ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА В НАПРЯЖЕНИЕ

Полезная модель относится к технике релейной защиты и автоматики электрических систем и может быть использовано для контроля и измерения тока.
Известен преобразователь на основе трансформатора тока, содержащий измерительную обмотку, размещенную на магнитопроводе, охватывающем проводник с первичным током (см. [1], с.11, рис.1.1). Недостатком такого преобразователя являются ограниченный диапазон преобразования и низкие массообъемные показатели.
Известны преобразователи на основе трансформатора тока с расширенным диапазоном преобразования, содержащие дополнительно одну или две одновитковые короткозамкнутые обмотки, выполненные из сплошного слоя электропроводного материала [2, 3]. В таких преобразователях установленная мощность трансформатора тока определяется силовыми короткозамкнутыми обмотками, в которые трансформируется весь первичный ток, а измерительная обмотка, выполненная тонким проводом, мало влияет на массогабаритные показатели устройства.
Недостатком таких устройств является низкая стабильность, обусловленная применением короткозамкнутых обмоток, выполненных из электропроводного материала повышенной удельной проводимости, в частности, из меди. Этот недостаток ограничивает область его применения. Реализация короткозамкнутой обмотки из электропроводных материалов с пониженной удельной проводимостью, обладающих более стабильными электрическими характеристиками, приводит к росту ее сопротивления, уменьшению динамического диапазона и ухудшению массообъемных показателей преобразователя.
Целью полезной модели является повышение стабильности параметров, улучшения массообъемных показателей и расширение области применения преобразователя.
Технический результат достигается тем, что в преобразователе тока в напряжение, содержащим магнитопровод, охватывающий проводник с первичным током, и размещенные на магнитопроводе измерительную и короткозамкнутую обмотки, проводник с первичным током и короткозамкнутая обмотка гальванически связаны и образуют на внутренней стороне магнитопровода общий проводящий участок.
Во втором варианте короткозамкнутая обмотка подключена в разрыв цепи проводника с первичным током.
В третьем варианте короткозамкнутая обмотка образована двумя последовательно включенными участками, выполненными из различающихся удельной проводимостью электропроводных материалов.
В четвертом варианте участок короткозамкнутой обмотки, расположенный на внешней стороне магнитопровода, выполнен из электропроводного материала с пониженной удельной проводимостью.
Создание в известном устройстве на внутренней стороне магнитопровода общего проводящего участка, гальванически связывающего первичную и вторичную силовые цепи, приводит к появлению эффекта вытеснения первичного тока с проводящего участка, расположенного на внутренней стороне магнитопровода, на участок короткозамкнутой обмотки, расположенный на внешней стороне магнитопровода. При этом участок короткозамкнутой обмотки, по которому замыкается вторичный силовой ток, оказывается заметно короче, чем в случае гальванически развязанных двух силовых цепей. Этим обуславливается снижение падения напряжения на короткозамкнутой обмотке и тока намагничивания трансформатора и, как следствие, расширение диапазона рабочих токов и уменьшение габаритов устройства.
При подключении короткозамкнутой обмотки в разрыв цепи первичного тока функцию проводника первичного выполняет участок короткозамкнутой обмотки, расположенный на внутренней стороне магнитопровода. В этом случае коэффициент заполнения окна снижается в 2 раза, и появляется возможность перехода на магнитопровод с меньшими габаритами.
Поскольку в проводимости силового тока участвует только часть короткозамкнутой обмотки, представленная участком на внешней стороне магнитопровода, то за счет варьирования его сечения можно расширить диапазон рабочих токов без ухудшения коэффициент заполнения окна магнитопровода. В свою очередь, сечение второго участка короткозамкнутой обмотки, приходящегося на внутреннюю сторону магнитопровода, может быть уменьшено.
С целью повышения стабильности параметров преобразователя участок короткозамкнутой обмотки, располагаемый на внешней стороне магнитопровода, может быть выполнен из электропроводного материала с пониженной удельной проводимостью и более стабильной электрической характеристикой, чем медь.
Таким образом, предложенное техническое решение, в отличие от известных, обладает повышенным динамическим диапазоном, улучшенными массообъемными показателями, стабильными параметрами измерения и, как следствие, имеет более широкую область применения.
По данным заявителя такое устройство представляется новым и ранее неизвестным.
На фиг.1 приведена схема размещения обмоток в устройстве с объемным короткозамкнутым витком; на фиг.2 - схема размещения в устройстве с разнесенными коротокозамкнутой и измерительной обмотками.
На магнитопроводе 1 тороидальной конструкции (см. фиг.1) размещены многовитковая измерительная 2 и короткозамкнутая 3 обмотки. Короткозамкнутая 3 обмотка выполнена в виде объемного витка, охватывающего измерительную обмотку 2 и магнитопровод 1. Проводник 4 с первичным током гальванически связан с короткозамкнутой обмоткой 3 на протяжении всего участка, расположенного на внутренней стороне магнитопровода 1, и образует общий проводящий участок 5, ограниченный точками 7 и 8. При этом охватывающий внешние стороны магнитопровода 1 второй участок 6 обмотки 3 оказывается подключенным параллельно общему проводящему участку 5.
