ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА ТИПА ТОРА РОГОВСКОГО, А ТАКЖЕ УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ И ИЗМЕРЕНИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕРЫВАТЕЛЬ ТОКА, СОДЕРЖАЩИЕ ТАКОЙ ДАТЧИК
ROGOWSKI TORUS-TYPE CURRENT MEASUREMENT SENSOR, AS WELL AS PROTECTION AND MEASUREMENT APPARATUS AND ELECTRIC CIRCUIT BREAKER COMPRISING SUCH SENSOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к датчику для измерения тока типа катушки Роговского, содержащий каркас катушки, выполненный из немагнитных материалов, и вторичную обмотку, намотанную на вышеупомянутый каркас катушки с возможностью подачи электрического сигнала, характеризующего ток, текущий в проводнике, проходящем через внутреннюю часть тора.
Настоящее изобретение также относится к электрическому устройству измерения и защиты и электрическому прерывателю, содержащему такой датчик.
Уровень техники
Катушки Роговского общеизвестны в области прерывателей электропитания, оснащенных электронными пусковыми устройствами. Они используются ради качества их линейности и широкого динамического диапазона измерения, поскольку они не содержат магнитной цепи, которая может насыщаться. Таким образом, точность прямо связана с правильностью намотки и поперечным сечением датчика.
Примеры датчиков катушки Роговского, используемые в прерывателях, описаны в заявках EP 2667205 A1 и US 2014132249 A1. В патенте США № 5982265 показан другой датчик катушки Роговского с овальным поперечным сечением.
Выходной сигнал от катушки Роговского задается формулой
V=μ n S di/dt
где V - напряжение выходного сигнала, подаваемого катушкой Роговского,
S - поперечное сечение витка,
μₒ - магнитная проницаемость,
n - число витков, и
di/dt - производная от первичного тока по времени.
Таким образом, напряжение, генерируемое кольцевой катушкой индуктивности, является функцией площади всей поверхности витков, и точность напряжения является прямо связанной с размерными вариантами каркаса катушки индуктивности.
В соответствие с технологией изготовления каркасы для намотки для катушек Роговского, как правило, выполнены трубками, изготовленными из упругого пластического материала или путем формования под давлением жесткого пластического элемента.
Эти жесткие пластические элементы имеют формы, которые являются стабильными и легко адаптируемыми к крупносерийному производству. Однако трудно добиться точности измерения более, чем 1% без использования системы калибровки.
Кроме того, очень маленькое пространство имеется в распоряжении в прерывателях, а динамический диапазон температуры окружающего воздуха очень широкий, например, от -40°, когда прерыватель работает в неблагоприятных окружающих условиях, таких как на большой высоте или в арктических регионах, до 180° для прерывателя, действующего с номинальным током в жарких климатических условиях, таких как в экваториальных или тропических зонах.
Такие колебания создают расширяющие воздействия или изменения в размере поперечного сечения каркаса катушки, который оказывает влияние на точность выходного сигнала.
Кроме того, во время производства, усадка на стадии литья представляет трудность для контроля каркаса катушки или полого каркаса катушки. Это также вносит вклад в изменение измерения всякий раз, когда ищется высокая точность для кольцевых катушек, которые выпускаются серийно.
Краткое описание изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание высокоточного датчика катушки Роговского, который может быть выпущен серийно и является практически нечувствительным к колебаниям температуры, вместе с устройством защиты и прерывателем, содержащим такой датчик.
В соответствии с настоящим изобретением в датчике измерения тока типа катушки Роговского, содержащем каркас катушки, выполненный из немагнитного материала, и вторичную обмотку, намотанную на упомянутый каркас катушки для того, чтобы выдавать электрический сигнал, характеризующий ток, текущий в проводнике, проходящем через внутреннюю часть тора, упомянутый каркас катушки, по существу, выполнен из жесткого пластического формованного материала и содержит, по меньшей мере, один наружный вырез, распределенный по длине или окружности тела каркаса катушки, причем упомянутый вырез содержит, по меньшей мере, два паза, отделенных перегородкой.
Предпочтительно, упомянутый каркас катушки имеет поперечное сечение, имеющее четырехугольную форму со скругленными углами, внутреннюю поверхность, наружную поверхность, и две боковые поверхности.
Преимущественно, по меньшей мере, одна из поверхностей каркаса катушки содержит упомянутый вырез, содержащий, по меньшей мере, два паза, отделенных перегородкой. В частности, по меньшей мере, одна из двух боковых поверхностей каркаса катушки содержит, по меньшей мере, два паза, отделенных перегородкой. Предпочтительно, две боковые поверхности каркаса катушки содержат, по меньшей мере, два паза, отделенных перегородкой.
Предпочтительно, упомянутое поперечное сечение каркаса катушки кольцевой катушки индуктивности имеет, по существу, трапециевидную форму со скругленными углами. Преимущественно, внутренняя поверхность и наружная поверхность каркаса катушки с трапециевидной формой образуют прямой угол плюс или минус 8-20 градусов относительно двух боковых поверхностей.
