ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к способу и устройству для измерения электрических токов с помощью преобразователя тока. В частности, изобретение относится к способу и устройству для измерения электрических дифференциальных токов, которые, наряду с составляющей переменного тока, также содержат составляющую постоянного тока и, следовательно, являются смешанными токами.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Измерение дифференциальных токов и/или токов неисправности является важным требованием в области техники безопасности промышленного оборудования и электрических устройств, в частности, для защиты людей от поражения электрическим током, а также для защиты машин, промышленного оборудования и электрических устройств от сбоев и повреждений в результате нежелательных или вызванных неисправностями протеканий тока. Примером возможного возникновения таких нежелательных протеканий тока являются так называемые замыкания на землю. При замыкании на землю электрический проводник имеет непреднамеренное электропроводное соединение с потенциалом земли, то есть между проводником и потенциалом земли существует низкое электрическое сопротивление. Через это сопротивление протекает электрический ток, ток неисправности или дифференциальный ток. Это представляет помеху и серьезную угрозу при превышении предельных значений во время работы электрического устройства.
Для предотвращения такой угрозы определяется присутствие и величина дифференциальных токов или токов неисправности внутри устройства. В случае тока неисправности проводится различие между гладким постоянным током неисправности и пульсирующим постоянным током неисправности, а также переменным током неисправности. Для регистрации переменного тока неисправности находят применение индуктивные преобразователи тока или суммирующие преобразователи. Индуктивный преобразователь тока или суммирующий преобразователь обычно имеет ферромагнитный сердечник преобразователя, на котором в качестве вторичной обмотки расположена катушка преобразователя, например медный провод с покрытием. Для регистрации, например, дифференциального тока подводящий провод и обратный провод соответствующих цепей тока электрического устройства в пучке и совместно параллельно проводятся через преобразователь тока. Электрический подводящий провод и обратный провод образуют вместе первичную обмотку преобразователя тока, причем первичная обмотка не обязательно должна многократно или однократно обвивать ферромагнитный сердечник преобразователя, но обычно может состоять только из проводников, непосредственно продетых через середину сердечника преобразователя. При этом в случае просто продетых проводников, точнее сказать, речь идет точно об одном витке, который в общем случае замыкается на большом удалении от сердечника преобразователя.
При правильном функционировании электрического устройства, т.е. при достаточно большом электрическом сопротивлении между электрическими проводами и потенциалом земли, суммы токов в продетых через преобразователь тока электрическом подводящем проводе и обратном проводе взаимно уничтожаются, и поэтому преобразователь тока не выдает никакого сигнала. Однако при наличии нежелательного протекания тока внутри электрического устройства измеряется конечный дифференциальный ток.
Индуктивные преобразователи тока как трансформаторы чувствительны только к электрическим переменным токам, причем без дополнительных мер, постоянный ток не обеспечивает подходящий сигнал. Поскольку, однако, в основном, на практике, измерение постоянной составляющей дифференциального тока представляет интерес, например, в связи с повышенной опасностью постоянного тока для людей, были предложены различные устройства с преобразователями тока, которые способны измерять, наряду с переменной составляющей, также постоянную составляющую тока дифференциальных токов.
Из DE 102005028881 B4 известен анализатор тока неисправности для обнаружения токов неисправности и устройство с индуктивными преобразователями суммарного тока для обнаружения переменного тока неисправности и пульсирующего постоянного тока, в котором посредством фильтрации и разделения обнаруженного сигнала дифференциального тока на низкочастотные и высокочастотные частичные сигналы и их анализа можно обнаружить токи неисправности, которые обычно не могут быть обнаружены подобными индуктивными преобразователями суммарного тока. Кроме того, предложена калибровка анализатора тока неисправности посредством ввода целенаправленно регулируемого известного тока неисправности через дополнительную обмотку на преобразователе суммарного тока. Однако при этом не измеряется гладкий постоянный ток.
Из DE 10237342 А1 известен способ и устройство для контроля тока неисправности в сетях переменного тока, при котором с помощью датчиков тока обнаруживаются токи, которые преобразуются в цифровую форму, и затем вычисляется суммарный ток. В зависимости от фазового положения относительно напряжения осуществляется разделение суммарного тока на активную и реактивную составляющие тока, так что возможно частотно-зависимое взвешивание суммарных токов, которые соответствуют переменному току неисправности. Постоянные токи неисправности могут быть обнаружены только при использовании датчиков тока, способных работать при постоянном токе. Для обнаружения относительно малого дифференциального тока, например, 10 А+(-9,99 А)=10 мА, чтобы сделать в принципе возможной практическую реализацию, требуются очень точные и дорогостоящие датчики тока.
Кроме того, для измерения смешанных токов и особенно гладких постоянных токов неисправности с помощью индуктивных преобразователей тока известны способы, которые используют нелинейность между плотностью В магнитного потока и напряженностью поля H в соответствии с кривой гистерезиса или намагничивания B(H) ферромагнитного сердечника преобразователя. Более конкретно, используется тот факт, что сердечник преобразователя при увеличении потока через первичный проводник, то есть увеличении магнитодвижущей силы, достигает насыщения, результатом чего является более плоский характер нарастания кривой намагничивания B(H) для высоких первичных токов и, таким образом, зависимость проницаемости протекающего через первичный проводник тока. При этом путем измерений мгновенное значение существующего дифференциального тока определяет, какая точка берется на кривой намагничивания сердечника преобразователя, причем подъем dB/dH для точки, взятой на кривой намагничивания, определяет дифференциальную индуктивность катушки во вторичной цепи тока преобразователя тока, которая затем измеряется подходящими схемами.
В DE 19943802 или EP 1212821 используется принцип управляемой индуктивности. При этом изменения в индуктивности катушки распознаются на основе расстройки резонансного контура. В DE 19943802 используется принцип схемы трансдуктора (магнитного регулятора), причем дифференциальный ток действует как управляющий ток трансдуктора. При возникновении постоянного тока неисправности намагниченность железного сердечника смещается, за счет чего изменяется индуктивность катушки. При этом изменения в индуктивности катушки распознаются на основании расстройки резонансного контура. Другие примеры применения принципа управляемой индуктивности описаны в DE 3642393 А1 и DE 3543985 A1.
Кроме того, известно применение катушки в качестве определяющего частоту компонента цепи обратной связи в мультивибраторе. Он прикладывает к катушке прямоугольное переменное напряжение таким образом, что ферромагнитный сердечник преобразователя всегда колеблется между двумя магнитными потоками насыщения туда и обратно. При этом через катушку протекает ток намагничивания. При соответствующей форме кривой намагничивания материала сердечника преобразователя в таком устройстве может быть достигнуто то, что область магнитного потока, проходящая через сердечник преобразователя, почти не зависит от мгновенного значения дифференциального тока. Отсюда следует, что каждая магнитодвижущая сила, генерируемая дифференциальным током через сердечник преобразователя, компенсируется противодействующей магнитодвижущей силой, создаваемой катушкой. На ток намагничивания мультивибратора накладывается, таким образом, на противодействующий ток, пропорциональный дифференциальному току, который затем измеряется подходящими схемами.
В DE 19826410 A1 представлена принципиальная схема датчика дифференциального тока, чувствительного к постоянному и переменному току, при этом мультивибратор реализован с двумя катушками.
В EP 1267467 A2 описан модулирующий колебательный контур, который представляет собой мультивибратор с катушкой. Здесь за счет сопротивления в цепи тока намагничивания достигается то, что противодействующий ток оказывает влияние на отношение ширины импульса генерируемого прямоугольного переменного напряжения. При этом в EP 1267467 A2 раскрыто, что в описанных способах за счет высокочастотных составляющих дифференциального тока может произойти нарушение теоремы отсчетов Шеннона. Согласно этому решению предлагается компенсировать магнитодвижущую силу, генерируемую высокочастотными составляющими дифференциального тока в сердечнике преобразователя, например мультивибратора, противоположно направленной магнитодвижущей силой. При этом противоположно направленная магнитодвижущая сила генерируется дополнительно используемой катушкой, которая соединена с другим, индуктивно работающим преобразователем тока через фильтр верхних частот. Посредством этой меры можно избежать эффектов наложения спектров в мультивибраторе между высокочастотными составляющими дифференциального тока и частотой мультивибратора.
