиг. 2 показана схема замещения трансформатора. На ней параметры элементов приведены к первичной обмотке первого трансформатора, что показано либо с помощью одного штриха (элементы вторичной обмотки первого трансформатора и первой обмотки второго трансформатора), либо с помощью двух штрихов (элементы второй обмотки второго трансформатора).

Устройство работает следующим образом. Обмотка 1 включается в цепь измеряемого тока. Количество витков на ней равно W₁ (часто это один виток). Выходной ток снимается с обмотки 2, имеющей количество витков W₂. Коэффициент трансформации первого трансформатора равен n₁ W₂/W₁. В прототипе между точками a и b последовательно с сопротивлением обмотки 2 включается сопротивление нагрузки состоящее из сопротивления соединительных проводов и измерительных приборов. В этом случае ток на выходе первого трансформатора равен

где сопротивление ветви намагничивания первого трансформатора.

Из формулы (1) видно, что прототип имеет погрешности, т.к. , поскольку сопротивление составляет ощутимую величину (до нескольких Ом). Погрешности уменьшаются при
,
что в прототипе недостижимо. В предлагаемом устройстве между точками a, b включается второй трансформатор, который с высокой точностью преобразовывает ток в ток за счет отрицательной обратной связи, что на схеме замещения отражается увеличением сопротивления ветви намагничивания в K раз (K коэффициент усиления усилителя 4). Поэтому можно считать, что

где n₂=W₅/W₃ коэффициент трансформации второго трансформатора;
W₃, W₅ количества витков на обмотках 3 и 5, соответственно, причем обычно W₃=1.

При этом сопротивление нагрузки первого трансформатора равно:

где сопротивления обмоток 3 и 5, соответственно:
R₇ сопротивление резистора 7.

Поскольку R₇ > Z₅, то

Обычно: R₇ 2 3 кОм, n₂ 1000-10000, а обмотка 3 выполняется в виде одного витка (Z₃ _→ 0), поэтому практически , т.е. выполняется условие (2), что способствует снижению погрешностей первого трансформатора, а, следовательно, и всего устройства, т.к. с учетом (3)

Если трансформатор и измерительные приборы разнесены в пространстве, то линия связи (провод cd на фиг. 2) в данном случае выполняется в виде провода с малым сечением, поскольку ток I_вых относительно мал (не превышает 10 mA), что способствует снижению расхода материалов и мощности потерь. Измерительные приборы подключаются к выводу 8.

Согласно результатам экспериментов, заявляемое изобретение может найти широкое применение в народном хозяйстве, где необходимо увеличение точности измерения токов. Необходимо подчеркнуть, что при этом не требуется какой-либо внутренней переделки первого трансформатора, т.е. предлагаемое решение позволит получить эффект снижения погрешностей и расхода материалов на оборудовании, которое широко используется в электроэнергетике, что имеет важное значение.

Заявляемое решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Использование: в электроизмерительной технике. Сущность: во вторичной обмотке трансформатора установлен второй каскад на основе трансформатора с отрицательной обратной связью, что повышает точность измерения переменного тока, снижает расход материалов и мощности потерь путем уменьшения сопротивления. 2 ил.

Измерительный трансформатор тока, содержащий первый трансформатор с первичной и вторичной обмотками, причем первичная обмотка включена в цепь измеряемого тока, второй трансформатор, содержащий три обмотки и усилитель, причем третья обмотка подсоединена между земляной шиной и входом усилителя, выход которого через вторую обмотку и резистор соединен с земляной шиной, отличающийся тем, что первая обмотка второго трансформатора включена между выводами вторичной обмотки первого трансформатора, а точка соединения третьей обмотки второго трансформатора и резистора является выходом устройства.