ДАТЧИК ТОКА Российский патент 2002 года по МПК G01R19/00 G01R1/20 G01R11/02 H01G4/35 H01G17/00 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к датчикам тока силовой электрической цепи переменного тока, преобразующих силовой ток потребления-нагрузки в пропорциональное выходное напряжение с учетом фазового угла между силовым током потребления и напряжением источника напряжения, зависящего от характера нагрузки, с последующим использованием выходного напряжения датчиков тока, а также, например, и напряжения для управления автоматическими или телемеханическими устройствами в функции плотности тока, в том числе измерительными приборами электрической энергии, например электронными, амперметрами, ваттметрами, приборами для измерения фазового угла между током потребления и напряжением электрической сети, и прочими телемеханическими устройствами, входной частью которых являются первичные чувствительные элементы-датчики тока.

В качестве чувствительных элементов - датчиков тока на входах устройств, например, предназначенных для учета расхода электрической энергии в бытовых и промышленных условиях, используют трансформаторы тока, магнитоуправляемые полупроводники - магниторезисторы, -диоды, -транзисторы, а также активные измерительные шунты и шинные аппликации, которые обеспечивают допустимую стандартами на счетчики электрической энергии погрешность учитываемого угла сдвига фазы между силовым током потребления и напряжением электрической сети.

Однако датчик тока - трансформатор тока, максимально закороченный по выходу (одно из требований к применению этого типа датчиков), в первую очередь является источником сравнительно высокого собственного потребления энергии (2-3 Вт), выделяющейся в виде тепла, ограничен по максимуму проходящего через полезную нагрузку тока и, кроме того, конструктивно сложен, что повышает его стоимость.

Датчики тока - магнитоуправляемые полупроводники требуют введения в устройства специального преобразователя, компенсирующего влияние изменений температуры, и ограничены как по минимуму преобразуемого тока в напряжение, так и по максимуму, что приводит к конструктивному усложнению измерительных устройств и снижает их надежность.

Датчики тока - измерительные шунты и шинные аппликации из-за влияния контактных присоединений и электромагнитных полей в сильноточных цепях (с токами в десятки, сотни ампер и более) имеют высокую погрешность при преобразовании тока потребления в выходное напряжение датчика.

Прототипом изобретения является датчик тока нагрузки, выполненный в виде обкладочного конденсатора, включаемого по примеру активного измерительного шунта последовательно с нагрузкой электрической цепи, при этом обкладки конденсатора одновременно образуют выход датчика тока.

Недостатками этого датчика тока является: недопустимое ограничение тока полезной нагрузки конденсатором в сильноточных цепях, невозможность создать конденсатор очень большой емкости с целью уменьшить емкостное сопротивление, активная составляющая напряжения на нагрузке находится в фазе с током, а составляющая напряжения на конденсаторе, с которого следует списать выходное напряжение как с датчика тока, отстает на 90 градусов от тока нагрузки, из-за чего такой датчик не может, к примеру, быть применен для подключения к токовому входу счетчика электрической энергии и, кроме того, показания такого датчика тока не будут стабильными из-за влияния внешних электромагнитных полей и относительно высокочастотных составляющих тока в действующей электрической цепи.

Сущность изобретения состоит в том, что в датчике тока нагрузки, основанной на применении обкладочного конденсатора, обкладочный конденсатор вынолнен в виде проходного конденсатора, силовой вход которого образуют первый и второй заземленные концы токового проводника, включенного последовательно с нагрузкой, а выход - второй заземленный конец токового проводника и свободная обкладка, причем токовый проводник - первая обкладка конденсатора и свободная вторая его обкладка, свернутая в цилиндр над первой обкладкой, размещены в объеме металлического магнитного экрана, электрически соединенного с токовым проводником.

На чертеже представлены конструктивные признаки датчика тока нагрузки и схема включения его в цепь нагрузки переменного тока с подключением выхода датчика тока в примере к токовому входу измерительного прибора - счетчика электрической энергии. Поскольку конструктивные признаки проходного конденсатора известны специалистам по источникам технической информации и материализованы промышленностью, а суть изобретения состоит в том, каким образом проходной конденсатор как датчик тока включен в электрическую схему, то описание датчика тока нагрузки возможно произвести одновременно с описанием схемы включения датчика тока в цепь нагрузки переменного тока.