Из DE 3534985 A1 и DE 3543948 В1 известен защитный переключатель тока неисправности для обнаружения постоянного и переменного тока, состоящий из двух преобразователей суммарного тока. При этом один преобразователь суммарного тока преобразует импульсные и переменные токи, а второй преобразователь суммарного тока обнаруживает постоянный ток.
Из DE 29705030 известен защитный переключатель тока неисправности для обнаружения постоянного и переменного тока с преобразователем суммарного тока. При этом преобразователь суммарного тока выполнен с двумя отдельными схемами оценки для импульсного или переменного тока и постоянного тока, причем они приводятся в действие посредством датчиков тактовых импульсов или фильтров. Преобразователь тока для этого приводится в действие либо попеременно через временные такты со схемами оценки, либо соединяется одновременно через фильтры с обеими схемами оценки.
Недостатком известных решений с индуктивными преобразователями тока является то, что обнаружение постоянного тока неисправности осуществляется косвенным образом, через оценку составляющей переменного тока, при этом определяются изменения индуктивности. Это приводит к усложнению оценки и схемных соединений. Кроме того, должны удовлетворяться повышенные требования в отношении обмотки катушки и материала сердечника. Кроме того, затраты на монтаж для описанных преобразователей тока для обнаружения смешанных токов часто выше, чем для обнаружения переменных токов. В некоторых формах выполнения часть измерительной электроники размещается в корпусе преобразователя, что требует электропитания. Другие формы выполнения работают с двумя катушками на сердечнике преобразователя и требует четырехпроводного вывода.
В целом, все это ограничивает возможность переоснащения уже существующих или уже встроенных в электрическое оборудование преобразователей тока, предназначенных для обнаружения переменного тока, на обнаружение смешанного потока.
Кроме того, измерение смешанных токов в диапазоне ампер может быть реализовано, в качестве альтернативы, также с помощью элементов Холла, причем в таких преобразователях тока Холла элемент Холла расположен в воздушном зазоре ферромагнитного железного сердечника. Поток в первичном проводнике, охватываемом сердечником, приводит к магнитному потоку через элемент Холла и оцениваемым напряжениям Холла. Часто преобразователи тока Холла работают в соответствии с принципом компенсации. Для этого на сердечник преобразователя устанавливается катушка. Она управляется связанной с элементом Холла схемой регулирования таким образом, что магнитный поток через элемент Холла всегда равен нулю. Любая генерируемая охватываемым первичным проводником магнитодвижущая сила компенсируется противодействующей магнитодвижущей силой. Необходимый для этого противодействующий ток через катушку пропорционален току первичного проводника и является выходным сигналом такого преобразователя.
Для измерения дифференциальных токов, которые могут быть в диапазоне 10 мА, преобразователи тока Холла, однако, не подходят.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В основе изобретения лежит задача создать подходящий для смешанных токов способ измерения и соответствующее измерительное устройство, которое работает с теми же преобразователями тока, которые обычно используются для измерения переменных токов неисправности.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с изобретением предоставлены способ и соответствующее ему устройство для измерения токов в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.
Лежащая в основе изобретения, предпочтительным образом реализованная идея может усматриваться в том, чтобы принцип компенсации, применяемый в преобразователях тока Холла, перенести на индуктивные преобразователи тока. Поэтому автоматически магнитный поток, то есть магнитный поток, который связан с катушкой в сердечнике преобразователя, независимо от возникающего дифференциального тока, поддерживается постоянным и измеряется эквивалентный этому противодействующий ток через катушку. Это позволяет определять составляющую постоянного и переменного тока дифференциального тока на основе вторичного постоянного тока.
В способе согласно изобретению во вторичной цепи тока преобразователя тока омическое сопротивление катушки компенсируется с помощью управляемого активного двухполюсника, образующего отрицательное омическое сопротивление, так что составляющая постоянного тока вторичного тока, индуцированного первичным током во вторичной обмотке, поддерживается. Кроме того, для создания определенного магнитного потока в сердечнике трансформатора через катушку вводится преопределенная последовательность импульсов, причем сердечник преобразователя намагничивается до потока насыщения путем приложения первого импульса напряжения или тока в катушке преобразователя. Затем, посредством приложения следующего импульса напряжения обратной полярности и с определенной площадью напряжение-время магнитный поток снова уменьшается.
Также создано устройство для измерения электрических токов, которое выполнено с возможностью связывания с вторичными выводами катушки преобразователя тока и, в соединении с преобразователем тока, выполнено с возможностью осуществления способа, соответствующего изобретению.
Кроме того, предоставлена система для измерения электрических токов, имеющая преобразователь тока и устройство в соответствии с изобретением.
Образно говоря, согласно принципу изобретения посредством электронной схемы образуется активный двухполюсник, который в отношении напряжения и тока демонстрирует поведение отрицательного омического сопротивления, причем этот двухполюсник соединен с катушкой и рассчитан таким образом и управляется с помощью измеренного сигнала так, что величина его отрицательного сопротивления соответствует омическому сопротивлению Rcu катушки. Тем самым омическое полное сопротивление Rg цепи вторичного тока из последовательного соединения катушки и двухполюсника становится равным нулю. Посредством этой компенсации сопротивления катушка действует на сердечнике почти как идеальный проводник и противодействует любому временному изменению сцепленного с ней магнитного потока.
Эффект изобретения может быть обсужден на основе формулы, которая представляет временной ход постоянного тока в цепи тока из индуктивности и омического сопротивления. Для цепи вторичного тока формула имеет следующий вид:
При этом Is0 обозначает начальное значение вторичного постоянного тока, Ls – индуктивность катушки, Rcu - омическое сопротивление вторичной катушки, Rz - отрицательное сопротивление двухполюсника и T - постоянная времени цепи тока. За счет соответствующей изобретению компенсации сопротивления омическое полное сопротивление Rg вторичной цепи тока приближается к нулю и, следовательно, постоянная времени Т - к бесконечности, так что экспоненциальная функция при конечном большом времени Т сохраняет значение 1. Так как индуктивность является частью трансформатора и поэтому существует индуктивная связь с первичными проводниками, охватываемыми сердечником преобразователя, начальное значение вторичного постоянного тока Is0 представляет собой преобразованный дифференциальный ток. Если, таким образом, сначала Is=0, а затем начинает протекать дифференциальный постоянный ток, то возникает вторичный постоянный ток, который не уменьшается из-за бесконечной постоянной времени.
Посредством описанной соответствующей изобретению компенсации сопротивления предпочтительным образом может быть надежно гарантировано, что из измеренного тока вторичной обмотки преобразователя тока может быть определена корректная величина фактического, соответствующего смешанному току первичных проводников, вторичного постоянного тока или противодействующего тока.
Это, в частности, достигается посредством соответствующей изобретению последовательности импульсов напряжения, которая вводится через катушку во время периодических пауз измерения. Посредством последовательности импульсов создается определенный магнитный поток в сердечнике преобразователя, при этом сначала к катушке прикладывается постоянное напряжение в форме импульса напряжения до тех пор, пока сердечник преобразователя не достигнет надежным образом своего магнитного потока насыщения или потока насыщения, посредством чего затем в распоряжение представляется опорная точка, так как в насыщении кривая намагничивания материала сердечника проходит очень плоско (низкое dB/dH), и поток насыщения, таким образом, практически не зависит от дифференциального и вторичного тока. В соответствии с изобретением затем, исходя из этой опорной точки, включая незначительную временную задержку, с приложением импульса напряжения обратной полярности и определенной площади напряжение-время создается определенный магнитный поток, в результате чего обеспечивается остаточный магнитный поток. Поэтому соответствующий изобретению способ становится независимым от начального момента времени и, тем самым, применимым на практике, так как компенсация сопротивления должна активироваться в некоторый момент времени, в который дифференциальный ток уже может протекать, например, в момент времени запуска устройства, соответствующего изобретению. Начиная с этого момента времени, при одном только применении компенсации сопротивления магнитный поток в сердечнике преобразователя хотя и оставался бы постоянным, но был бы неизвестным. Точнее говоря, вторичный ток в дальнейшем его ходе изменения не обязательно точно соответствовал бы интересующему противодействующему току, который генерирует противодействующую магнитодвижущую силу по отношению к дифференциальному току. Напротив, вторичный ток является суммой из противодействующего тока и постоянного тока намагничивания, который поддерживает существующий магнитный поток по отношению к магнитному сопротивлению сердечника. В соответствии с изобретением этот постоянный ток намагничивания ассоциирован с остаточным магнитным потоком, то есть определенно созданным магнитным потоком, и обозначается далее как остаточный ток.
