Устройство для измерения тока Советский патент 1980 года по МПК G01R19/22 

Изобретение относится к измерител ным устройствам электрического тока и может быть применено для формирования сигналов обратной связи в силь ноточных быстродействующих системах автоматического регулирования и для регистрации перегрузочных или аварийных токов электрических установок и сетей. Известно устройство, содержащее дроссель, в воздушном зазоре которого расположен датчик Холла, обеспечивающее большой диапазон измеряемых токов 1. Его недостатком является малая крутизна датчика, а также наличие больших температурных погрешностей. Известно также устройство, содержащее дроссель, охваченный шиной из меряемого тока и дополнительной обмоткой, один из выводов которой соединен с общей шиной, а другой - с п вым входом сумматора, два источника переменного напряжения питания, два выпрямителя, выходы которых -подключены ко второму и третьему входам су матора , выход которого через фильтр соединен с выходной клеммой 2. Недостатком устройства является кий диапазон измеряемых токов. Цель изобретения - расширение ди-апазона измеряемых токов. Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем дроссель сердечник которого охваченный шиной измеряемого тока и дополнительной обмоткой, один из выводов которой соединен с общей шиной, а другой - с первым входом сумматора, два источника переменного напряжения питания, два выпрямителя, выходы которых подключены ко второму и третьему входам сумматора, выход которого через фильтр соединен с выходной клеммой, сердечник дросселя выполнен П-образным, в его воздушном зазоре размещены два дросселя насыщения и соленоид, причем дроссели насыщения одними плоскостями установлены на одной из боковых сторон дрос.селя,а на противоположных плоскостях дросселей насыщения размещен соленоид, обмотка которого подключена к источнику постоянного тока, обмотка перемагпичивания каждого из дросселей насыщения подключена к одному из источников переменного напряжения питания через один из выпрямителей. На фиг. 1 приведена схема устройства для измерения тока; на фиг. 2 - схема пассивного RC фильтра, одновре менно выполняющего и функции сумматора; на. фиг. За, Зб - временные диаграммы входных и выходных напряжений сумматора. . Устройство содержит дроссель 1, сердечник которого охвачен шиной 2 . ; . измеряемого тока и дополнительной об моткой 3, один из выводов которой соединен с общей шиной, а другой - с первым входом сумматс а 4, два источ ника 5 и б переменного напряжения пи тания, два выпрямителя 7 и 8, выходы которых подключены ко второму и третьему входам сумматора 4, выход которого через фильтр 9 соединен с выходной клеммой, в воздушном дросселя 1 размещены два дросселя 10 и 11 насыщения и соленоид 12, причем дроссели 10 и 11 насыщения одними плоскостями установлены на одной из боковых сторон дросселя 1, а на противоположных плоскостях дросселей 10 и 11 насыщения размещен соленоид 12, обмотка 13 которого подключена к источнику 14 постоянного тока, обмотки 15 и 16 перемагничивания каждого из дросселей 10 и 11 насыщения подключе ны к одному из источников 5 и б пере менного напряжения питания через оди из выпрямителей 7 и 8, Для правильной работы схемы необходимо, чтобы сечение соленоида 12 было равно боковым сечениям дросселей 10 и 11 насыщения и в четыре раза меньше сечения дросселя 1. Устройство работает следующим образом. При отсутствии измеряемого тока п обмотке 13 от источника 14 постоянно го тока протекает ток смещения , создающий поток смещения Ф,.,, равный потоку насыщения соленоида 12. Поток Фс замыкается через нижнюю часть, дросселя 1 и через боковые сечения дросселей насыщения 10 и 11, создавая в них индукцию, равную половине индукции насыщения. На обмотки перемагничивания 15 и 16 дросселей 10 и 11.через входные клекмы соответствую щего выпрямителя 7 или 8 подаются пе ременные напряжения питания, создающие .переменные потоки перемагничивания Фf, этих дросселей. Если амплитуда и частота напряжения питания выбирается такой, что при совместном действии потоков Ф и Фп насьвдение даюсселей 10 и 11 будет наступать че рач четверть периода действия напряжений питания, то в течение оставшейся части соответствующего полупериода это напряжение будет выделяться на выходе соответствующего выпрямителя. При таком включении выпрямителей 7 и 8, .как показано на фиг. 1, на третий вход сумматора 4 будет поступать послед9вательность положительных импульсов напряжения (U.) , а на второй вход - последовательность отрицательных импульсов напряжения (Uj). Начальный коэффициент широтной модуляции обеих последовательностей напряжения равен где Т - период переменного напряжения питания; tp - время нахождения дросселей 10 и 11 в состоянии насыщения, равное Т/4Средние значения напряжений Uj и и а. равны « и аср -Ко Рп ., где UH - амплитуда переменного напряжения питания. Тогда на выходе, сумматора 4 будем иметь нулевой уровень сигнала Us itp + и,,ер о Мгновенные значения U и Uj при показаны на фиг. За. При протекании измеряемого тока по шине 2 измеряемого тока в дросселе 1 возникает магнитный поток , прямопропорциональный этому току, замыкающийся через боковые сечения обоих дросселей 10 и 11 насыщения. При указанном на фиг. 1 направлении потоков Фсл и Фр они будут суммироваться в дросселе 10 и вычитаться в дросселе 11. При этом насыщение дросселя 10 будет наступать раньше, а дросселя 1 - позже чем через четверть периода действия переменного. напряжения питания, то есть будет наблюдаться изменение коэффициентов широтной модуляции нап ряжений и и Ug. Другое направление тока i будет изменять коэффициенты широтной Модуляции напряжений U и и в противоположные стороны от рассмотренного случая. Тогда средние значения напряжений u,j и U определяются по формулам Uicp-U..U,, аср -МКо- К --и, где ut - изменение времени насыщения дросселей -10 и 11 относительно to. Среднее значение напряжения Uj, равно: . . Мгновенные значения U,Uj и Uj, при i 0 показаны на фиг.36. Зависимость at f (Фр)выража- , ется формулой Поток Фр прямопропорционален току i по формуле vгде S. - сечение дросселя 1; W - количество витков обмотки 2 (Г - длина воздушного зазора; (Ир- постоянная магнитная проницаемость. Подставляя эти выражения в форму лу для среднего значения напряжения Uj«, получаем II 1/с„U. - °«-™ - ;;Г- Полярность напряжения и,зависит от направления тока i. Так как напряжение на выходе сум матора 4 содержит кроме постоянной составляющей еще и гармоники, кратные частоте переменного напряжения питания, то его подают на фильтр вы соких частот 9, с выхода которого снимают напряжение выходиого сигнал ВМ. Однако, фильтр 9 вносит в выходной сигнал, устройства значительное запаздывание. Это запаздывание компенсируется тем, что на третий вход сумматора 4 в фазе с напряжени ем и подается напряжение и, пропорциональное скорости измерения ра бочего магнитного потока Фр, которо снимается с обмотки 3, индуктивно связанной с шиной измеряемого тока Рассмотрим условие компенсациизапаздывания, вносимого фильтром 9. Первоначально определим передаточну функцию устройства для суммы сигна;jioB U-( и и вьчи,г ь, (Р.г1где р - оператор; Т( - постоянная времени фильтра Передаточная функция устройства для сигнала Uj равна - .

