КОРРЕКЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА Российский патент 2001 года по МПК G01R19/00 H01F38/32 

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

Известны трансформаторы тока для преобразования больших токов в стандартные вторичные токи 1 или 5А.

Недостатками таких устройств является снижение точности преобразования тока при перегрузках. Кроме этого, значение выходного тока не согласовано с входными параметрами современных измерительных электронных устройств, в которых достаточными являются сигналы по току до 5-10 мА и по напряжению до 10 мВ.

Наиболее близким устройством к заявляемому изобретению является трансформатор тока с обратной связью (компенсационный трансформатор тока) (см. М. Б. Лейтман. 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 к входу усилителя. Такие устройства имеют малые погрешности преобразования тока за счет отрицательной обратной связи.

Недостатком такого трансформатора является наличие обратной связи, что приводит к снижению его устойчивости и быстродействия, поскольку для увеличения точности преобразования необходимо увеличивать глубину отрицательной обратной связи (ООС).

Сущность решения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении устойчивости и быстродействия устройства при обеспечении малых погрешностей преобразования тока.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом измерительном трансформаторе тока, содержащем ферромагнитный сердечник, первичную обмотку, которая включена последовательно в цепь измеряемого тока, первую вторичную обмотку, один вывод которой соединен с земляной шиной, вторую вторичную обмотку, один вывод которой соединен с земляной шиной, в отличие от известного, другой вывод первой вторичной обмотки соединен с входом преобразователя ток-напряжение на основе операционного усилителя, другой вывод второй вторичной обмотки через повторитель напряжения на основе операционного усилителя соединен с входом интегрирующего операционного усилителя, а выход последнего соединен с первым входом инвертирующего сумматора напряжений, второй вход которого соединен с выходом преобразователя ток-напряжение, причем выход сумматора напряжений является выходом трансформатора.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показана схема устройства; на фиг. 2 - схема замещения трансформатора; на фиг. 3 - сумматор напряжений.

Устройство содержит (фиг. 1) ферромагнитный сердечник 1, первичную 2, первую вторичную 3, вторую вторичную 4 обмотки, преобразователь ток-напряжение на основе операционного усилителя (ОУ) 5, повторитель напряжения на основе ОУ 6, интегрирующий ОУ 7, сумматор напряжений 8.

Трансформатор работает следующим образом. Обмотка 2 с количеством витков w₁ включается в цепь измеряемого тока i₁. По обмотке 4 с количеством витков w₂ протекает ток i₂, причем эта обмотка работает в режиме короткого замыкания вследствие того, что входное сопротивление преобразователя ток-напряжение 5 близко к нулю, поскольку точка а (фиг. 1 и 2) виртуально заземлена. На фиг. 2 показана приведенная схема замещения (при w₁ = w₂), поясняющая работу трансформатора.

По первому закону Кирхгофа имеем:
i₂=i₁-i₀, (1)
из которого видно, что погрешность преобразования определяется наличием намагничивающего тока i₀. В известных устройствах погрешности преобразования стремятся снизить с помощью уменьшения тока i₀. В прототипе это достигается введением ООС по магнитному потоку, что эквивалентно увеличению индуктивности ветви намагничивания М. Но выражение (1) показывает другой путь, а именно - формирование сигнала, пропорционального (i₂+i₀), поскольку
i₂+i₀=i₁, (1')
что предлагается в данной заявке. Для этого ток i₂ преобразуется в напряжение
u₂=-R₂i₂ (2)
с помощью преобразователя ток-напряжение 5, а напряжение u через повторитель напряжения 6 подается на вход интегратора 7, выходное напряжение которого
(3)
т. е. пропорционально намагничивающему току. Выражение (3) написано с учетом того, что

Напряжения (2) и (3) подаются на вход сумматора 8, собранного на основе ОУ (фиг. З). Коэффициенты передачи сумматора по обоим входам выбираются равными -1, поэтому его выходное напряжение

при условии, что

Выражение (4) при условии (5) показывает возможность формирования сигнала, пропорционального сумме вторичного и намагничивающего токов, который в свою очередь пропорционален первичному току i₁, что следует из выражения (1'), т. е. производится коррекция погрешностей преобразования. Но предложенное устройство не содержит цепи обратной связи, поэтому при малых погрешностях преобразования (т.е. с учетом намагничивающего тока) устойчивость и быстродействие устройства повышаются по сравнению с прототипом.

Отметим, что для выполнения условия (5) необходимо произвести градуировку (настройку) коррекционного трансформатора.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, заключающегося в повышении точности выделения постоянной составляющей и повышении быстродействия устройства. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Использование: в электрических измерениях, в частности в измерениях переменных токов в электроэнергетике. Технический результат заключается в повышении устойчивости и быстродействия при обеспечении малых погрешностей преобразования тока. Трансформатор содержит ферромагнитный сердечник и одну первичную и две вторичные обмотки, которые подключены к узлу для коррекции погрешностей. Он формирует сигнал, пропорциональный намагничивающему току трансформатора. Этот сигнал суммируется далее с напряжением, пропорциональным вторичному току трансформатора. 3 ил.

Коррекционный измерительный трансформатор тока, содержащий ферромагнитный сердечник, первичную обмотку, которая включена последовательно в цепь измеряемого тока, первую вторичную обмотку, один вывод которой соединен с земляной шиной, вторую вторичную обмотку, один вывод которой соединен с земляной шиной, отличающийся тем, что другой вывод первой вторичной обмотки соединен с входом преобразователя ток-напряжение на основе операционного усилителя, другой вывод второй вторичной обмотки через повторитель напряжения на основе операционного усилителя соединен с входом интегрирующего операционного усилителя, а выход последнего соединен с первым входом инвертирующего сумматора напряжений, второй вход которого соединен с выходом преобразователя ток-напряжение, причем выход инвертирующего сумматора напряжений является выходом трансформатора.