При этом изобретение пригодно для измерения смешанных токов с высокой силой тока, а также в диапазоне, например, менее 10 мА. Специалисту в данной области техники будет понятно, что изобретение предпочтительно применимо к большому количеству различных преобразователей. В частности, изобретение применимо к стандартным преобразователям для измерения дифференциального тока, которые обычно имеют сердечник из обладающего высокой проницаемостью магнитомягкого материала и вторичную катушку с числом витков от 500 до 1000 с двухпроводным выводом. Они предлагаются многими производителями в различных формах, так что в распоряжение предоставлен большой ассортимент. В электрооборудовании часто уже имеются устройства для контроля переменных токов неисправности, которые могли бы быть расширены при сохранении стандартных преобразователей при небольших затратах для контроля и регистрации смешанных токов. Таким образом, изобретение приводит к снижению затрат и в конечном итоге обеспечивает возможность широкого использования контроля сетей с технически обусловленной возрастающей долей смешанных токов.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения будут очевидны из описания и прилагаемых зависимых пунктов формулы изобретения.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения площадь напряжение-время следующего импульса напряжения выбирается так, чтобы и после этого импульса напряжения определенный третий импульс напряжения прикладывался с полярностью, противоположной упомянутому следующему импульсу напряжения, так что в преобразователе достигается рабочая точка, при которой при токе намагничивания, малом по отношению к току насыщения, дифференциальная индуктивность преобразователя максимально велика.
Таким образом, реализуется последовательность размагничивания, с помощью которой на основе трех специальных импульсов напряжения достигается оптимальная установка остаточного тока и остаточного магнитного потока. В результате, чувствительность измерений может быть увеличена.
Согласно варианту осуществления изобретения ток намагничивания, который соответствует созданному определенному магнитному потоку в катушке, определяется таким образом, что последовательность импульсов прикладывается с заданной частотой попеременно, с соответственно обратным знаком, для обеих полярностей насыщения. Затем определяется амплитуда возникающего прямоугольного переменного тока намагничивания.
Таким образом, способ многократно применяется выгодным образом, и точность измерения может быть увеличена. Этому также благоприятствует то, что на основе применяемой частоты получаются определенные длины интервалов. Кроме того, получаются данные с использованием как положительной, так и отрицательной полярности, что дополнительно повышает общую достижимую точность.
Периодические циклы измерения предпочтительно выполнены с временем цикла, которое имеет в каждом периоде временной интервал с временем размагничивания и временной интервал с временем измерения.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения определяется измеренный сигнал, который берется по выбору из характеристики электрического тока, протекающего во вторичной цепи преобразователя, или из падения напряжения во вторичной цепи преобразователя.
Тем самым может предпочтительно предоставляться дальнейшая сигнальная информация, которая, например, анализируется на ее временной ход, что улучшает результат измерения.
Измеренный сигнал может, например, определяться или генерироваться посредством фильтра.
Согласно развитию этой предпочтительной формы выполнения определяется амплитуда возникающего прямоугольного переменного тока намагничивания, и генерируется сигнал коррекции, который соответствует ходу и амплитуде прямоугольного переменного тока намагничивания, и измеренный сигнал может соответственно корректироваться путем вычитания определенного сигнала коррекции.
Тем самым благоприятным образом может достигаться то, что способ выполняется в значительной степени независимо от разброса параметров компонентов, температурной зависимости сердечников преобразователя и т.д. Так как именно во время измерения тока остаточный ток определяется в явном виде, систематическая ошибка уменьшается. В результате этой компенсации остаточного тока в наличии остается чистый противодействующий ток, который затем может использоваться для формирования эффективного значения или может подаваться на другую обработку.
В этом дальнейшем развитии будет использоваться тот факт, что если соответствующая изобретению последовательность размагничивания реализуется поочередно и циклически с положительным и отрицательным насыщением, на основе симметрии кривой намагничивания после обеих последовательностей размагничивания остается тот же остаточный ток, но с противоположным знаком. Точнее говоря, во временной характеристике вторичного тока проявляется прямоугольный переменный ток намагничивания с циклической частотой fz, который накладывается на противодействующий ток, генерируемый дифференциальным током. Его амплитуда может быть определена, например, простым образом с помощью корреляции вторичного тока с имеющим частоту цикла и синхронным с циклом синусоидальным сигналом.
В соответствии с формой выполнения изобретения измеренный сигнал для дальнейшей обработки очищается так, что временные интервалы в измеренном сигнале, которые соответствуют временному интервалу предопределенной последовательности импульсов, снабжаются предопределенным постоянным значением, в частности нулевым значением.
В этой предпочтительной форме выполнения повышается достижимая точность, так как эффекты, которые обусловлены предписанным ходом импульсов, но не способствуют измерению интересующего противодействующего тока или скорее создают помехи, в значительной степени удаляются.
Очищенный измеренный сигнал может умножаться на оконную функцию, в частности на имеющий частоту цикла и синхронный с циклом синусоидальный сигнал.
Таким образом, можно предпочтительным образом уменьшать или избегать в измеренном сигнале крутых фронтов, и амплитуда высших гармоник более высокого порядка может быть сведена к малому значению, что при оценке измерения смешанного тока обычно приводит к сильному упрощению.
Согласно другому предпочтительному дальнейшему развитию величина генерируемого отрицательного омического сопротивления регулируется на основе определенной неполной компенсации или перекомпенсации активного сопротивления вторичной обмотки.
Таким образом, даже небольшие временные изменения в магнитном потоке, которые могут вызвать, однако, во времени значительное отклонение от тока намагничивания, присутствующего при активации компенсации сопротивления, распознаются и учитываются при вычислении интересующего дифференциального постоянного тока. Надежность способа, следовательно, также увеличивается, потому что даже при неточно работающей на практике компенсацией сопротивления все равно достижим постоянный ток намагничивания.
Предпочтительно определяется неполная компенсация или перекомпенсация омического сопротивления вторичной обмотки, при этом из измеренного сигнала определяется амплитуда гармоники, которая возникает при отклонении прямоугольного переменного тока намагничивания от прямоугольной формы.
Таким образом, это особенно благоприятствует обработке и вычислению результата измерения с помощью процессора.
Подлежащий измерению ток может теперь предпочтительным образом определяться из измеренного сигнала и определенной неполной компенсации или перекомпенсации.
Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения изобретения определяется и затем компенсируется возникающее во вторичном контуре, в частности из-за применяемых электронных компонентов, напряжение смещения.
Это позволяет компенсировать температурную зависимость и разброс параметров электронных компонентов соответствующего изобретению устройства и допускает и благоприятствует точной обработке.
Таким образом, образуется цепь вторичного тока из катушки и различных электронных схем, причем от этих схем требуется, чтобы они могли точно обрабатывать сигналы постоянного тока. Если вторичный ток протекает через двухполюсник, то требуется, что он создавал пропорциональное вторичному току падение напряжения, что, в частности, означает, что падение напряжения равно нулю, когда вторичный ток равен нулю. Однако точная обработка постоянного сигнала без соответствующей компенсации часто приводит к трудностям на практике, например, из-за допусков или разброса параметров компонентов и температурных зависимостей активных электронных компонентов. В случае операционных усилителей, с помощью которых предпочтительно могут быть реализованы схемы вторичного тока, эта проблема проявляется в форме напряжения смещения. Это напряжение изменяется от экземпляра к экземпляру и зависит от температуры. Напряжение смещения для операционных усилителей двухполюсника приводит к тому, что на пропорциональное току падение напряжения на двухполюснике накладывается малое нежелательное постоянное напряжение. Источник напряжения и обнаружение тока по той же причине приводят к нежелательным напряжениям постоянного тока в цепи вторичного тока. Это теперь будет предпочтительным образом компенсироваться в соответствии с изобретением.
Предпочтительным образом, значение напряжения смещения определяется посредством корреляции, при этом из измеренного сигнала определяется амплитуда гармоники, которая не встречается ни в сигнале прямоугольной формы, ни в сигнале двойной пилообразной формы.
Тем самым напряжение смещения может определяться благоприятным образом, например, с помощью процессора.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, магнитная катушка для обеспечения заранее заданной последовательности импульсов через сердечник преобразователя является вторичной катушкой преобразователя.