где - отношение количества витков обмотки 3 к количеству витков обмотки 2; L - индуктивность обмотки 2. Тогда передаточная функция всего устройства имеет вид

W()--w(p),,.2.w(pH-K )

Источники информации, 50 принятые во внимание при экспертизе

1.Белицкая М.С. и Лиманов Е.А. Трансформаторы постоянного тока и напряжения, М.-Л., Энергия ,1964, с. 225.

55

2.Авторское свидетельство СССР . №194162, кл. G 05 В 5/01, 1967. Если выполняется условие(К1р )к)и-Тф1 то предлагаемое устройство имеет передаточную функцию безынерционного звена с коэффициентом передачи,равным Кво всем диапазоне частот. Использование в предлагаемом датчике мгновенного значения тока пассивного RC-фильтра, конденсатор которого подключен непосредственно к выходным клеммам, делает устройство хорошо помехозащитенным от внешних воздействий. На фиг. 2 показана электрическая схема пассивного RC-фильтра, который одновременно выполняет и функции сумматора. Предлагаемое устройство имеет широкий диапазон измеряемых токов (от десятков Ампер до сотен килоАмпер), Формула изобретения Устройство для измерения тока, содержащее дроссель, сердечник которого охвачен шиной измеряемого тока и дополнительной обмоткой, один из выводов которой соединен с общей шиной, а другой - с первым входом сумматора, два источника переменного напряжения питания, два выпрямителя, выходы которых подключены ко второму и третьему входам сумматора, выход которого через фильтр соединен с выходной клеммой, отличающее с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых токов,сердечник дросселя выполнен,-П-образнЫм, в его воздушном зазоре размещены два дросселя насыщения и соленоид, причем дроссели насыщения одними плоскостями установлены на одной из боковых сторон дросселя, а на противоположных плоскостях дросселей насыщения размещен соленоид, обмотка которого подключена к источнику постоянного тока, обмотка перемагничивания каждого из дросселей насыщения подключена к одному из источников переменного напряжения питания через один из выпрямителей .

гз

f2

«Аж/

iZIh

г 4ZI

п

) -/

Фиг.5