Представленная на чертеже схема содержит источник 1 переменного напряжения с клеммами фаза "Ф" и ноль "0" (заземление), последовательно подключенные к клеммам источника 1 напряжения ключ 2 коммутации нагрузки, нагрузка 3 (полезный потребитель энергии) и токовый проводник (на чертеже не обозначен) проходного конденсатора 4, являющегося датчиком тока нагрузки. Силовой вход проходного конденсатора 4 на чертеже образуют первый и второй заземленные концы токового проводника, включенного последовательно с нагрузкой 3. Выход проходного конденсатора 4 - выход датчика тока нагрузки образуют второй заземленный конец, токового проводника - первая обкладка и свободная вторая обкладка конденсатора 4, свернутая в цилиндр над первой обкладкой, причем первая и вторая обкладки конденсатора 4 размещены в объеме металлического магнитного экрана (на чертеже не показан), электрически соединенного с заземленным токовым проводником - первой обкладкой конденсатора. Первая и вторая обкладки проходного конденсатора 4 (выход датчика тока) подключены в примере через вспомогательный помехоустраняющий фильтр-усилитсль 5 к токовому входу счетчика 6 электрической энергии, вход напряжения которого соединен с клеммами источника 1 напряжения.

Работает датчик тока следующим образом. Проходящий через токовый проводник проходного конденсатора 4 силовой переменный ток нагрузки 3 создает вихревое магнитное поле вокруг токового проводника в объеме конденсатора 4 - между первой и второй его обкладками, что приводит к появлению на обкладках конденсатора 4 переменного электрического поля (напряжения), которое при чисто активной нагрузке силовой цепи полностью совпадает по фазе с напряжением источника 1 напряжения и в целом зависит от характера нагрузки и плотности тока. Таким образом, силовой ток потребления оказывается преобразованным по величине датчиком 4 тока в пропорциональное выходное напряжение с учетом фазового угла между силовым током потребления и напряжением источника 1 напряжения, зависящего от характера нагрузки 3. В последующем выходное напряжение датчика 4 тока усиливается фильтром-усилителем 5 и подается на токовый вход измерительного прибора - счетчика 6 электрической энергии, вход напряжения которого соединен с источником 1 напряжения. Счетчик 6 учитывает расход энергии в электрической цепи, пропорциональный силовому току в действующей электрической цепи. При этом магнитный экран датчика 4 тока обеспечивает стабильность преобразования датчиком силового тока потребления в выходное электрическое напряжение путем снижения влияния внешних электромагнитных помех, а закороченный на землю высокоэлектропроводный токовый проводник устраняет влияние высокочастотных составляющих электрического тока.

В другом примере проходной конденсатор - датчик тока нагрузки может быть выполнен в виде токового проводника - стержня заданной длины с большой площадью поперечного сечения и из высокоэлектропроводного материала с малым коэффициентом линейного расширения, например меди, который по определенной технологии тонко покрыт высокоомным изолирующим материалом, например резистом, поверх которого (цилиндрически) нанесен высокоэлектропроводный (металлический) материал, изолированный по наружной поверхности высокоомным резистом. Таким образом, наружная, к примеру, цилиндрическая поверхность токового проводника и цилиндрическая поверхность электропроводного материала образуют первую и вторую обкладки конденсатора, пропускная способность которого по силовому току может составлять, например, сотни ампер электрического тока. При этом токовый проводник - первая обкладка конденсатора и вторая его обкладка разнесены в объеме металлического магнитного экрана, электрически соединенного с токовым проводником (первой обкладкой).

Конденсатор - датчик тока также может быть выполнен в виде двух плоских и изолированных друг от друга пластин - металлических обкладок, пронизанных под прямым углом токовым проводником - стержнем, электрически соединенным лишь с первой обкладкой. Обозначенная конструкция охватывается металлическим магнитным экраном, электрически соединенным с токовым проводником (и первой обкладкой).

Проходной конденсатор также может быть выполнен сферическим (шарового типа).

Использование предлагаемого датчика тока нагрузки в обозначенной в примере области применения проще, дешевле, экономичнее и надежнее по сравнению с практически наиболее применяемыми датчиками тока - транформаторами тока. Датчик тока в сравнении с его прототипом в первую очередь не создает ограничения тока потребления и фазового сдвига при активной нагрузке.

Использование в измерительных приборах в сетях слабого и сильного тока. Датчик тока нагрузки выполнен в виде проходного конденсатора, первый и второй заземленный концы токового проводника которого образуют силовой вход датчика. Выход датчика образуют второй заземленный конец токового проводника и свободная обкладка, свернутая в цилиндр. Проходной конденсатор размещен в объеме металлического экрана, электрически соединенного с токовым проводником, включенным последовательно с нагрузкой. Технический результат заключается в упрощении конструкции и снижении энергопотребления. 1 ил.

Датчик тока нагрузки, основанный на применении конденсатора, отличающийся тем, что конденсатор выполнен в виде проходного конденсатора, силовой вход которого образуют первый и второй концы заземленного токового проводника проходного конденсатора, включенного последовательно с нагрузкой, а выход - заземленный токовый проводник и свободная обкладка проходного конденсатора, которые размещены в объеме металлического магнитного экрана, электрически соединенного с указанным заземленным токовым проводником.