Тем самым благоприятным образом может быть реализовано измерение смешанного тока с помощью только одной катушки наряду с проводником первичного тока. При этом вторичная катушка используется как для генерации последовательности импульсов, так и для компенсации сопротивления.
Кроме того, изобретение относится к преобразователю с дополнительными катушками. В еще одном варианте осуществления используется множество преобразователей тока, каждый с одной или несколькими обмотками, за счет чего предпочтительно дополнительно может быть повышена избыточность и надежность. В соответствии с изобретением может, например, использоваться другая обмотка и выводиться заданная последовательность импульсов, в то время как вторичная обмотка используется для измерений.
В одном варианте осуществления изобретения устройство содержит по меньшей мере один управляемый источник питания и по меньшей мере одно средство обнаружения тока, которые соединены со средством управления.
Кроме того, устройство предпочтительно имеет регулятор для компенсации сопротивления для регулировки отрицательного значения сопротивления двухполюсника в зависимости от температуры.
В особенно предпочтительном варианте осуществления средство управления реализовано микроконтроллером.
При этом изобретение может быть реализовано экономичным образом и, кроме того, выполнено малогабаритным и компактным, поскольку обработка выполняется исключительно программным обеспечением или программно-аппаратными средствами при отказе от более крупных электронных модулей.
Изобретение также относится к способу измерения электрических токов с помощью преобразователя тока, включающему в себя следующие этапы: расширение схемы вторичной цепи преобразователя тока электрическим устройством, так что образующий отрицательное омическое сопротивление активный двухполюсник и средство обнаружения тока во вторичной цепи преобразователя тока соединены последовательно, и источник напряжения в цепи тока магнитной катушки преобразователя соединен последовательно, и блок управления соединен со средством обнаружения тока и источником напряжения; считывание средства обнаружения тока и управление источником питания посредством блока управления для выполнения способа в соответствии с изобретением; и выдача выходного сигнала блоком управления, который содержит составляющую постоянного тока и составляющую переменного тока электрического первичного тока преобразователя.
Изобретение может быть использовано во всех технических областях применения, в которых измеряются смешанные токи. Оно особенно предпочтительным образом пригодно для измерения дифференциальных токов или токов неисправности в электрическом устройстве, которые, наряду с переменной составляющей, также содержат постоянную составляющую. Однако это не предназначено для ограничения области применения изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение подробно описывается со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее:
фиг. 1 - принципиальная схема преобразователя тока в сочетании с компенсацией сопротивления согласно изобретению,
фиг. 2 - идеализированная кривая намагничивания,
фиг. 3 - диаграмма ток-время характеристики вторичного тока на цикле измерения в соответствии с формой выполнения изобретения,
фиг. 4 - диаграмма напряжение-время характеристики напряжения катушки в цикле измерения в соответствии с формой выполнения, показанной на фиг. 3,
фиг. 5 - кривая намагничивания с остаточной намагниченностью, с последовательностью импульсов в соответствии с другой формой выполнения изобретения,
фиг. 6 - временная характеристика прямоугольного выходного сигнала в соответствии с формой выполнения изобретения,
Фиг. 7 - временная характеристика оконной функции с частотой цикла и синхронной с циклом согласно форме выполнения, показанной на фиг. 6,
фиг. 8 - синусоидальный сигнал с пропусками согласно форме выполнения, показанной на фиг.6 и фиг. 7,
фиг. 9 - диаграмма ток-время вторичного тока при точной компенсации сопротивления и смещения, причем противодействующий ток принят равным нулю, согласно форме выполнения изобретения,
фиг. 10 - диаграмма ток-время вторичного тока при неполной компенсации сопротивления катушки согласно форме выполнения изобретения,
фиг. 11 - диаграмма ток-время сигнала двойной пилообразной формы при неполной компенсации сопротивления катушки согласно форме выполнения, показанной на фиг. 10,
фиг. 12 - диаграмма ток-время сигнала пилообразной формы при неполной компенсации напряжения смещения согласно форме выполнения изобретения,
фиг. 13 - блок-схема устройства в соответствии с изобретением для выполнения способа согласно форме выполнения,
фиг. 14 - предпочтительная форма выполнения устройства, соответствующего изобретению, и
фиг. 15 - более детальный вид соответствующего изобретению средства компенсации сопротивления с активным двухполюсником согласно форме выполнения изобретения.
На фиг. 1 показана принципиальная схема преобразователя тока с соответствующей изобретению компенсацией сопротивления согласно форме выполнения изобретения. Катушка 3 имеет индуктивность Ls катушки и сопротивление Rcu катушки. Преобразователь тока контролирует первичный проводник 2 на наличие дифференциального тока. В цепи 4 вторичного тока протекает вторичный ток Is. Падение напряжения Us катушки состоит из напряжения Ui индукции и падения напряжения Ucu на омическом сопротивлении катушки. Для измерения дифференциального тока с помощью преобразователя тока в цепи 4 вторичного тока омическое сопротивление Rcu катушки 3 компенсируется с помощью активного двухполюсника, образующего отрицательное омическое сопротивление Rz. Таким способом составляющая постоянного тока вторичного тока Is, индуцированного первичным током 2, поддерживается в катушке 3.
По правилу контуров для суммы всех частичных напряжений на фиг. 1:
0=Ui+Ucu+Us (1)
0=Ui+Rcu⋅Is+Rz⋅Is
При этом напряжением Ui индукции является напряжение, индуцированное в катушке, Us - напряжен катушки, и Is - вторичный ток. На основе компенсации сопротивления Rz=-Rcu. Отсюда следует:
0=Ui (2)
Индуцированное напряжение, таким образом, не зависит от вторичного тока, равного нулю. Из закона индукции тогда следует для изменения во времени магнитного потока Ф, связанного с катушкой:
Пронизывающий катушку магнитный поток, таким образом, не зависит от вторичного тока Is и, следовательно, независимо от дифференциального тока поддерживается постоянным. Если, в свою очередь, магнитный поток является постоянным, сумма магнитодвижущих сил, сгенерированных в сердечнике, должна быть постоянной. Отсюда следует, что любому изменению дифференциального тока противостоит пропорциональное изменение вторичного тока. В частном случае, когда магнитный поток равен нулю, получаются подобные соотношения, как в компенсационном преобразователе тока Холла. Каждый дифференциальный ток и, в частности, постоянный ток имеет следствием пропорциональный противодействующий ток через катушку.
На фиг. 2 показана идеализированная кривая намагничивания без гистерезиса с идеальным насыщением. Здесь материал сердечника свободен от остаточной намагниченности и имеет постоянную проницаемость между обеими плотностями потока насыщения. При достижении насыщения проницаемость скачком становится равной нулю. Эта кривая намагниченности положена в основу временных характеристик, представленных ниже.
Прикладывается последовательность размагничивания, так что устанавливается определенный магнитный поток в сердечнике преобразователя. С этой целью в течение каждой последовательности размагничивания задается предопределенная последовательность импульсов через сердечник преобразователя. В этой последовательности импульсов сердечник преобразователя намагничивается, путем приложения импульса напряжения или тока к катушке преобразователя, до потока насыщения. Затем магнитный поток посредством приложения второго импульса напряжения обратной полярности и с определенной площадью напряжение-время вновь уменьшается.
Простой пример для соответствующего изобретению времени цикла с симметрично периодическими последовательностями размагничивания с временем te размагничивания и последовательностями измерения с временем tm измерения описан ниже со ссылкой на фиг. 3 и фиг. 4. В настоящем подробном описании для простоты представления сначала исходят из идеализированной кривой намагничивания В(Н), как показано на фиг. 2. Здесь материал сердечника свободен от остаточной намагниченности и имеет постоянную проницаемость между обеими плотностями Bs потока насыщения. При достижении насыщения Bs проницаемость скачком становится равной нулю.
На фиг. 3 показана характеристика вторичного тока Is на полном цикле измерений времени tz цикла, состоящего из последовательностей размагничивания времени te размагничивания и лежащих между ними интервалов измерения времени tm измерения. Фиг. 4 показывает характеристику напряжения Us катушки для цикла измерения. Дифференциальный ток и, следовательно, противодействующий ток принимаются равными нулю, так что вторичный ток и ток намагничивания равны. Для простоты представления в основу положена идеализированная кривая намагничивания по фиг. 2.