В устройстве на фиг.2 многовитковая измерительная и одновитковая короткозамкнутая обмотки размещены на разных участках магнитопровода П-образной конструкции. Короткозамкнутая обмотка образована электрическим соединением двух предварительно сформированных заготовок, одна из которых является общим проводящим участком 5, размещенным в окне тороидального магнитопровода 1, а вторая - участком 6, охватывающим внешние стороны магнитопровода 1. К точкам 7 и 8 соединения двух участков 5 и 6 короткозамкнутой обмотки подключены концы «разорванного» проводника 4 с первичным током.
Преобразователь работает следующим образом.
1
2
м
Под действием переменного тока I, протекающего по проводнику 4, в магнитопроводе 1 создается магнитный поток, индуктирующий в цепи короткозамкнутой обмотки 3 ток I. При этом через общее сечение проводящего участка 5, расположенного в окне магнитопровода 1, протекает малый ток намагничивания I:
1
2
м
I-I=I
2
21
22
где I=I+I - полный ток, протекающий через сечение участка 5 обмотки 3.
w
Поскольку проводник 4 и обмотка 3 электрически связаны, то под действием электромагнитной индукции силовой ток вытесняется с проводящего участка 5, расположенного на внутренней стороне магнитопровода, и замыкается по проводящему участку 6 обмотки 3, охватывающему внешние стороны магнитопровода 1. В результате величина э.д.с. E одновитковой обмотки 3 будет определяться падением напряжения на активном сопротивлении уже не всей цепи короткозамкнутой обмотки 3, как в прототипе, а лишь ее части, ограниченной участком 6:
w
6
2
*
E=R I.
6
2
2
где: R - активное сопротивление участка 6 обмотки 3. Величина напряжения U на измерительной обмотке 2 пропорциональна числу ее витков w:
2
w
2
*
U=E w.
м
Активное сопротивление общего проводящего участка 5, по которому замыкается ток намагничивания, не оказывает заметного влияния на параметры устройства. Ток I ограничивается реактивным сопротивлением цепи намагничивания:
м
w
м
I=E/ωL,
где: ω=2πf - круговая частота переменного тока;
м
L - индуктивность намагничивания.
В результате, в преобразователе с гальванически связанными указанным образом короткозамкнутым витком и проводником первичного тока э.д.с. короткозамкнутой обмотки и ток намагничивания оказываются меньше, а динамический диапазон шире, чем в устройстве с гальванически развязанными силовыми цепями.
Через общий проводящий участок 5 протекает ток намагничивания, намного меньший силового тока, следовательно сечение его может быть существенно снижено. Этим обусловлена возможность применения магнитопровода меньшего габарита и повышения массообъемных показателей устройства.
Очевидно, что эффект вытеснения тока на более короткий участок короткозамкнутой обмотки может быть получен и в устройствах с короткозамкнутой обмоткой, нанесенной непосредственно на поверхность магнитопровода. В этом случае, размещенные поверх короткозамкнутого витка, измерительная обмотка и проводник с первичным током должны быть разнесены относительно друг друга, чтобы обеспечить надежное электрическое соединение проводника первичного тока с короткозамкнутой обмоткой.
В отличие от устройства с объемным витком, преобразователь с разнесенными на магнитопроводе 1 измерительной и короткозамкнутой обмотками (см. фиг.2) имеет несколько хуже паразитные параметры, но его конструкция проще и более технологична. При использовании составной конструкции короткозамкнутой обмотки, собранной из двух заготовок, соответствующих упомянутым участкам 5 и 6, со строго выдержанными линейными, а, следовательно, и электрическими параметрами, возрастает точность измерения рабочих токов. Это устройство можно включать непосредственно в разрыв цепи первичного тока. Для этого необходимо подключить концы «разорванного»
проводника 4 к точкам 7 и 8 соединения участков 5 и 6 короткозамкнутой обмотки. В таком устройстве общий проводящий участок 5, выполненный с малым сечением, может занимать меньшую площадь окна магнитопровода 1, чем в устройстве с гальванически развязанными силовыми цепями.
Важно отметить, что, в отличие от всех известных, данное устройство допускает широкое варьирование как линейных, так и электрических параметров составных частей короткозамкнутой обмотки, что расширяет функциональные возможности и область его применения.
В частности, с целью улучшения стабильности параметров измерения, участок 6 короткозамкнутой обмотки, расположенный вне окна магнитопровода 1, может быть выполнен из электропроводного материала с пониженной удельной проводимостью и стабильным температурным коэффициентом сопротивления, к тому же с большим сечением, чтобы не допустить ограничение диапазона рабочих токов. А участок 5, по которому протекает малый ток намагничивания, может быть выполнен из электропроводного материала с высокой удельной проводимостью и предельно малого сечения, чтобы уменьшить габариты магнитопровода. Таким образом, достигается повышение стабильности в широком диапазоне рабочих токов и улучшение массообъемных показателей устройства.
Данное устройство обладает расширенными функциональными возможностями и имеет более широкую область применения, чем известные аналоги.
Список литературы
1. Казанский В.Е. Измерительные преобразователи тока в релейной защите. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
2. А.с. №1347025 (Россия). Преобразователь тока в напряжение /Е.В.Сидиряков, Ю.Я.Лямец, В.Н.Козлов. - Опубл. В БИ 1987, №39.
3. Патент №2067330 (Россия). Преобразователь тока в напряжение /Е.В.Сидиряков, В.Ф.Ильин, Ю.Я.Лямец. - Опубл. В БИ 1996, №27 (Прототип).