Предпочтительно, каркас катушки содержит ребра, распределенные по пазам для того, чтобы поддержать перегородку.
В одном конкретном варианте осуществления каркас катушки создан на основе аморфной смолы с температурой перехода в стеклообразное состояние выше, чем 200°C. Предпочтительно, упомянутая смола заполнена бусинками или стеклянным волокном размером меньшим, чем 200 мкм. Предпочтительно, упомянутая смола заполнена от 20% до 50%.
Устройство для электрического измерения и защиты для прерывателя, содержащий блок обработки данных для принятия сигналов, характеризующих электрический ток в соответствии с настоящим изобретением, содержит датчик измерения, такой как определен в данном документе выше, соединенный с блоком обработки данных для того, чтобы выдавать токовый сигнал, характеризующий ток, протекающий в электрическом проводнике.
Электрический прерыватель в соответствии с настоящим изобретением, содержащий, по меньшей мере, один главный контакт для прерывания тока в электрической цепи, механизм управления открытием упомянутого электрического контакта и устройство измерения и защиты, обеспечивающее управляющий сигнал к упомянутому механизму управления, содержит измерительный датчик, такой как определен в данном документе выше, соединенный с блоком обработки данных упомянутого устройства измерения и защиты.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и признаки станут более очевидными из описания, которое следует из конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, выполненного с помощью неограничивающих примеров и изображенного на прилагаемых чертежах, на которых:
Фиг. 1 - вид поперечного сечения каркаса кольцевой катушки индуктивности в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 - вид сверху каркаса катушки с Фиг. 1 в соответствии с разновидностью первого варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 - вид поперечного сечения каркаса кольцевой катушки индуктивности в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 и 5 - виды в перспективе, показывающие верхнюю часть и нижнюю часть каркаса катушки с Фиг. 3 в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения; и
Фиг. 6 - схематическое изображение электрического прерывателя, содержащего датчик в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Фиг. 1 изображает вид поперечного сечения каркаса 1 кольцевой катушки индуктивности в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Каркас катушки выполнен из немагнитного материала такого, как формованный жесткий пластик. Вторичная обмотка 5 будет намотана на каркас катушки для того, чтобы выдавать электрический выходной сигнал от датчика Роговского. Обмотка покрывает целую окружность каркаса катушки, однако, для того, чтобы показать структуру каркаса катушки, на Фиг. 1 показан только один виток. Упомянутый каркас 1 катушки содержит, по меньшей мере, один наружный вырез, распределенный по длине или окружности тела каркаса катушки. Упомянутые вырезы 2 содержат, по меньшей мере, два паза 3, разделенные перегородкой 4.
Высота перегородки 4 участвует в определении поперечного сечения каркаса катушки и предотвращает расплющивание провода обмотки в пазу при обращении с кольцевой катушкой индуктивности. Упомянутые пазы являются исключительно пустыми пространствами, используемыми, чтобы задать определенное местонахождение усадке пластического материала во время литья под давлением в области, которая не имеет воздействия на поперечное сечение витков. Таким образом, пазы позволяют устранить воздействие усадки пластического материала после литья под давлением. С данным вырезом колебания размеров между этапом литья под давлением и этапом окончательного изготовления значительно снижены.
Форма поперечного сечения может быть овалом, кругом, но, предпочтительно, с четырьмя поверхностями, соответствующими сторонам четырехугольника. Данная форма помогает оператору при обращении с кольцевой катушкой индуктивности во время установки датчика в его защитный кожух и предотвращает разрушение провода обмотки вторичной катушки индуктивности. Предпочтительно, углы четырехугольника скруглены для того, чтобы облегчали намотку провода на каркас катушки.
Поскольку поперечное сечение каркаса катушки имеет форму четырехугольника со скругленными углами, упомянутый каркас катушки имеет внутреннюю поверхность 7, наружную поверхность 8 и две боковые поверхности 9 и 10 датчика.
В случае каркаса катушки, имеющего поперечное сечение четырехугольной формы, по меньшей мере, одна из поверхностей каркаса катушки датчика содержит упомянутый вырез, содержащий, по меньшей мере, два паза 3, разделенных перегородкой 4. Предпочтительно, по меньшей мере, одна из двух боковых поверхностей каркаса катушки датчика содержит, по меньшей мере, два паза, разделенных перегородкой. На Фиг. 1 и 2 пазы находятся на боковой поверхности 9. Для того чтобы получить еще более точные результаты, две боковые поверхности 9 и 10 каркаса катушки датчика содержат, по меньшей мере, два паза 3, разделенных перегородкой 4. Фиг. 3 изображает вид поперечного сечения каркаса кольцевой катушки индуктивности в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, содержащего пазы на двух боковых поверхностях 9 и 10. Фиг. 4 и 5 изображают виды в перспективе каркаса катушки в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения. На этих чертежах каркас катушки еще содержит выступ 12, предусмотренный для закрепления выводов вторичной обмотки 5, когда она намотана на каркас 1 катушки.