Положительная последовательность размагничивания, при которой сердечник насыщается положительным током вторичной обмотки, начинается с приложения первого импульса 44 напряжения с отрицательным напряжением -Ue размагничивания к катушке. Исходя из отрицательного остаточного тока -Ir вторичный ток возрастает линейно. Если достигается поток насыщения в сердечнике преобразователя, то индуктивность катушки становится равной нулю. Вторичный ток скачкообразно возрастает до максимального значения +Ib, которое задается электронным ограничением тока. Напряжение катушки падает из-за отсутствия самоиндукции от -Ue до нуля. В течение следующего импульса напряжения с положительным напряжением +Ue размагничивания и определенной площадью 1 напряжение-время вторичный ток линейно уменьшается до положительного остаточного тока +Ir. Компенсация сопротивления поддерживается в следующем интервале измерения с временем tz измерения вторичного тока на значении +Ir постоянной. Затем следует отрицательная последовательность размагничивания, которая с приложением первого импульса 44 напряжения с положительным напряжением +Ue размагничивания начинается с +Ir и заканчивается на -Ir.
Последовательность размагничивания может однократно настраиваться на применяемый тип преобразователя тока. При заданном напряжении Ue размагничивания для этого нужно установить длительность первого и второго импульса напряжения. Следующие ориентировочные значения являются приемлемыми в качестве практического правила для времен импульса:
Здесь t1 является длительностью первого импульса напряжения, t2 является длительностью второго импульса напряжения, и Фs - потоком насыщения преобразователя тока. Поток насыщения зависит от материала сердечника, числа витков и сечения сердечника (сечения железа) и может быть определен электронным способом.
В приведенном выше описании последовательности размагничивания для простоты иллюстрации исходили из идеализированной кривой намагничивания сердечника по фиг. 2. На практике магнитомягкие материалы сердечника, используемые для преобразователей дифференциального тока, имеют определенную коэрцитивную силу. Этот факт оказывает влияние на характеристику тока намагничивания в течение последовательности размагничивания. Если магнитный поток проходит в сердечнике преобразователя через значение, равное нулю, то ток намагничивания не равен нулю, как показано на фиг. 2, а соответствует коэрцитивному току. Кроме того, в остаточном токе, который остается в конце последовательности размагничивания, содержится доля коэрцитивного тока. Остаточный ток также зависит, наряду с площадью напряжение-время последовательности размагничивания, от коэрцитивного тока соответствующего преобразователя тока. Наряду с материалом сердечника, также длина (путь железа) сердечника преобразователя оказывает влияние на коэрцитивный ток. Из-за зависимости от длины, например, преобразователи тока с большим диаметром имеют часто большие коэрцитивные токи, чем малый преобразователь тока. Если типичный для преобразователя коэрцитивный ток значительно (с коэффициентом 2) выше желательного остаточного тока, то можно желательный остаточный ток устанавливать только по площади напряжение-время последовательности размагничивания, при этом остаточный магнитный поток выбирается близким к потоку насыщения. Поскольку подъем dB/dH кривой намагничивания уже снижен в этой области, в интервале измерений после последовательности размагничивания имеется очень незначительная дифференциальная индуктивность катушки. Это в свою очередь приводит к более быстрому падению вторичного постоянного тока при неточной компенсации сопротивления. В формулу Is(t) входит дифференциальная индуктивность как Ls. Меньшая индуктивность Ls катушки приводит к меньшей постоянной времени T при омическом полном сопротивлении цепи вторичного тока Rg, не равном нулю. Таким образом, желательно, чтобы остаточный магнитный поток при желательном остаточном токе был заметно меньше потока насыщения, то есть находился в области крутого подъема кривой намагничивания.
Поэтому в одной форме выполнения изобретения последовательность размагничивания расширяется на третий импульс напряжения, который прикладывается с противоположной полярностью напряжения относительно второго импульса напряжения к катушке. На фиг.5 представлена полная кривая намагничивания преобразователя тока. Здесь Φ является связанным с катушкой магнитным потоком Ls и Is - вторичным током. После первого импульса напряжения последовательности размагничивания сердечник насыщен потоком насыщения +Фs. В течение второго импульса напряжения магнитный поток Ф сердечника преобразователя следует характеристике выделенного хода кривой. При магнитном потоке непосредственно ниже +Фs вторичный ток уже достиг значения остаточного тока -Ir. Если бы импульс напряжения закончился здесь, хотя желательный остаточный ток был бы установлен, однако сердечник оставался бы в области с меньшим подъемом dФ/dIs кривой, и дифференциальная индуктивность была бы незначительной. Если импульс напряжения продолжается до достижения Ф=0, то хотя сердечник преобразователя остается в области с большим подъемом кривой, вторичный ток имеет высокое значение коэрцитивного тока -Ic. Посредством третьего импульса напряжения, который является коротким по отношению к первому и второму импульсу напряжения, высокий вторичный ток снижается, причем магнитный поток в сердечнике преобразователя лишь незначительно повышается. Характеристика кривой отклоняется от полной кривой намагничивания и заканчивается при остаточном токе +Ir. Последовательность размагничивания с тремя импульсами напряжения, таким образом, обеспечивает возможность оптимального установления остаточного тока и остаточного магнитного потока.
В другой форме выполнения во время последовательности размагничивания, то есть в течение времени te размагничивания, не определяется никакой противодействующий ток и, тем самым, также никакой дифференциальный ток, так что временная характеристика получаемого из вторичного тока измеренного сигнала по сравнению с фактической характеристикой дифференциального тока имеет циклические пропуски. Для дальнейшей обработки эти пропуски заполняются мгновенным значением, равным нулю. Математически это соответствует умножению характеристики дифференциального тока на прямоугольный сигнал с вырезкой, как показано на фиг. 6.
Кроме того, этот измеренный сигнал с пропусками перед дальнейшей обработкой умножается на имеющий частоту цикла и синхронный с циклом синусоидальный сигнал согласно фиг. 7. Произведением вышеописанного сигнала с вырезкой и синусоидальной оконной функции является синусоидальный сигнал с пропусками при переходах через нуль согласно фиг. 8.
Фиг. 9 показывает прямоугольный переменный ток намагничивания, который создается посредством циклических последовательностей размагничивания с переменной полярностью потока насыщения. Противодействующий ток для представления принимается равным нулю, так что вторичный ток и ток намагничивания равны. Характеристика вторичного тока Is в течение последовательностей размагничивания не представлена. Возникающие пропуски заполнены значением тока, равным нулю. При этом te - время размагничивания, tm - время измерений, tz - время цикла и Ir - остаточный ток.
В другой форме выполнения изобретения способ выполняется с помощью микропроцессора, который посредством Фурье-анализа разлагает сигналы на гармоники и оценивает.
В последующем тексте делаются ссылки на гармоники прямоугольного переменного тока намагничивания соответственно фиг. 9. Подобный прямоугольный сигнал с пробелами имеет следующие коэффициенты для косинусных (Cn) и синусных (Sn) членов ряда Фурье.
Cn=0
Sn=0 для n четного 
При этом n - кратное частоты цикла, b - полуширина пропуска в дуговой мере. Этот и все другие ряды Фурье в тексте нормированы сигнальной амплитудой, равной единице, и периодом 2π.
Однако в измеренном сигнале, кроме того, имеются нежелательные частоты, которые получаются из показанного на фиг. 6 прямоугольного сигнала вырезок с пропусками. Точнее говоря, имеются нежелательные частоты, так как характеристика тока последовательности размагничивания была заполнена нулями, причем заполнение математически соответствует умножению характеристики вторичного тока на прямоугольный сигнал, и прямоугольный сигнал, при аналитическом рассмотрении, состоит из множества частот.
Каждая частотная составляющая сигнала вырезки умножается на все частотные составляющие дифференциального тока, причем соответственно возникают суммарные и разностные частоты. Мера, с которой возникают нежелательные частотные составляющие, зависит от частотного спектра сигнала вырезки. Его ряд Фурье имеет следующие коэффициенты для косинусных Cn и синусных Sn членов. Сигнал вырезки имеет следующие коэффициенты Фурье:
Sn=0 при
При этом n - кратное частоты цикла и b - полуширина пропуска в дуговой мере по отношению к длительности цикла (время цикла, tz).
Малые коэффициенты возникают в том случае, когда b мало. Чем меньше b, тем больше сигнал вырезки подобен единичному сигналу без пропусков, который при умножении не оказывает никакого влияния на измеренный сигнал. Из-за ограниченного на практике напряжения размагничивания время te размагничивания не может быть произвольно малым. Малое b предполагает также высокое время цикла. Высокое время цикла тогда возможно, если временное изменение тока намагничивания в течение интервала измерения также мало при высоком дифференциальном постоянном токе. По возможности точная компенсация сопротивления, которая поддерживает магнитный поток длительно постоянным, также является предпосылкой для малой доли нежелательных частот в измеренном сигнале.
