УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике, предназначена для измерения постоянного и пульсирующего электрического тока в схемах, содержащих трансформатор, и может найти широкое применение в различных областях техники, в том числе в преобразовательной технике, приборостроении, сварочной технике, заменяя традиционные датчики тока (шунты, датчики на основе преобразователей Холла и др.).
Известен датчик тока, состоящий из шунта, операционного усилителя, двух резисторов и одного проволочного резистора [1].
Недостатки известного устройства. В датчике тока используется относительно дорогостоящий измерительный шунт. Из-за того, что шунт устанавливают последовательно в измерительной цепи и через него протекает весь измерительный ток, на нем выделяется значительная мощность, особенно при больших токах. Также из-за этого на нагрузку поступает меньшее напряжение из-за падения напряжения на шунте.
Известны технические решения, в которых для измерения тока используется активное сопротивление катушки индуктивности, исполняющее роль шунта. Для выделения напряжения с активного сопротивления применяется низкочастотный фильтр.
Известно устройство измерения тока, состоящее из двух силовых ключей, катушки индуктивности, пассивного RC фильтра, усилителя и выходного конденсатора [2].
Известное устройство применимо только в схемах импульсных преобразователей понижающего типа, что ограничивает область его использования.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство измерения постоянного тока без дополнительных потерь мощности в измерительной части, содержащее силовой блок в виде катушки индуктивности и подключенный параллельно его выходам низкочастотный фильтр, выход которого является измерительным выходом устройства, причем выводы катушки индуктивности являются выходами указанного блока для подключения фильтра нижних частот, реализованного на операционном усилителе, двух резисторах и конденсаторе [3].
Применение указанного устройства ограничено схемами, содержащими катушку индуктивности. Также выходной измерительный сигнал привязан к выходной плюсовой шине, на практике целесообразнее, если бы он выдавался относительно минусовой (земляной) шины.
Технический результат полезной модели: создание простого универсального экономичного устройства измерения тока без дополнительных потерь мощности в измерительной части с расширением области его применения на схемы содержащие трансформатор.
Технический результат достигается тем, что в устройстве измерения тока, содержащем силовой блок и подключенный параллельно его выходам низкочастотный фильтр, силовой блок выполнен в виде трансформатора с выпрямителем, при этом выводы вторичной обмотки трансформатора являются выходами указанного блока для подключения низкочастотного фильтра.
Силовой блок выполнен предпочтительно с по меньшей мере одним выпрямительным элементом, один вывод которого подключен к первому выводу вторичной обмотки, другой вывод выпрямительного элемента и второй вывод вторичной обмотки соединены соответственно с положительным и отрицательным контактами нагрузки, при этом первый и второй выводы вторичной обмотки трансформатора являются первым и вторым выходами указанного блока для подключения низкочастотного фильтра.
Целесообразно выпрямительный элемент выполнить в виде диода, анод и катод которого являются соответственно одним и другим выводами выпрямительного элемента.
Низкочастотный фильтр включает по меньшей мере цепочку из последовательно соединенных резистора и конденсатора, причем вторые выводы резистора и конденсатора являются первым и вторым входом низкочастотного фильтра, выход которого образован первым и вторым выводами конденсатора.
Предпочтительно силовой блок выполнить с двумя выпрямительными элементами, второй вывод вторичной обмотки трансформатора расположить в средней ее части, один вывод первого выпрямительного элемента подключить к первому выводу вторичной обмотки, другой вывод первого выпрямительного элемента и второй вывод вторичной обмотки соединить соответственно с положительным и отрицательным контактами нагрузки, один вывод второго выпрямительного элемента подключить к третьему выводу вторичной обмотки, а другой его вывод - к положительному контакту нагрузки, причем первый, второй и третий выводы вторичной обмотки трансформатора являются первым и вторым и третьим выходами указанного блока для подключения низкочастотного фильтра.
Целесообразно первый и второй выпрямительные элементы выполнить в виде первого и второго диодов, аноды и катоды которых являются соответственно одними и другими выводами первого и второго выпрямительных элементов.
Предпочтительно низкочастотный фильтр выполнить в виде по меньшей мере цепочки из последовательно соединенных резистора и конденсатора и второй резистор, вторые выводы резистора и конденсатора являются первым и вторым входом низкочастотного фильтра, выход которого образован первым и вторым выводами конденсатора, причем второй резистор первым выводом соединен с первым выводом конденсатора, а его второй вывод является третьим входом указанного фильтра.
