УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА
CURRENT MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к электротехнике, предназначено для измерения постоянного и пульсирующего электрического тока в трансформаторных схемах 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 шины источника питания.
Технический результат изобретения: 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, выход которого является измерительным выходом устройства, силовой блок выполнен в виде трансформаторного преобразователя, при этом выводы первичной обмотки его трансформатора являются выходами указанного блока для подключения низкочастотного фильтра.
Предпочтительно силовой блок выполнить в виде ключевого трансформаторного преобразователя постоянного напряжения.
Целесообразно силовой блок выполнить с по меньшей мере одним электронным ключом, один вывод которого подключен к первому выводу первичной обмотки трансформатора, второй вывод указанной обмотки и второй вывод электронного ключа соединены соответственно с отрицательным и положительным контактами источника питания, при этом первый и второй выводы первичной обмотки являются первым и вторым выходом силового блока для подключения низкочастотного фильтра.
Целесообразно низкочастотный фильтр выполнить в виде цепочки из последовательно соединенных резистора и конденсатора, причем вторые выводы резистора и конденсатора являются первым и вторым входом указанного фильтра, выход которого образован первым и вторым выводами конденсатора.
Предпочтительно силовой блок выполнить с двумя электронными ключами, второй вывод первичной обмотки трансформатора расположить в средней ее части, один вывод первого электронного ключа подключить к первому выводу первичной обмотки, другой вывод первого электронного ключа и второй вывод первичной обмотки соединенить соответственно с отрицательным и положительным контактами источника питания, один вывод второго электронного ключа подключить к третьему выводу первичной обмотки, а другой его вывод - к отрицательному контакту источника питания, причем первый, второй и третий выводы первичной обмотки трансформатора являются первым и вторым и третьим выходами силового блока для подключения низкочастотного фильтра.
Целесообразно низкочастотный фильтр выполнить содержащим по меньшей мере цепочку из последовательно соединенных резистора и конденсатора и второй резистор, причем вторые выводы резистора и конденсатора являются первым и вторым входом указанного фильтра, третьим входом которого является первый вывод второго резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора.
Целесообразно низкочастый фильтр выполнить с возможностью усиления сигнала.
Сущность изобретения в том, что схему низкочастотного фильтра, содержащую по меньшей мере один или два резистора и конденсатор, подключают к схеме трансформатора с однотактным или двухтактным ключевым преобразователем, к первичной обмотке которого подключены соответственно один или два электронных ключа.
При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна". Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".
На фиг.1 представлено устройство измерения тока в схеме с однотактного трансформаторного преобразователя.
На фиг.2 изображено устройство измерения тока в схеме двухтактного трансформаторного преобразователя.
На чертежах элементы схемы устройства измерения тока имеют следующие обозначения:
1 - силовой блок;
2 - низкочастотный фильтр;
3 - трансформатор;
4 - первый электронный ключ;
5 - первичная обмотка трансформатора 3;
5.1 и 5.2 - одна и другая части вторичной обмотки 5 относительно среднего ее вывода;
6 - второй электронный ключ;
7 - первый резистор низкочастотного фильтра 2;
8 - конденсатор низкочастотного фильтра 2;
9 - второй резистор низкочастотного фильтра 2;
10 - вторичная 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 трансформаторного преобразователя, при этом выводы первичной обмотки 5 его трансформатора являются выходами указанного блока 1 для подключения низкочастотного фильтра 2.
пит
Предпочтительно силовой блок 1 выполнен в виде ключевого трансформаторного преобразователя. Силовой блок 1 включает по меньшей мере один (далее первый) электронный ключ 4, один вывод которого подключен к первому выводу первичной обмотки 5 трансформатора 3, второй вывод указанной обмотки 5 и второй вывод первого электронного ключа 4 соединены соответственно с отрицательным и положительным контактами источника питания U, при этом первый и второй выводы первичной обмотки 5 являются первым и вторым выходом силового блока 1 для подключения низкочастотного фильтра 2.
Низкочастотный фильтр 2 содержит цепочку из последовательно соединенных первого резистора 7 и конденсатора 8, причем вторые выводы первого резистора 7 и конденсатора 8 являются первым и вторым входом указанного фильтра 2, выход которого образован первым и вторым выводами конденсатора 8.
