УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАСШТАБНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТОКА
DEVICE FOR SCALE TRANSFORMATION

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах и устройствах для измерения электрических величин тока, мощности, энергии, а также в системах защиты и автоматики.
Известны устройства для масштабного преобразования тока, содержащие усилитель, трансформатор тока с входной и выходной обмотками, нагрузку (см. а.с. №918868. БИ №13, и др.).
Недостатком таких устройств является низкая точность из-за невозможности компенсации сопротивлений нагрузки и обмотки трансформатора точнее, т.к. возможен разброс и отклонение параметров трансформатора и усилителя от номинального значения из-за влияния температуры и со временем.
Другим недостатком является необходимость применения усилителей большой мощности и с большим выходным током, т.к. через усилитель течет полный ток нагрузки. Следствием этого является необходимость применять большие радиаторы мощный источник питания для усилителя.
Следующим близким по техническому решению к предложенному устройству является устройство (по а.с. №1045136 БИ №36, 1983), содержащее первый трансформатор с входной и двумя выходными обмотками, усилитель, выход которого последовательно соединен с первой выходной обмоткой, первого трансформатора, второй трансформатор и блок опорного напряжения, вход которого подключен к входной обмотке первого трансформаторе, а выход - последовательно со второй выходной обмоткой первого трансформатора, выходная обмотка которого подключена ко входу усилителя, а обмотка обратной связи к его выходу.
Недостатком такого устройства является сложность конструкции применяемого усилителя при больших токе и мощности в нагрузке и, как следствие этого, практическая невозможность применения устройства при токах нагрузки порядка 5 А.
Наиболее близким по техническому решению является устройство по а.с. №1582137. БИ №28, 1990 г., содержащее первый трансформатор с входной и выходной обмотками, усилитель, второй трансформатор с входной и тремя выходными обмотками первая из которых соединена с входом усилителя, сопротивление нагрузки, третья выходная обмотка второго трансформатора включена последовательно с выходной обмоткой первого трансформатора и сопротивлением нагрузки, параллельно которому подключается цепь, состоящая из последовательно соединенных выходной цепи усилителя и второй выходной обмотки второго трансформатора, входные обмотки обоих трансформаторов соединяются последовательно.
Недостатком такого решения является, ограничение типов нагрузок, одновременно подключаемых к выходу устройства, и режимов их эксплуатации.
Целью изобретения является расширение диапазона выходной мощности, для одних видов нагрузок, например, систем защиты, автоматики и высокой точности для систем измерений подключаемых одновременно.
Цель достигается тем, что последовательно с третьей выходной обмоткой второго трансформатора и выходной обмоткой первого трансформатора, введено дополнительное сопротивление нагрузки. Сущность изобретения заключается в следующем.
1. Устройство для масштабного преобразования тока содержит первый трансформатор с входной и выходной обмотками, усилитель, второй трансформатор с входной и тремя выходными обмотками, первая из которых соединена с входом усилителя, сопротивление нагрузки, третья выходная обмотка второго трансформатора включена последовательно с выходной обмоткой первого трансформатора и сопротивлением нагрузки, параллельно которому подключается цепь, состоящая из последовательно соединенных выходной цепи усилителя и второй выходной обмотки второго трансформатора, входные обмотки обоих трансформаторов соединяются последовательно, отличающееся тем, что последовательно с третьей выходной обмоткой второго трансформатора и выходной обмоткой первого трансформатора, введено дополнительное сопротивление нагрузки.
2. Устройство для масштабного преобразования тока по п.1, отличающееся тем, что дополнительное сопротивление нагрузки выполнено в виде последовательно включенных гальванически разделяемого от основной нагрузки дополнительного сопротивления нагрузки и третьего трансформатора, так что его первичная обмотка подключена последовательно с выходной обмоткой первого трансформатора и они имеют одну общую клемму, а к вторичной обмотке подключается дополнительное гальванически разделяемое от основного сопротивление нагрузки.
На чертеже фигура 1, фигура 2, представлены варианты выполнения предложенного устройства для масштабного преобразования тока.
Устройство на фигуре 1 содержит первый трансформатор 1 и второй трансформатор 2, усилитель 3, входные обмотки 4 и 5, выходные обмотки 6 и 7, 8, 9 первого 1 и второго 2 трансформаторов соответственно, сопротивления основной 10 и дополнительной 11 нагрузок.
Устройство на фигуре 2 содержит первый трансформатор 1 и второй трансформатор 2, усилитель 3, входные обмотки 4 и 5, выходные обмотки 6 и 7, 8, 9 первого 1 и второго 2 трансформаторов соответственно, сопротивлений основной 10 и дополнительной нагрузок, причем в качестве дополнительной нагрузки используется первичная обмотка 11 третьего трансформатора 12, к вторичной обмотке 13, которого подключаются гальванически разделяемое от основной дополнительное сопротивления нагрузки 14.
