СПОСОБ РАБОТЫ ДАТЧИКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ТОКА Российский патент 2003 года по МПК H03K3/53 G01R19/00 

Изобретение относится к способам работы датчиков тока с гальванической развязкой без дополнительного питания и может использоваться как способ работы датчика для измерения импульсного тока.

Известен оптоэлектронный датчик тока высокопотенциальных цепей, описанный в авт. свид. СССР 1566294 (публ.23.05.90 г.), в котором в качестве измерительного элемента используют шунт, включая его в цепь тока. Параллельно шунту подключают световой излучатель, интенсивность свечения которого изменяется при изменении тока, проходящего через шунт. Сигнал светового излучателя подают через оптический канал на фотоприемник. Недостатком датчика является использование шунта, имеющего большие габариты, уменьшение которых ведет к повышению тепловых потерь, а также большая чувствительность к помехам. Кроме того, в рассматриваемом датчике фотоприемник должен содержать дополнительный стабильный источник питания для формирования сигнала измерения.

Устранение недостатков шунта приводит к конструктивному усложнению датчика. Например, в авт. свид. СССР 641350 (публ.05.01.79 г.) использован коаксиальный шунт с принудительным охлаждением.

Наиболее близким по технической сущности является способ работы датчика тока, описанный в литературе [1], где в качестве измерительного элемента использован трансформатор тока. Первичную обмотку трансформатора включают в импульсную силовую цепь, а со вторичной обмотки снимают сигнал о величине тока в силовой цепи. При этом ампервитки первичного тока равны сумме ампервитков вторичного тока и ампервитков тока намагничивания. В рассматриваемом трансформаторе тока ток намагничивания составляет не более 1-3% первичного тока и им пренебрегают и, как следствие, ампервитки первичного тока равны ампервиткам вторичного тока. Недостаток известного датчика вытекает из свойства трансформатора не пропускать постоянную составляющую напряжения. При асимметричных относительно нуля импульсах тока, т.е. в случае неравенства площадей положительного и отрицательного импульсов, напряжение на выводах вторичной обмотки трансформатора не соответствует реальному значению тока в первичной обмотке. Другим недостатком является токовая погрешность, определяемая отношением тока намагничивания к первичному току.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей датчика тока, в котором в качестве чувствительного элемента используется трансформатор тока, путем обеспечения его работы в режиме замера асимметричных относительно нуля импульсов тока.

Указанная задача решается способом работы датчика импульсного тока с чувствительным элементом в виде трансформатора тока, первичную обмотку которого включают в импульсную силовую цепь, а со вторичной обмотки снимают сигнал о величине тока в первичной обмотке, ампервитки первичного тока равны сумме ампервитков вторичного тока и ампервитков тока намагничивания, при котором к выводам вторичной обмотки подключают высокоомное сопротивление, тогда изменение первичного тока равно изменению намагничивающего тока, который, в свою очередь, пропорционален площади импульса напряжения во вторичной обмотке.

Время импульса напряжения на выводах вторичной обмотки задают, как правило, при условии его ограничения временем минимальной паузы и по амплитуде указанного импульса определяют величину изменения первичного тока.

При работе преобразователя с постоянной частотой выпрямлением и интегрированием напряжения на выводах вторичной обмотки можно получать аналоговый сигнал для измерения амплитудного значения импульса первичного тока.

Способ можно использовать для измерения импульсного тока как однополярного, так и двухполярного симметричного или асимметричного, по площади относительно нуля.

Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию "новизна". В то же время, совокупность отличительных признаков, приводящая к решению поставленной задачи, явным образом не следует из уровня техники, поэтому заявляемое техническое решение соответствует условию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показана схема датчика для измерения импульсного тока, на фиг.2 изображен график, поясняющий работу датчика.

Датчик содержит трансформатор тока, первичная обмотка 1 которого включена в импульсную силовую цепь, по которой протекает импульсный ток i₁. Ко вторичной обмотке 2 параллельно ее выводам подключен высокоомный резистор 3, на котором формируется высоковольтный импульс напряжения U₂. Кроме того, параллельно резистору 3 может быть подключен конденсатор 4.