Целесообразно низкочастотный фильтр выполнить с возможностью усиления сигнала.
Сущность полезной модели в том, что схему низкочастотного фильтра, содержащую по меньшей мере один или два резистора и конденсатор, подключают к схеме трансформатора с однополупериодным или двухполупериодным выпрямлением, к вторичной обмотке которого подключены соответственно один или два выпрямительных диода.
При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному техническому решению, а, следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию «новизна».
На фиг.1 представлено устройство измерения тока в трансформаторной схеме с однополупериодным выпрямителем.
На фиг.2 изображено устройство измерения тока в трансформаторной схеме с двухполупериодным выпрямителем.
На чертежах элементы схемы устройства измерения тока имеют следующие обозначения:
1 - силовой блок;
2 - низкочастотный фильтр;
3 - трансформатор;
4 - первый диод (первый выпрямительный элемент);
5 - вторичная обмотка трансформатора 3 (5.1 и 5.2 обозначены одна и другая части вторичной обмотки 5 относительно среднего ее вывода);
6 - второй диод (второй выпрямительный элемент);
7 - резистор низкочастотного фильтра 2;
8 - конденсатор низкочастотного фильтра 2;
9 - второй резистор низкочастотного фильтра 2;
10 - первичная обмотка трансформатора 3.
Устройство измерения тока (фиг.1) содержит силовой блок 1 и подключенный параллельно его выходам низкочастотный фильтр 2, выход которого является измерительным выходом устройства. Силовой блок 1 выполнен в виде трансформатора 3 с выпрямителем и включает по меньшей мере один выпрямительный элемент в виде первого диода 4, анод и катод которого являются соответственно одним и другим выводами выпрямительного элемента. Анод первого диода 4 подключен к первому выводу вторичной обмотки 5 трансформатора 3. Катод указанного диода 4 и второй вывод вторичной обмотки 5 соединены соответственно с положительным и отрицательным контактами нагрузки, при этом первый и второй выводы вторичной обмотки 5 трансформатора 3 являются первым и вторым выходами указанного блока 1 для подключения низкочастотного фильтра 2. Устройство измерения тока в этом случае применяется в трансформаторной схеме с однополупериодным выпрямителем.
Низкочастотный фильтр 2 в устройстве измерения тока (фиг.1) выполнен по схеме пассивного RC фильтра и включает по меньшей мере цепочку из последовательно соединенных резистора 7 и конденсатора 8. Вторые выводы резистора 7 и конденсатора 8 являются первым и вторым входом низкочастотного фильтра 2, выход которого образован первым и вторым выводами конденсатора 8.
Устройство измерения тока может быть использовано в трансформаторной схеме с двухполупериодным выпрямителем (фиг.2). При этом второй вывод вторичной обмотки 5 трансформатора расположен в средней ее части, один вывод первого выпрямительного элемента, выполненного в виде первого диода 4, подключен к первому выводу вторичной обмотки, другой вывод первого диода 4 и второй вывод вторичной обмотки 5 соединены соответственно с положительным и отрицательным контактами нагрузки, один вывод второго выпрямительного элемента, выполненного в виде второго диода 6, подключен к третьему выводу вторичной обмотки 5, а другой его вывод - к положительному контакту нагрузки, причем первый, второй и третий выводы вторичной обмотки 5 трансформатора 3 являются первым и вторым и третьим выходами указанного блока для подключения низкочастотного фильтра.
Аноды и катоды первого и второго диодов 4, 6 являются соответственно одним и другим выводами соответственно первого и второго выпрямительного элемента.
В устройстве измерения тока (фиг.2) низкочастотный фильтр 2 включает по меньшей мере цепочку из последовательно соединенных резистора 7 и конденсатора 8 и второй резистор 9, вторые выводы резистора 7 и конденсатора 8 являются первым и вторым входом низкочастотного фильтра 2, выход которого образован первым и вторым выводами конденсатора 8, причем второй резистор 9 первым выводом соединен с первым выводом конденсатора 8, а его второй вывод является третьим входом указанного фильтра 2.
Применение предлагаемых схем устройства измерения тока (фиг.1 и фиг.2) не ограничено указанными вариантами низкочастотных фильтров. Низкочастотные фильтры могут быть выполнены активными и содержать средства усиления сигнала, в том числе с помощью операционных усилителей.
Применение предлагаемых схем устройства измерения тока (фиг.1 и фиг.2) не ограничено вариантами выпрямительных схем на основе диодов. Выпрямители могут быть выполнены на основе схем синхронного выпрямления.
