ДАТЧИК БОЛЬШИХ ТОКОВ

Назначение
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к датчикам для бесконтактного измерения параметров тока в токонесущем проводнике и может быть использована потребителями для измерений электроэнергии большой мощности, например, в сетях распределения электроэнергии.
Уровень техники
Известно применение резистивных датчиков (шунтов) для измерения больших токов (постоянных и переменных) в диапазоне до нескольких десятков килоампер («Современная электроника», октябрь, 2004 г.). Они дешевы, имеют линейные характеристики. Однако, им присущи потери, вносимые в цепь измерений, отсутствует гальваническая развязка, присутствуют саморазогрев и термо ЭДС. В процессе работы шунты выгорают, а это приводит к снижению точности измерений и остановке работ.
Известно использование датчиков Холла для измерения переменного и постоянного токов, главным преимуществом которых является отсутствие вносимых потерь и наличие гальванической развязки от цепи измеряемого тока. Например, известны датчики больших токов на базе эффекта Холла серии NCS, выпускаемые компанией ABB Entrelec («Силовая электроника», 43 №3, 2006), предназначенные для измерения токов от 2-х до 40 кА. Конструкция этих приборов не имеет магнитопровода и содержит несколько элементов Холла, сигналы с которых обрабатываются суммирующим усилителем. Несмотря на то, что эти датчики легки и не имеют проблем с рассеянием тепла, они имеют пониженную чувствительность и помехоустойчивость из-за отсутствия концентратора магнитного поля - магнитопровода и не пригодны для точных измерений.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является датчик сильных токов по изобретению фирмы LEM (Патент Швейцарии СН 677034 от 07.12.1987), который содержит замкнутый прямоугольный магнитопровод, имеющий воздушный зазор, в котором помещен датчик Холла. На одном из плеч магнитопровода размещена катушка индуктивности, с помощью которой осуществляется компенсация первичного магнитного потока, создаваемого исследуемым проводником с током, что в результате позволяет датчику работать даже при перегрузочных значениях первичного тока. В состав датчика входит печатная плата, на которой реализованы электрические схемы источника электропитания датчика Холла и усилителя, питающего компенсационную катушку. Катушка индуктивности и датчик Холла подсоединены к соответствующим контактам печатной платы. Значительную часть печатной платы занимает металлизированная область, служащая для рассеяния тепла, выделяющегося на плате.
К недостаткам датчика следует отнести то, что при монтаже или демонтаже такого датчика тока проводник либо необходимо разрывать, либо протаскивать через отверстие в магнитопроводе. Кроме того, у датчика нет средств для отвода тепла от катушки индуктивности и магнитопровода, а именно они и являются источниками тепловыделения, что негативно отражается на точности измерений. Также отсутствуют средства калибровки датчика для метрологических регламентных работ. Поэтому регламентные работы приходится проводить со снятием датчика и прекращением функционирования ответственных энергопотребителей на время этих работ, что для таких потребителей, как, например, электролизерные ванны для получения алюминия или меди - неприемлемо. То есть, недостатки прототипа - невысокая точность измерений и затруднительные условия эксплуатации и технического обслуживания.
Раскрытие полезной модели
Целью заявляемой полезной модели является создание датчика больших токов, предназначенного для бесконтактного измерения токов (до 25 кА) в силовых проводах и шинах с высокой точностью и улучшенными условиями эксплуатации, обеспечивающими проведение периодической калибровки датчика прямо на объекте, то есть без снятия с измеряемой шины и отключения потребителей.
Сущность полезной модели заключается:
- во введении новых существенных признаков в конструкцию измерительной рамки: - размещении по одной или более катушек индуктивности на каждой из сторон магнитопровода,
- в наличии в каждой катушке двух обмоток: компенсационной и поверочной,
- в заполнении внутреннего пространства каждой половинки корпуса вместе с магнитопроводом и катушками индуктивности теплопроводящим диэлектрическим компаундом,
- в размещении на измерительной рамке отдельного электронного блока, осуществляющего подачу напряжения питания на датчики Холла и компенсационные обмотки;
- в исполнении датчика в виде двух разнесенных в пространстве конструкций: измерительной рамки и устройства электропитания и индикации, соединенных между собой кабелем;
Полезная модель состоит из двух конструктивных частей: измерительной рамки и устройства электропитания и индикации.