Нежелательные частотные составляющие могут дополнительно снижаться за счет применения показанной на фиг. 7 оконной функции. Тогда показанный на фиг. 8 синусоидальный сигнал с пропусками имеет следующие коэффициенты Фурье:
Cn=0
Sn=0 для n четного 
Чтобы поддерживать по возможности точную компенсацию сопротивления, согласно другой форме выполнения изобретения непрерывно распознаются и компенсируются изменения температурно-зависимого сопротивления. Поэтому последовательность размагничивания в соответствии с изобретением выполнена таким образом, что достаточно высокий остаточный ток остается в цепи вторичного тока. Отсюда получается объясненная выше, представленная на фиг. 9 идеальная прямоугольная характеристика вторичного тока, причем вновь противодействующий ток может приниматься как нулевой. Характеристика вторичного тока последовательности размагничивания не представлена. Вторичный ток обуславливает в течение интервала измерения падения напряжения на сопротивлении катушки и отрицательном сопротивлении двухполюсника. При неточной компенсации сумма напряжений не равна нулю, что приводит к изменению магнитного потока и, тем самым, к изменению вторичного тока. При перекомпенсации, то есть при слишком большой величине отрицательного сопротивления, вторичный ток нарастает. При неполной компенсации или недокомпенсации он спадает. Возникает представленная на фиг. 10 характеристика, которая рассматривается как сумма из первоначального прямоугольного вторичного сигнала из фиг. 9 и представленного на фиг. 11 сигнала в двойной пилообразной форме.
Наличие и полярность соответствующей составляющей сигнала двойной пилообразной формы могут вновь определяться посредством корреляции. При этом используется тот факт, что ряд Фурье подобного сигнала двойной пилообразной формы имеет косинусные составляющие, которые не содержатся в прямоугольном сигнале по фиг.9. Сигнал двойной пилообразной формы согласно фиг. 11 имеет следующие коэффициенты Фурье:
Cn=0 для n четного
Sn=0 для n четного 
В зависимости от определенной полярности С1-компоненты отрицательное сопротивление повышается или снижается и, тем самым, регулируется компенсация сопротивления.
Предпочтительным образом при определении С1-компоненты применяется вышеописанная оконная функция. На основе
при умножении измеренного сигнала на оконную функцию из С1-компоненты получается синусный сигнал S2 с удвоенной частотой цикла. Соответствующим образом далее определяется корреляция.
Вследствие использования сигнала пилообразной формы, то есть сигнала с линейным нарастанием, можно говорить о допустимом упрощении, так как амплитуда сигнала двойной пилообразной формы по отношению к остаточному току является очень малой. Согласно уравнению (1) для Is(t), это соответствует очень малому t по сравнению с постоянной времени Т, так что характеристика от Is(0) до I(s) может аппроксимироваться прямой.
Целью компенсации сопротивления является поддерживать напряжение Ui индукции на индуктивности Ls катушки на фиг. 1 независимо от вторичного тока на значении, равном нулю. При применении операционных усилителей можно за счет их напряжения смещения на измеренный сигнал накладывать постоянное напряжение. Опираясь на технику операционных усилителей, здесь напряжением (Uo) смещения обозначается сумма всех нежелательных постоянных напряжений в цепи вторичного тока. Если теперь в цепи вторичного тока возникает напряжение смещения, то по правилу контуров напряжение индукции становится не равным нулю и соответствует напряжению смещения. Следствием этого является временное изменение магнитного потока и тока намагничивания, что приводит к ошибкам измерения при дифференциальном токе. Ток намагничивания изменяется при этом линейно с изменением скорости dI/dt=Ui/Ls.
Достаточно малое напряжение смещения обеспечивают специально сбалансированные прецизионные операционные усилители или усилители с прерывателем. Ввиду их малой ширины полосы усилители с прерывателем здесь не могут использоваться. Прецизионные операционные усилители повышают затраты на электронику, что не соответствует поставленной задаче.
Поэтому согласно особой форме выполнения изобретения дополнительный управляемый источник 24 напряжения компенсации смещения введен в цепь вторичного тока. Этот источник 24 напряжения компенсации при этом управляется таким образом, что его напряжение противоположно напряжению смещения и компенсирует его, так что напряжение индукции вновь равно нулю. Для того чтобы эту компенсацию смещения поддерживать по возможности точной, необходимо непрерывно распознавать и компенсировать изменения температурно-зависимого напряжения смещения. При точной компенсации смещения возникает представленная на фиг.9 прямоугольная характеристика вторичного тока, причем для этого представления вновь противодействующий ток принимается равным нулю. При неточной компенсации на эту прямоугольную характеристику сигнала накладывается сигнал пилообразной формы согласно фиг. 12. Наличие и полярность соответствующего сигнала пилообразной формы в измеренном сигнале может определяться с помощью корреляции, потому что сигнал пилообразной формы в S2 содержит гармонику частоты цикла, которая не имеет места ни в прямоугольном переменном токе намагничивания, ни в сигнале двойной пилообразной формы компенсации сопротивления. Сигнал пилообразной формы согласно фиг. 12 имеет следующие коэффициенты Фурье:
В зависимости от полярности определенной S2-компоненты в измеренном сигнале напряжение управляемого источника 24 напряжения повышается или снижается и, тем самым, регулирует компенсацию смещения.
На основе фиг. 13 далее более подробно обсуждается пример соответствующего изобретению устройства и сигнальный поток. Фиг. 13 показывает блок-схему устройства для выполнения способа. В показанной здесь форме выполнения цепь 4 вторичного тока последовательного включения катушки 3 имеет двухполюсник 5, образующий отрицательное сопротивление Rz двухполюсника, средство восприятия 10 тока для вторичного тока Is, управляемый источник 14 напряжения последовательности размагничивания и управляемый источник 24 напряжения для компенсации смещения.
Средство восприятия 10 тока и переключатель 11 создают из вторичного тока Is измеренный сигнал. Средство управления 15 для последовательности размагничивания управляет положением переключателя 11 таким образом, что измеренный сигнал в течение времени te размагничивания соответствует нулевому сигналу, а в течение времени tm измерения - выходному сигналу средства восприятия 10 тока.
Средство управления 15 вырабатывает последовательности размагничивания и управляет через вход источника 14 напряжения вводимым в цепь 4 вторичного тока напряжением.
Измеренный сигнал переключателем 11 вводится через сумматор 12 в формирователь 13 эффективного значения. Сумматор 12, коррелятор 16 компенсации 41 остаточного тока и генератор 17 прямоугольного сигнала компенсации 41 остаточного тока удаляют при этом из измеренного сигнала составляющую прямоугольного переменного тока намагничивания. Для этого измеренный сигнал также подается на коррелятор компенсации 16 остаточного тока, который через амплитуду основной волны S1 прямоугольного переменного тока намагничивания определяет амплитуду прямоугольного переменного тока намагничивания. Определенная амплитуда подается на генератор 17 прямоугольного сигнала. Он вырабатывает прямоугольный сигнал с частотой цикла, синхронный с циклом, с амплитудой, заданной коррелятором 16 компенсации 41 остаточного тока. Сигнальная характеристика на выходе генератора 17 прямоугольного сигнала соответствует, таким образом, характеристике тока намагничивания в измеренном сигнале. Сумматор 12 вычитает из измеренного сигнала корректирующий сигнал, сформированный таким образом генератором 17 прямоугольного сигнала, и подает результат на формирователь 13 эффективного значения.