В одном конкретном случае, упомянутое поперечное сечение каркаса 1 катушки четырехугольной формы имеет, по существу, трапециевидную форму со скругленными углами. Трапециевидная форма, в частности, дает возможность площади поверхности витка быть оптимальной с учетом расположения кольцевой катушки в прерывателе. Боковые поверхности 9 и 10 предпочтительно параллельны.
Предпочтительно, внутренняя поверхность и наружная поверхность каркаса катушки трапециевидной формы образуют прямой угол A или B 90 градусов плюс или минус от 8 до 20 градусов относительно боковых поверхностей 9 и 10. Поперечное сечение каркаса кольцевой катушки трапециевидной формы с углом в диапазоне между 5° и 20° позволяет получить наибольшую возможную площадь поверхности для витка с учетом механических связей.
Вид сверху каркаса катушки, изображенного на Фиг. 2, показывает два паза 3 и перегородку 4, выполненные по каркасу кольцевой катушки на одной из боковых поверхностей 9. В данном варианте осуществления каркас катушки содержит ребра 11, распределенные вдоль пазов 3 для того, чтобы поддержать перегородку 4.
В добавление к ограничению усадки материала с помощью формы каркаса катушки и наличия наружных пазов по периметру упомянутого каркаса катушки, датчик в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно, имеет каркас катушки, состоящий из аморфной смолы с температурой (Tс) перехода в стеклообразное состояние выше, чем 200°C. Аморфная природа позволяет, по существу, уменьшить усадку литья под давлением и способствует лучшему размерному регулированию литого элемента. Таким образом, такой материал обеспечивает постоянный и предсказуемый КЛТР (Коэффициент Линейного Теплового Расширения) в температурном диапазоне от -40°C до 180°C. Поскольку коэффициент линейного теплового расширения КЛТР очень низкий, близкий к меди, можно гарантировать высокую точность измерения ≤1% даже в случае колебаний температуры.
Преимущественно, упомянутая смола каркаса катушки наполнена бусинками или стеклянным волокном размером меньше, чем 200мкм. Заполнение или упрочнение материала позволяет уменьшить коэффициент линейного теплового расширения КЛТР для того, чтобы достичь значения, близкого тому, что у меди, используемой для обмотки вторичной катушки. Для того чтобы получить коэффициент формы близкий к 1, бусинки и стеклянное волокно должны быть ультракороткими порядка от 50мкм до 10мкм. Они будут, таким образом, давать возможность получить практически изотропный коэффициент линейного теплового расширения КЛТР для элемента в любом направлении. Предпочтительно, упомянутая смола заполнена от 20% до 50% с конкретным предпочтением около 30%.
Фиг. 6 иллюстрирует схематическое изображение электрического прерывателя 20, содержащего датчик 20 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, связанного с устройством измерения и защиты. Электрический прерыватель 20 содержит, по меньшей мере, один главный контакт 13 для прерывания тока I в электрической цепи, механизм 14 для управления открытием упомянутого электрического контакта 13 и устройство измерения и защиты для подачи управляющего сигнала D к упомянутому механизму 14 управления. Прерыватель также содержит электрические клеммы 16 питания для подключения к внешним электрическим проводам и внутренние соединяющие провода 17 между главным контактом 13 и клеммами 16. По меньшей мере, один датчик 21 тока, такой, как описан в данном документе выше, расположен вокруг провода 17 первичной обмотки прерывателя такого, как соединяющий провод 17 между клеммой 16 и главным контактом 13. Датчик 21 тока соединен с блоком 18 обработки данных устройства 15 измерения и защиты для того, чтобы подать сигналы I-е, характеризующие электрический ток I, проходящий в проводе первичной обмотки. Таким образом, блок обработки данных принимает сигналы I-е, характеризующие электрический ток, от датчика 21, осуществляет обработку сигналов тока, выполняет функции защиты и сигнализации и, при необходимости, подает запускающий сигнал или команду D к механизму 14 для открывания контактов 13 прерывателя.
В прерывателе на Фиг. 6 датчик 21 имеет каркас 1 катушки в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения с вырезами на боковых поверхностях 9 и 10, причем каждый вырез содержит два паза 3 и перегородку 4. Вторичная обмотка 5 соединена с входом блока 18 обработки данных для того, чтобы подавать сигнал I-е измерения тока. Блок обработки данных может также принять сигнал V-е измерения напряжения от первичного провода 17. В данном случае блок обработки данных может также осуществить обработку данных и расчет энергии и/или электрической мощности с очень высокой точностью.
На Фиг. 6 прерыватель показан только с одной фазой или полюсом. Однако настоящее изобретение также применяется для многополюсных прерывателей, особенно для трехфазных прерывателей. В данном случае каждый защищаемый полюс содержит датчик тока такой, как описан в данном документе выше.
Устройство 15 измерения и защиты, содержащий датчик 21 и блок 18 обработки данных, может быть электронным пусковым устройством для прерывателя, а также реле или модулем защиты и/или измерительным модулем мощности и/или электрической энергии.