Принцип действия предложенного устройства по фигуре 1 следующий.
Входной ток, проходя через обмотки 4 и 5, намагничивает сердечники трансформаторов 1 и 2. Во вторичных обмотках трансформаторов I и 2 вследствие этого действуют напряжения и протекают токи.
10
6
Ток I нагрузки 10 обеспечивается в основном за счет напряжения, наводящегося на обмотке 6. Под действием этого напряжения через обмотки 6, 7 и нагрузку 10 течет ток I.
Сердечник трансформатора 2 практически размагничен за счет действия компенсирующих потоков создаваемых токами в обмотках и 7 и 9.
При коэффициенте петлевого усиления 10-100, который обеспечивается за счет выбора коэффициента усиления усилителя 3 и числа витков обмоток 8, 9 трансформатора 2, магнитный поток в сердечнике трансформатора 2 может быть сделан очень малым. Поэтому с достаточной точностью справедливо для трансформатора 2 соотношение
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>W</mi><mn>5</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>W</mi><mn>7</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mn>9</mn></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>W</mi><mn>9</mn></msub><mo>=</mo><mn>0,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
где I - входной ток трансформаторов 1 и 2;
6
I - ток обмотки 6;
9
I - ток через обмотку 9;
5
7
9
W, W, W - числа витков обмоток 5, 7, 9.
Током обмотки 8 пренебрегаем, т.к. при большом входном сопротивлении усилителя его влияние ничтожно мало. Из (1) имеем:
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>9</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>W</mi><mn>5</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>W</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>W</mi><mn>7</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>W</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
6
9
10
6
9
Так как сопротивление нагрузки 10 выбирается достаточно малым по сравнению с эквивалентными сопротивлениями источников токов I и I (сопротивлениями обмотки 6, даже без учета дополнительного сопротивления 11, и усилителя 3), то полный ток нагрузки I практически определяются как сумма токов I и I
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>9</mn></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
С учетом (2) имеем
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>W</mi><mn>5</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>W</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>6</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>W</mi><mn>7</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>W</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
7
9
1
6
4
1
10ном
Если W=W, то независимо от искажений, вносимых трансформатором 1 результат преобразования пропорционален величине I. Число витков обмотки 6 практически выбирают так, чтобы выполнялось соотношение W=W(I/I),
10ном
1
Где I - номинальное значение тока нагрузки 10 при заданном значении тока I.
При этом основная мощность передается в нагрузки 10 и 11 через трансформатор 1 и лишь часть мощности, рассеиваемой нагрузкой 10, формируется усилителем 3.
При этом, несмотря на то, что нагрузка первого 1 трансформатора из-за дополнительной нагрузки 11 от систем защиты и автоматики в несколько раз возрастает, по сравнению с нагрузкой 10 от измерительных систем, мощность усилителя 3 для обеспечения точности в нагрузке 10 увеличится незначительно, так как она пропорциональна не мощности трансформатора 1, а его погрешности. Так при погрешности трансформатора 1 равной 0,5% и мощности нагрузки 10 от измерительных систем 1,0 Вт составит доли процента от усилителя 3 потребуется мощность равная 0,5% от выделяемой на нагрузке 10, т.е. равная 0,05 Вт.
Таким образом, в отличие от прототипа обеспечивается возможность подключения к устройству как систем защиты и автоматики, требующих большой мощности при умеренной погрешности порядка 0,5%, так и точных измерительных цепей требующих небольшой мощности, но малой погрешности порядка 0,1%.
13
11
2
Принцип действия устройства по фигуре 2, отличается от предыдущего тем, что гальванически разделяемое сопротивление нагрузки 14 приводится дополнительным третьим трансформатором 12 к его первичной обмотке с коэффициентом пропорциональности (W/W). Такое решение обеспечивает необходимое соотношение токов в нагрузках 10 и 14, а также их гальваническое разделение. Некоторое увеличение погрешности тока в нагрузке 14, за счет погрешности трансформатора 12, не имеет особого значения, если учесть, что точность для измерительной нагрузки 10 остается практически неизменной, т.е. не более 0,1%, тогда как ток в сопротивлении нагрузки 14 соответствует системе защиты и автоматики, где требования к точности не столь высоки.
Высокая точность, небольшие вес и габариты, расширенный диапазон выходной мощности устройства, соответствующие разным типам нагрузок и режимов эксплуатации, позволят широко применить такое устройство в измерительных системах и системах автоматики.