обм
обм
обм
обм
обм
вых
обм
вых
7
8
7
8
вых
Устройство (фиг.1) измерения тока работает следующим образом. Эквивалентная схема вторичной обмотки 5 трансформатора 3 представляет собой собственно вторичную обмотку 5 с нулевым омическим сопротивлением, на которой индуцируется ЭДС с первичной обмотки 10, и резистор R, отражающий активные потери во вторичной обмотке 5. Так как нагрузка подключена к вторичной обмотке 5 трансформатора 3 через выпрямительный первый диод 4, то ток нагрузки i протекает только в один полупериод работы, когда на первом выводе вторичной обмотки 5 трансформатора 3 присутствует положительное напряжение относительно второго вывода. В этот полупериод, протекающий через вторичную обмотку 5 ток нагрузки (i) создает падение напряжения на резисторе R вторичной обмотки 5, величина которого равна i·R (полярность показана на фиг.1). В другой полупериод падение напряжение на резисторе R равно нулю. Низкочастотный фильтр 2 выделяет среднее значение напряжения с вторичной обмотки 5 трансформатора 3, которое равно сумме напряжений вторичной обмотки 5 и резистора R. Так как среднее значение напряжения вторичной обмотки 5 равно нулю, то на выходе низкочастотного фильтра 2 будет сигнал U, пропорциональный среднему значению напряжения на резисторе R, а значит и току нагрузки. Для того чтобы в сигнале U пульсации напряжения на основной частоте работы трансформатора 3 были малы, необходимо чтобы постоянная времени R·C(R - сопротивление резистора 7, C - емкость конденсатора 8) была значительно больше периода основной частоты трансформатора 3. Тогда, величина напряжения Uбудет равна:
вых
cp
обм
U=i·R,
ср
где i - среднее значение тока нагрузки i.
вых
Таким образом, величина выходного сигнала U пропорциональна среднему значению тока нагрузки i.
обм1
обм2
обм1
обм2
8
7
9
7
9
9
вых
вых
Работа устройства (фиг.2) происходит аналогично и осуществляется следующим образом. В один из полупериодов работы выпрямителя ток нагрузки i протекает через первый диод 4 и одну часть (5.1) вторичной обмотки 5, в другой полупериод ток нагрузки i протекает через второй диод 6 и другую часть (5.2) вторичной обмотки 5. При этом на резисторах R и R, отражающих активные потери в указанных частях (5.1 и 5.2) вторичной обмотки 5, создаются падения напряжения, величины которых равны i·R и i·R соответственно (полярность показана на фиг.2). Если постоянная времени, равная C·R·R/(R+R) (R - сопротивление резистора 9), значительно больше периода основной частоты работы трансформатора 3, то на выходе низкочастотного фильтра 2 пульсации напряжения U, будут малы. Тогда величина напряжения U на выходе низкочастотного фильтра 2 будет равна:
,
обм1
обм2
где  и  - средние значения токов через указанные части 5.1 и 5.2 вторичной обмотки 5 трансформатора 3 соответственно. При выводе формулы предполагалось, что активные сопротивления вторичных обмоток R и R значительно меньше сопротивлений первого и второго резисторов 7 и 9.
обм1
обм2
7
9
При равенстве сопротивлений резисторов R и R, а также первого и второго резисторов 7 и 9 (R=R) и с учетом что , последняя формула упрощается:
ср
обм1
Uвых=i·R/2.
вых
На измерительном выходе устройства сигнала U пропорционален среднему значению тока нагрузки i.
Предлагаемая полезная модель позволяет производить измерение тока в устройствах, где измеряемый ток проходит через обмотку трансформатора в один из полупериодов работы. Заявляемое устройство позволяет совершать измерение без дополнительных потерь мощности в измерительной части выходного тока в трансформаторных схемах с однополупериодным и двухполупериодным выпрямлением выходного тока. Устройство было апробировано в инверторном сварочном аппарате для измерения выходного сварочного тока. Испытания подтвердили эффективность заявляемого устройства.
Источники информации:
1. Патент RU 2191391 С2, МПК G01R 19/00 опубл. 20.10.2002 г.
2. Заявка на изобретение KR 20090095783 (А), МПК G01R 19/15; G01R 19/145, опубл. 10.09.2009 г.
3. Патент US 6646450, МПК G01R 19/00, G05FR 1/10, опубл. 17.04.2003 г. - прототип