Процессы в сердечнике трансформатора определяются законом электромагнитной индукции:
∫U₂Δt = ΔBw₂S, (1)
где U₂ - напряжение на выводах вторичной обмотки;
Δt - время протекания импульса напряжения U₂;
ΔВ - приращение индукции;
w₂ - количество витков во вторичной обмотке;
S - сечение сердечника магнитопровода.

Как видно, приращение индукции в сердечнике за время действия импульса пропорционально площади импульса, выражаемой интегралом в левой части равенства.

Используя линейный участок намагничивания, получаем:
ΔB = (Δi_μw₁/l)μμ₀, (2)
где Δi_μ - приращение намагничивающего тока;
w₁ - количество витков первичной обмотки;
l - длина магнитопровода;
μ - относительная магнитная проницаемость;
μ₀ - магнитная постоянная.

Ампервитки в магнитопроводе определяются по формуле:
i₁w₁ = i_μw₁+i₂w₂, (3)
где i₁ - ток в первичной обмотке;
i₂ - ток во вторичной обмотке.

В трансформаторе тока за счет высокого сопротивления во вторичной обмотке индуцируется высокая противоЭДС, пока i_μ не сравняется с i₁, в результате заканчивается изменение магнитного потока, а во вторичной цепи заканчивает протекать высоковольтный импульс.

Подставляя (2) в (1), получаем:
∫U₂Δt = Δiμw₁(μμ₀/l)w₂S, (4)
и учитывая, что изменение тока намагничивания Δi_μ в установившемся режиме равно по величине первичному току i₁
∫U₂Δt = I_1ампw₁(L₂/w₂), (5)
где I_1амп - амплитудное значение i₁;
L₂ - индуктивность вторичной цепи, выражаемая формулой
L₂ = w22

S(μμ₀/1),
тогда при коммутации первичного тока во вторичной цепи возникает импульс напряжения, площадь которого пропорциональна величине тока I_1амп.
Для получения затухающего синусоидального сигнала U₂ параллельно вторичной обмотке 2 подключают конденсатор 4 и резистор 3, причем сопротивление резистора 3 выбирается из условия полного затухания, как правило, за один полупериод по времени, меньший времени минимальной паузы.

Литература
1. Афанасьев В.В. "Трансформаторы тока", Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1989, с.13-17, 36.

Использование: как способ работы датчика для измерения импульсного тока. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей датчика тока путем обеспечения его работы в режиме замера асимметричных относительно нуля импульсов тока. Датчик содержит трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в импульсную силовую цепь, по которой протекает импульсный ток i₁. К выводам вторичной обмотки подключают высокоомное сопротивление, за счет которого во вторичной обмотке индуцируют импульс высокого напряжения противоЭДС до момента, когда ток намагничивания сравняется с первичным током, при этом площадь импульса высокого напряжения пропорциональна изменению тока намагничивания. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ работы датчика для измерения импульсного тока с чувствительным элементом в виде трансформатора тока, первичную обмотку которого включают в импульсную силовую цепь, со вторичной обмотки снимают сигнал о величине тока в первичной обмотке, а к выводам вторичной обмотки подключают сопротивление, при этом ампервитки первичного тока равны сумме ампервитков вторичного тока и ампервитков тока намагничивания, отличающийся тем, что сопротивление выбирают высокоомным, за счет него во вторичной обмотке индуцируют импульс высокого напряжения противоЭДС до момента, когда ток намагничивания сравняется с первичным током, при этом площадь импульса высокого напряжения пропорциональна изменению тока намагничивания. 2. Способ работы датчика для измерения импульсного тока по п.1, отличающийся тем, что задают время импульса напряжения на выводах вторичной обмотки при условии его ограничения временем минимальной паузы и по амплитуде указанного импульса определяют величину изменения первичного тока. 3. Способ работы датчика для измерения импульсного тока по п.1, отличающийся тем, что при работе преобразователя с постоянной частотой выпрямлением и интегрированием напряжения на выводах вторичной обмотки получают аналоговый сигнал для измерения амплитудного значения первичного тока. 4. Способ работы датчика для измерения импульсного тока по п.1, отличающийся тем, что его используют для измерения импульсного тока как однополярного, так и двухполярного симметричного или асимметричного по площади относительно нуля.