Генератор 9 оконной функции, умножитель 8, коррелятор 7 пилообразного сигнала, регулятор 6 компенсации 40 сопротивления и двухполюсник 5 компенсации 40 сопротивления служат для компенсации сопротивления Rcu катушки и регулирования компенсации сопротивления. Для этого на входы умножителя 8 компенсации сопротивления также подается измеренный сигнал и синусоидальный сигнал с частотой цикла и синхронный с циклом от генератора 9 компенсации сопротивления, и, тем самым, на измеренный сигнал накладывается оконная функция. Произведение обоих сигналов подается на коррелятор 7 пилообразного сигнала. Коррелятор 7 пилообразного сигнала определяет по амплитуде гармоники S2, которая в умножителе 8 создается из гармоники С1 в измеренном сигнале, амплитуду и полярность сигнала двойной пилообразной формы в измеренном сигнале. Регулятор 6 компенсации сопротивления управляет отрицательным сопротивлением двухполюсника 5 таким образом, что определенная коррелятором 7 пилообразного сигнала амплитуда становится равной нулю, таким образом, отрицательное сопротивление двухполюсника 5 компенсирует омическое сопротивление Rcu вторичной катушки. Коррелятор 22, регулятор 23 и управляемый источник 24 напряжения компенсации 42 смещения служат для компенсации напряжения смещения в цепи 4 вторичного тока и регулирования этой компенсации. Коррелятор 22 определяет по амплитуде гармоники S2 в измеренном сигнале амплитуду пилообразной составляющей в измеренном сигнале. Регулятор 23 управляет управляемым источником 24 напряжения так, что амплитуда становится равной нулю, то есть напряжение смещения цепи вторичного тока компенсируется напряжением управляемого источника 24 напряжения.
На фиг. 14 показана другая предпочтительная форма выполнения изобретения. Получаемый средством восприятия 10 тока сигнал через фильтр 18 наложения спектров и аналого-цифровой преобразователь 19 подается на вычислитель 20. Вычислитель 20 управляет через цифро-аналоговый преобразователь 21 и источник 25 напряжения введенным в цепь 4 вторичного тока напряжением.
В течение интервалов измерения вычислитель 20 управляет источником 25 напряжения таким образом, что последовательное соединение из средства обнаружения 10 тока и источника 25 напряжения образует двухполюсник с отрицательным омическим сопротивлением -Rcu. Вычислитель 20 вырабатывает также последовательности размагничивания и вводит через источник 25 напряжения необходимые напряжения в цепь 4 вторичного тока. Кроме того, он определяет остаточный ток и регулирует компенсацию сопротивления и компенсацию смещения.
Эта форма выполнения может предпочтительным образом применяться для того, чтобы определять необходимые для способа параметры соответственно применяемого преобразователя тока. Начальное значение для омического сопротивления определяется тем, что через источник 25 напряжения постоянное напряжение вводится в цепь 4 вторичного тока, и средством обнаружения 10 тока измеряется устанавливающийся постоянный ток. Температурно-зависимые изменения омического сопротивления вторичной катушки затем, как описано в способе, распознаются, и регулируется компенсация сопротивления.
Кроме того, определяется поток насыщения, при этом вычислитель 20 посредством источника 25 напряжения вводит в цепь 4 вторичного тока прямоугольное переменное напряжение. При этом вычислитель 20 всегда изменяет полярность напряжения, когда он с помощью средства обнаружения 10 тока распознает типичный для насыщения скачкообразный подъем вторичного тока. За счет этого сердечник колеблется между своими двумя потоками насыщения. Из длительности периода получающегося колебания и амплитуды переменного напряжения затем вычисляется поток насыщения.
Предпочтительным в этой форме выполнения является то, что необходимая для способа измерения обработка сигнала согласно фиг. 13 в значительной степени реализуется посредством программного обеспечения. Затраты на электронику незначительны, что приводит к весьма низким расходам и соответствует поставленной задаче. Малое требуемое место для размещения электронных компонентов облегчает конструирование многоканальных устройств для выполнения способа, к которым могут быть подключены несколько преобразователей тока. Несколько каналов, таким образом, совместно используют вычислитель, электропитание и электронику связи. Затраты на создание электрического оборудования, приходящиеся на каждый канал контроля, за счет этого дополнительно снижаются.
Далее со ссылкой на фиг. 15 в качестве примера более подробно описывается возможное выполнение компенсации сопротивления с активным двухполюсником. В показанной здесь форме выполнения цепь 4 вторичного тока имеет последовательное соединение вторичной катушки 3, двухполюсника 5, образующего отрицательное сопротивление двухполюсника, с усилителями V1 и V2. Усилитель V1 работает как преобразователь ток-напряжение с коэффициентом передачи F1=U1/Is=R1. V2 подключен как инвертирующий усилитель с F2=Us/U1=-R3/R2. Для R2=R3 в качестве коэффициента передачи для двухполюсника получается F1*F2=-R1. Если, таким образом, представленная схема обтекается положительным вторичным током, то устанавливается отрицательное падение напряжения Us=-R1*Is. Схема образует отрицательное омическое сопротивление.
Для точной компенсации сопротивления сопротивление R1 устанавливается на значение Rcu. При любом вторичном токе Is тогда получается для падения напряжения Ui на индуктивности катушки -Ui=Ucu+Us=0. При точной компенсации сопротивления цепь 4 вторичного тока не допускает никакого напряжения Ui индукции, то есть никакого изменения магнитного потока в сердечнике. Малейшее напряжение индукции привело бы на омическом полном сопротивлении цепи вторичного тока, которое равно нулю, немедленно к высокому вторичному току, который противодействует изменению магнитного потока.
В еще одной форме выполнения, кроме того, применяются длинные времена корреляции, так что в целом осуществляется лишь инерционная реакция на результаты корреляции. Предпочтительным образом, за счет корреляции по многим циклам измерений и за счет низкой частоты цикла порядка 0,3 Гц достигается малая ширина полосы измерения амплитуды. Частотный диапазон, в котором частотная составляющая дифференциального тока может привести к ошибкам измерения, становится узким. Также предусматривается, что внезапные изменения в результате корреляции оцениваются как помеха, для которой результаты корреляции отбрасываются и, при необходимости, частота цикла и, тем самым, чувствительный частотный диапазон меняется.
За счет этого предпочтительным образом достигается то, что способ измерения может в меньшей степени испытывать помехи из-за нежелательных частотных составляющих в дифференциальном токе. Это имеет особое значение при определении остаточного тока и при регулировании компенсации сопротивления и при регулировании компенсации смещения, где амплитуды определенных, синхронных с циклом частотных составляющих в измеренном сигнале измеряются посредством корреляции (S1, C1, S2). Если дифференциальный ток сам содержит эти частоты, то именно при этом могут в принципе возникнуть ошибки измерения.
Поэтому в соответствии с изобретением используется тот факт, что изменения остаточного тока и омического сопротивления вторичной катушки возникают из-за температурных изменений, то есть являются медленными процессами. При этом быстрые изменения результатов корреляции указывают на помеховую частотную составляющую в дифференциальном токе.
Поэтому также предпочтительно, что в проводниках, охватываемых сердечником, не индуцируется помеховое напряжение. Описанный в уровне техники мультивибратор прикладывает к вторичной катушке прямоугольное, с крутыми фронтами переменное напряжение. Хотя частота мультивибратора обычно лежит ниже 1 кГц, гармоники достигают до 150 кГц и поэтому релевантны для оценки электромагнитной совместимости устройства.