Измерительная рамка имеет прямоугольную или квадратную форму и заключена в корпус из немагнитного материала, который выполнен разъемным, состоящим из двух частей, для возможности монтажа измерительной рамки непосредственно на объекте, с обхватом измеряемого проводника. Таким образом, при монтаже рамки образуется окно, сквозь которое проходит измеряемый проводник (шина). Внутри корпуса заключен замкнутый магнитопровод (концентратор магнитного потока), выполненный из двух П-образных элементов с двумя воздушными зазорами, в которых располагаются датчики Холла, измеряющие магнитное поле, создаваемое током, протекающим по исследуемому проводнику. Датчики Холла закреплены в специальных капсулах с выводом в виде кабеля и разъемом на конце последнего. На магнитопроводе расположено несколько катушек индуктивности с двумя обмотками: компенсационной и поверочной. Причем катушки размещены на всех сторонах магнитопровода, что обеспечивает повышенную помехоустойчивость прибора, независимость показаний от положения токовой шины в измерительной рамке. Все компенсационные обмотки соединены между собой последовательно, также последовательно между собой соединены и поверочные обмотки. С помощью компенсационных обмоток осуществляется постоянная компенсация первичного магнитного потока, создаваемого током в проводнике, позволяющая датчику работать при перегрузочных значениях первичного тока, измерять его мгновенные изменения, а также обеспечивать высокую точность в широком температурном диапазоне. Поверочные обмотки используются для периодических метрологических калибровочных работ. Проведения калибровки датчика без разбора конструкции и снятия измерительной рамки с измеряемой шины обеспечивает, помимо удобства, - сохранение стабильности параметров, так как лишние механические действия с электрическими элементами могут вызвать нестабильность характеристик. В конечном счете, это также положительно отражается на точности измерений.
Боковые грани корпуса выполнены из диэлектрика, лицевые - из теплопроводящего немагнитного металла. Внутреннее пространство каждой половинки корпуса вместе с магнитопроводом и катушками индуктивности заполнено теплопроводящим диэлектрическим компаундом, обеспечивающим передачу тепла от магнитопровода и обмоток к лицевым граням корпуса, выполненным из металла, рассеивающего тепло в окружающую среду. Обеспечение хорошего теплоотвода обеспечивает стабильность электрических характеристик, а значит - обеспечивает высокую точность измерений.
На одной из половин корпуса измерительной рамки установлен электронный блок, на котором закреплен разъем для кабеля, идущего к устройству электропитания и индикации. Электронный блок осуществляет подачу напряжения питания на датчики Холла, и подачу питания (через усилитель мощности) на последовательно соединенные компенсационные обмотки. На боковой грани корпуса измерительной рамки закреплен разъем, к которому подсоединены последовательно соединенные поверочные обмотки.
Размещение электронного блока непосредственно вблизи с датчиками Холла и обмотками позволяет снизить потери мощности сигнала и обеспечить его помехоустойчивость за счет уменьшения длины проводников и площади паразитного контура схемы, что в целом увеличивает точность измерений прибора.
Устройство электропитания и индикации содержит выпрямитель, индикатор полезного сигнала и разъем для подсоединения внешнего записывающего устройства, и располагается на определенном расстоянии от первого блока, в удобном для пользователя месте. Разделение датчика больших токов на две части, разнесенные на значительное расстояние, позволяет убрать из зоны непосредственных измерений большой поток тепла и паразитные поля больших токов выпрямителя, то есть повышает точность измерения.
Таким образом, совокупность всех существенных признаков полезной модели обеспечивает высокую точность измерений и, кроме того, улучшает условия эксплуатации и технического обслуживания.
Перечень графических иллюстраций:
Фиг.1 Функциональная схема датчика больших токов
Фиг.2 Магнитопровод с катушками индуктивности и датчиками Холла
Фиг.3 Конструкция измерительной рамки
Фиг.4 Капсула с датчиком Холла.
Фиг.5 Устройство электропитания и индикации
Выполнение полезное модели
Рассмотрим конкретное исполнение датчика больших токов.
Датчик больших токов (Фиг.1) состоит из двух отдельных конструктивных частей: измерительной рамки 1 и устройства электропитания и индикации 2.