пит
пит
Силовой блок 1 может быть выполнен с двумя (далее первым вторым) электронными ключами 4, 6, второй вывод первичной обмотки 5 трансформатора 3 при этом расположен в средней ее части, один вывод первого электронного ключа 4 подключен к первому выводу первичной обмотки 5, другой вывод первого электронного ключа 4 и второй вывод первичной обмотки 5 соединены соответственно с отрицательным и положительным контактами источника питания U, один вывод второго электронного ключа 6 подключен к третьему выводу первичной обмотки 5, а другой его вывод - к отрицательному контакту источника питания U, причем первый, второй и третий выводы первичной обмотки 5 трансформатора 3 являются первым и вторым и третьим выходами силового блока 1 для подключения низкочастотного фильтра 2.
Для устройства измерения тока на фиг.2 низкочастотный фильтр 2 содержит по меньшей мере цепочку из последовательно соединенных первого резистора 7 и конденсатора 8 и второй резистор 9, причем вторые выводы первого резистора 7 и конденсатора 8 являются первым и вторым входом указанного фильтра 2, третьим входом которого является первый вывод второго резистора 9, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора 8.
Низкочастотный фильтр 2 может быть выполнен с возможностью усиления сигнала (на фиг. не показано).
Применение предлагаемых схем устройства измерения тока (фиг.1 и 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 2) не ограничено вариантами преобразовательных схем на основе электронных ключей. Электронные ключи могут быть заменены на транзисторы, работающие не в ключевом, а в линейном режиме (на фиг. не показано).
Устройство (фиг.1) измерения тока работает следующим образом.
обм
обм
обм
Во время замкнутого состояния ключа 4 входной ток i, протекающий через первичную обмотку 5 трансформатора 3, создает падение напряжения i·R (полярность показана на фиг.1) на резисторе R - эквиваленте омических потерь в первичной обмотке 5. Когда первый электронный ключ 4 разомкнут, падение напряжение на резисторе R равно нулю.
обм
вых
обм
Низкочастотный фильтр 2 выделяет среднее значение напряжения с первичной обмотки 5 трансформатора 3, которое равно сумме напряжений первичной обмотки 5 и резистора R. Так как среднее значение напряжения первичной обмотки 5 равно нулю, то на выходе низкочастотного фильтра 2 будет сигнал U, пропорциональный среднему значению напряжения на резисторе R, а значит, и входному току i.
вых
7
8
7
8
вых
Для того чтобы в выходном сигнале U пульсации напряжения на основной частоте работы первого электронного ключа 4 были малы, необходимо чтобы постоянная времени R·C (R - сопротивление первого резистора 7, С - емкость конденсатора 8) была значительно больше периода основной частоты работы первого электронного ключа 4. Тогда величина напряжения U будет равна
вых
ср
обм
U=i·R,
ср
где i - среднее значение входного тока i.
вых
Таким образом, величина выходного сигнала U пропорциональна среднему значению входного тока i.
обм1
oбм2
обм1
обм2
8
7
9
7
9
9
вых
вых
Работа устройства (фиг.2) происходит аналогично и осуществляется следующим образом. Во время замкнутого состояния первого электронного ключа 4 входной ток i протекает через одну часть (5.1) первичной обмотки 5 трансформатора 3. При замкнутом состоянии ключа 6 ток i протекает через другую часть (5.2) первичной обмотки 5 трансформатора 3. При этом на резисторах R и R, эквивалентах омических потерь в одной (5.1) и другой (5.2) частях первичной 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 второго резистора 9), значительно больше периода основной частоты работы первого и второго электронных ключей 4 и 6, то на выходе низкочастотного фильтра 2 пульсации напряжения U будут малы. Тогда величина напряжения U на выходе низкочастотного фильтра 2 будет равна
ср
cp
обм1
обм2
'
''
где i  и i  - средние значения токов через одну (5.1) и другую (5.2) части первичной обмотки 5 соответственно. При выводе формулы (1) предполагалось, что активные сопротивления первичных обмоток R и R значительно меньше сопротивлений первого и второго резисторов 7 и 9.
обм1
обм2
7
9
ср
ср
'
''
При равенстве сопротивлений резисторов R и R, а также первого и второго резисторов 7 и 9 (R=R) и с учетом, что i=i +i , последняя формула упрощается:
вых
ср
обм1
U=i·R/2.
вых
На измерительном выходе устройства сигнала U пропорционален среднему значению входного тока i.
Предлагаемое изобретения позволяет проводить 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 входного тока в однотактных и двухтактных трансформаторных преобразователях. Устройство было апробировано в источнике бесперебойного электропитания для измерения потребляемого от аккумулятора 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, G05F R1/10, опубл. 17.04.2003 г. - прототип.