ОБОЗНАЧЕНИЯ В ФОРМУЛАХ
A сигнал вырезки
B магнитная плотность потока
Bs плотность потока насыщения
Cn косинусные коэффициенты Фурье
F оконная функция
F1 коэффициент передачи
F2 коэффициент передачи
Ф сцепленный магнитный поток
Фs поток насыщения
H напряженность магнитного поля
Ib максимальное значение вторичного тока
Ic коэрцитивный ток
Id сигнал двойной пилообразной формы
Ir остаточный ток
Is вторичный ток
Is0 начальное значение вторичного постоянного тока
Iz сигнал пилообразной формы
Ls индуктивность катушки
R1 сопротивление
R2 сопротивление
R3 сопротивление
Rcu омическое сопротивление
Rg омическое полное сопротивление цепи вторичного тока
Rz сопротивление двухполюсника
Sn синусные коэффициенты Фурье
T постоянная времени
U1 выходное напряжение усилителя
Ucu напряжение на омическом сопротивлении
Ue напряжение размагничивания
Ui напряжение индукции
Us напряжение катушки
B полуширина пропуска в дуговой мере
Fz частота цикла
n кратное частоты цикла
t время
t1 длительность первого импульса напряжения
t2 длительность второго импульса напряжения
te время размагничивания
tm время измерения
tz время цикла
Uo напряжение смещения
A прямоугольный сигнал вырезки
Wie прямоугольный переменный ток намагничивания
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 площадь напряжение-время
2 первичный проводник
3 вторичная катушка
4 цепь вторичного тока
5 двухполюсник
6 регулятор компенсации сопротивления
7 коррелятор сигнала пилообразной формы
8 умножитель компенсации сопротивления
9 генератор оконной функции
10 обнаружение тока
11 переключатель
12 сумматор компенсации остаточного тока
13 формирователь эффективного значения
14 источник напряжения последовательности размагничивания
15 управление частотой размагничивания
16 коррелятор компенсации остаточного тока
17 генератор прямоугольного сигнала
18 фильтр наложения спектров
19 аналого-цифровой преобразователь
20 вычислитель
21 цифро-аналоговый преобразователь
22 коррелятор компенсации смещения
23 регулятор компенсации смещения
24 источник напряжения компенсации смещения
25 источник напряжения
V1 операционный усилитель
V2 операционный усилитель
R1 сопротивление
R2 сопротивление
R3 сопротивление
40 компенсация сопротивления
41 компенсация остаточного тока
42 компенсация смещения
43 сердечник преобразователя
44 импульс напряжения
Изобретение относится к метрологии, в частности к способу измерения тока. Способ предлагает компенсацию омического сопротивления вторичной катушки посредством двухполюсника с отрицательным омическим сопротивлением. При этом реализуется функция поддержания составляющей постоянного тока вторичного тока, индуцированного первичным током во вторичной катушке. Затем в сердечник преобразователя вводят последовательность импульсов, сердечник намагничивают до потока насыщения и посредством приложения второго импульса напряжения обратной полярности магнитный поток снова уменьшают. Площадь «напряжение-время» второго импульса подбирается таким образом, чтобы в преобразователе достигалась рабочая точка, в которой при токе намагничивания, малом по отношению к току насыщения, дифференциальная индуктивность преобразователя является как можно большей. Устройство содержит вторичную цепь, состоящую из катушки и двухполюсника с отрицательным омическим сопротивлением, средство измерения тока, управляемый источник напряжения, переключатель, сумматор, формирователь эффективного значения, коррелятор, генератор прямоугольного сигнала компенсации, умножитель, генератор оконной функции, регулятор компенсации сопротивления, коррелятор пилообразного сигнала. Технический результат – повышение точности измерений. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 15 ил.
1. Способ измерения электрических токов с помощью преобразователя тока, отличающийся тем, что
в цепи (4) вторичного тока преобразователя тока омическое сопротивление (Rcu) вторичной катушки (3) компенсируют с помощью активного двухполюсника (5), образующего отрицательное омическое сопротивление (Rz), для поддержания составляющей постоянного тока вторичного тока (Is), индуцированного первичным током во вторичной катушке,
для создания определенного магнитного потока в сердечнике преобразователя через магнитную катушку в сердечник преобразователя вводят преопределенную последовательность импульсов, причем
сердечник преобразователя намагничивают до потока (Фs) насыщения путем приложения первого импульса напряжения или тока к катушке преобразователя и
затем, посредством приложения второго импульса напряжения обратной полярности и определенной площади (1) напряжение-время, магнитный поток снова уменьшают,
причем площадь (1) напряжение-время второго импульса напряжения выбирают так и после второго импульса напряжения определенный третий импульс напряжения прикладывают с полярностью, противоположной второму импульсу напряжения, так, что в преобразователе достигается рабочая точка, в которой при токе намагничивания, малом по отношению к току насыщения, дифференциальная индуктивность преобразователя является как можно большей.
2. Способ по п. 1, в котором ток намагничивания, соответствующий созданному определенному магнитному потоку во вторичной катушке (3), определяют за счет того, что генерируют переменный ток намагничивания, последовательность импульсов прикладывают с заданной частотой попеременно, с соответственно обратным знаком, для обеих полярностей насыщения.
3. Способ по п. 2, в котором формируют циклы измерения с временем (tz) цикла, которое имеет в каждом периоде временной интервал с временем (te) размагничивания и временной интервал с временем (tm) измерения.
4. Способ по п. 2, в котором определяют амплитуду возникающего переменного тока намагничивания, и генерируют сигнал коррекции, который соответствует ходу и амплитуде прямоугольного переменного тока намагничивания, и измеренный сигнал соответственно корректируют на определенный сигнал коррекции.
5. Способ по п. 1, в котором измеренный сигнал для дальнейшей обработки регулируют так, что все временные интервалы (te) в измеренном сигнале, которые соответствуют временному интервалу импульса напряжения предопределенной последовательности импульсов одной полярности, снабжают предопределенным постоянным значением, в частности нулевым значением.
6. Способ по п. 5, причем отрегулированный измеренный сигнал, кроме того, умножают на оконную функцию, в частности на имеющий частоту цикла и синхронный с циклом синусоидальный сигнал.
7. Способ по п. 1, в котором величину генерируемого отрицательного омического сопротивления (Rz) регулируют на основе определенной неполной компенсации или перекомпенсации омического сопротивления (Rcu) вторичной катушки (3).
8. Способ по п. 7, в котором определяют неполную компенсацию или перекомпенсацию омического сопротивления (Rcu) вторичной катушки (3), при этом из измеренного сигнала определяют амплитуду гармоники, которая возникает при отклонении переменного тока намагничивания от прямоугольной формы сигнала.
9. Способ по п. 1, в котором определяют и затем компенсируют напряжение смещения, возникающее во вторичной цепи, в частности, из-за применяемых электронных компонентов.
10. Способ по п. 9, в котором значение напряжения смещения определяют посредством корреляции, за счет того что из измеренного сигнала определяют амплитуду гармоники, которой простой сигнал (Iz) пилообразной формы отличается от сигнала (Id) двойной пилообразной формы или прямоугольного сигнала.
11. Способ по п. 1, применяемый для измерения дифференциальных токов или токов неисправности в электрическом устройстве, которые, наряду с переменной составляющей, также содержат постоянную составляющую тока.
12. Способ по п. 1, в котором магнитная катушка для выдачи заранее заданной последовательности импульсов в сердечник преобразователя является вторичной катушкой (3) преобразователя.
13. Устройство для измерения электрических токов для связывания с вторичными выводами преобразователя тока и в соединении с преобразователем тока выполнено с возможностью осуществления способа измерения по любому из пп. 1-12,
причем устройство содержит по меньшей мере один управляемый источник (25) напряжения и по меньшей мере одно средство обнаружения (10) тока, которые соединены со средством управления,
причем устройство дополнительно содержит активный двухполюсник (5), который через первый регулятор соединен со средством обнаружения (10) тока, так что образуется цепь регулирования для определенных частотных составляющих измеренного сигнала, сгенерированного посредством средства обнаружения (10) тока.
14. Устройство по п. 13, дополнительно содержащее второй регулятор (6) для согласования отрицательного сопротивления (Rz) двухполюсника с температурно-зависимым омическим сопротивлением катушки.
15. Устройство по п. 14, в котором второй регулятор выполнен с возможностью подстройки отрицательного сопротивления (Rz) двухполюсника через коэффициенты Фурье и посредством компенсации нежелательных частотных составляющих измеренного сигнала.
16. Устройство по п. 13, в котором средство управления реализовано микроконтроллером.
17. Система для измерения электрических токов, содержащая индуктивный преобразователь тока и устройство согласно любому из пп. 13-16.
18. Способ измерения электрических токов с помощью преобразователя тока, включающий в себя следующие этапы:
расширение схемы вторичной цепи (4) преобразователя тока электрическим устройством, так что образующий отрицательное омическое сопротивление (Rz) активный двухполюсник (5) и средство обнаружения (10) тока во вторичной цепи (4) преобразователя соединены последовательно, и источник (25) напряжения включен последовательно в цепи тока вторичной катушки (3) преобразователя, и блок управления соединен со средством обнаружения (10) тока и источником (25) напряжения;
считывание средства обнаружения (10) тока и управление источником (25) напряжения посредством блока управления для выполнения способа по любому из пп. 1-12; и
выдача выходного сигнала от блока управления, который содержит составляющую постоянного тока и составляющую переменного тока электрического первичного тока преобразователя.
| US 6160697 A1, 12.12.2000 | |||
| US 20080048645 A1, 28.02.2008 | |||
| US 4554504 A1, 19.11.1985 | |||
| US4839832 A, 13.06.1989 | |||
| RU 2052826 C1, 20.01.1996 | |||
| DE 19701324 A1, 23.07.1998 | |||
| Трансформатор тока | 1980 |
|
SU918868A1 |
| DE 4243130 A1, 23.06.1994. | |||