Измерительная рамка содержит замкнутый магнитопровод 3 и катушки индуктивности 4 с последовательно соединенными компенсационными обмотками 5 и поверочными 6. (Фиг.2)
Конструкция измерительной рамки (Фиг.3) включает корпус 7 из немагнитного материала, выполненный разъемным, прямоугольной (или квадратной) формы, состоящий из двух частей 7а и 7б. В собранном состоянии корпус образует прямоугольное сквозное окно для размещения в нем шины с исследуемым током. Замкнутый магнитопровод 3, являющийся концентратором магнитного потока, выполнен из двух П-образных элементов. В зазорах между П-образными элементами магнитопровода размещены датчики Холла 8, измеряющие магнитное поле тока, создаваемое исследуемым проводником. На каждой из сторон магнитопровода 3 размещается по две катушки индуктивности 4. Последовательное соединение компенсационных и поверочных обмоток с двух половин магнитопровода осуществляется с помощью кабелей, соединяющий разъемы, расположенные на гранях рамки, к которым припаяны концы соответствующих обмоток. Внутреннее пространство каждой половины корпуса 7 измерительной рамки 1 вместе с магнитопроводом 3 и катушками индуктивности 4 заполнено теплопроводящим диэлектрическим компаундом эластосилом с наполнителем окисью титана (не показан), обеспечивающим отдачу тепла от магнитопровода и обмоток к лицевым граням корпуса, выполненным из алюминия и рассеивающим тепло в окружающую среду. На одной из лицевых граней измерительной рамки установлен электронный блок 12, на корпусе которого закреплен разъем 13 для крепления кабеля, идущего к устройству электропитания и индикации, два разъема 14 для подключения кабелей от датчиков Холла 8 и разъема 15 для подключения кабелей от компенсационных обмоток 5. На одной из стенок электронного блока закреплен алюминиевый радиатор (не показан) для отвода тепла от находящихся внутри этого блока силовых транзисторов электронной схемы. На боковой грани одной из половинок корпуса измерительной рамки расположен разъем 16, к которому подсоединены концы цепи из восьми последовательно соединенных калибровочных обмоток 6. На обеих лицевых гранях каждой половинки корпуса установлены планки 17 с отверстиями под болты 18 для стягивания половинок корпуса друг с другом. Сборка и установка измерительной рамки 1 вокруг исследуемой шины осуществляется на отдельном столике (не показан), закрепляемом предварительно на шине.
Каждый датчик Холла (Фиг.4) закреплен в диэлектрической капсуле 9 из стеклотекстолита, а его выводы распаяны на кабель 10 с разъемом 11 на конце.
Устройство электропитания и индикации 2 размещено в металлическом ящике прямоугольной формы (Фиг.5). На передней стенке имеется индикатор 19. На одной из боковых стенок размещены разъем 20 для подключения кабеля, идущего на устройство записи показаний, разъем 21 для подсоединения кабеля 22 (длиной до 5 м), идущего от измерительной рамки 1 и разъем 23 для подсоединения устройства к сети переменного тока 220 В 50 Гц. Внутри ящика с устройством электропитания и индикации 2, согласно функциональной схеме (Фиг.1), размещены выпрямитель 24 и сопротивление нагрузки 25. Выпрямитель 24, питаемый от сети переменного тока 50 Гц 220 В, соединен через разъем 21 с генератором постоянного тока 26 и усилителем мощности 27, находящимися в электронном блоке 12 измерительной рамки 1. Усилитель мощности 27 подключен к цепи, состоящей из восьми последовательно соединенных компенсационных обмоток, и к сопротивлению нагрузки 25, которое, в свою очередь, подсоединено к формирователю полезного сигнала 28, который соединен параллельно с индикатором 19 и разъемом 20 для подключения внешнего записывающего устройства. Генератор постоянного тока 24 может быть выполнен по стандартной схеме токового зеркала на двух транзисторах DC847 и двух транзисторах ВС857. Усилитель мощности 27 может быть выполнен на микросхеме AD820 b на транзисторах КР825и КР827 по схеме, приведенной в формуляре на эту микросхему. Выпрямитель 24 - стандартный, например Б5-45. Магнитопровод выполнен из сплава аморфного железа. Боковые грани корпуса выполнены из диэлектрика, лицевые передняя и задняя грани - из алюминия. Замкнутый магнитопровод может быть получен, например, из единого прямоугольного магнитопровода путем разрезания.
Работа по сборке датчика тока проводится следующим образом. Измерительную рамку 1 собирают на столике, заранее укрепленном на исследуемой токовой шине. Для этого половинки корпуса измерительной рамки 7а и 7б стягивают болтами 18, вкручиваемыми в планки 17, предварительно разместив между торцами половинок магнитопровода капсулы 9 с датчиками Холла 8. Затем соединяют все кабели на измерительной рамке. С помощью кабеля 22 соединяют измерительную рамку 1 с ящиком 2 устройства электропитания и индикации.
Описание работы полезной модели
Датчик больших токов работает следующим образом. Переменное напряжение сети 50 Гц, 220 В через разъем 23 поступает на выпрямитель 24, а от него - как к генератору постоянного тока 26, так и усилителю мощности 27. Генератор постоянного тока 26 подает питание на датчики Холла 8, а усилитель мощности 27 - на цепь из последовательно включенных компенсационных обмоток 5 и сопротивления нагрузки 25. Магнитный поток, создаваемый компенсационными катушками, компенсирует магнитный поток от тока, протекающего в изучаемом проводнике. Полезный сигнал, формируемый на сопротивлении нагрузки 25, поступает на формирователь полезного сигнала 28, а с него параллельно на индикатор 19 и разъем 20 для записи показаний. При проведении регламентных метрологических работ метрологическая аппаратура подключается к разъему 16, на который поступает сигнал с поверочных обмоток 6, при этом потребитель тока не отключается, как и сам датчик больших токов.
Датчик больших токов успешно прошел испытания на стадии лабораторного макета и опытного образца на токах до 25 кА.