устройство для измерения переменного тока

Формула изобретения

1. Устройство для измерения переменного тока, содержащее трансформатор тока с первичной обмоткой, включаемой последовательно в цепь измеряемого тока, и вторичной обмоткой, а также сопротивление нагрузки, причем начало вторичной обмотки трансформатора тока подключено к первому выводу сопротивления нагрузки, отличающееся тем, что в него введен управляемый напряжением источник напряжения, имеющий входной, выходной и общий зажимы, причем второй вывод сопротивления нагрузки заземлен и подключен к общему зажиму упомянутого источника напряжения, первый вывод сопротивления нагрузки подключен также к входному зажиму источника напряжения, а конец вторичной обмотки подключен к выходному зажиму источника напряжения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляемый напряжением источник напряжения выполнен в виде неинвертирующего операционного усилителя с делителем напряжения в цепи отрицательной обратной связи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике электрических измерений и предназначено для электронных измерительных устройств, которые могут найти применение в электронных счетчиках электроэнергии, аварийных регистраторах переходных процессов в энергосистемах, системах сбора данных автоматизированных систем управления электрических станций и подстанций.

Известно применение для измерения переменного электрического тока трансформаторов тока (фиг.1), имеющих первичную обмотку, включенную последовательно в цепь измеряемого тока, и вторичную обмотку, замкнутую на сопротивление нагрузки. Принцип действия и основные характеристики измерительных трансформаторов тока приведены, например, в работах:

- В.В.Афанасьев, Н.М.Адоньев, В.М.Кибель, И.М.Сирота, Б.С.Стогний. Трансформаторы тока. - М.: Энергоатомиздат (1980).

- Измерительные трансформаторы тока. Техническая информация НПП Гаммамет "Гаммамет информ 3 (1999)".

В этом случае для относительно небольшой мощности нагрузки, что характерно для электронных измерительных устройств, уменьшение габаритных размеров трансформатора тока возможно лишь за счет увеличения допустимой погрешности измерения (главным образом фазовой).

Известно также устройство для измерения переменного тока повышенной точности, выполненное по схеме фиг.2. Его описание опубликовано в работах:

- Трансформатор тока. Заявка Японии №48-29085 от 12.02.1969. Автор Томода.

- М.В.Ольшванг, П.И.Громов. Активные измерительные трансформаторы для систем промышленной автоматики. В сб. «Автоматическое регулирование и управление в энергосистемах». Под общей ред. Г.Р.Герценберга. Труды ВЭИ. - М.: Энергия, 1980.

В этом устройстве для снижения наводимой в обмотках э.д.с. трансформатор тока 1 содержит первичную обмотку 2 и две вторичных обмотки 3 и 5. Первая вторичная обмотка 3 подключена к входу усилителя 6 с большим коэффициентом усиления К, а вторая вторичная обмотка 5 включена последовательно между сопротивлением нагрузки 4 и выходом усилителя 6. В этой схеме напряжение, необходимое для протекания тока по суммарному сопротивлению нагрузки и вторичной обмотки 5, развивается усилителем. При большом коэффициенте усиления усилителя и большом его входном сопротивлении напряжение на его входе, практически равное э.д.с. вторичной обмотки 3, во много раз меньше выходного напряжения, поэтому э.д.с., наводимые в обмотках трансформатора 1, очень малы. Соответственно малым будет и магнитный поток в сердечнике трансформатора тока, за счет чего обеспечивается малая погрешность передачи тока.

Однако данное устройство обладает двумя существенными недостатками. Во-первых, наличие двух вторичных обмоток увеличивает трудоемкость изготовления и стоимость трансформатора тока. Для малогабаритных трансформаторов это является также препятствием для снижения габаритов вследствие технологических ограничений минимально допустимого диаметра обмоточных проводов. Во-вторых, при большом коэффициенте усиления усилителя, требуемом для получения малых значений магнитного потока в сердечнике трансформатора тока, существенно усиливается смещение усилителя по постоянному току. Это приводит к появлению постоянной составляющей в выходном сигнале и подмагничиванию трансформатора тока постоянным током. Последнее резко ухудшает точность передачи сигнала через трансформатор тока. Для устранения этого дефекта в практических схемах усилитель приходится охватывать дополнительной частотно-зависимой обратной связью. Это усложняет измерительную схему и существенно ухудшает ее динамические характеристики, создавая проблемы с обеспечением устойчивости схемы, что делает это устройство практически неприменимым.

В качестве прототипа принято устройство, выполненное по схеме фиг.1, как наиболее близкое по совокупности признаков.

Целью настоящего изобретения является снижение погрешности трансформатора тока при заданных габаритах или снижение габаритных размеров и массы трансформатора тока при заданной погрешности без добавления дополнительной обмотки и без ухудшения динамических характеристик измерительной схемы.

Для пояснения средств достижения поставленной цели на фиг.1 а, b, с приведены схема устройства-прототипа с активной нагрузкой, его схема замещения, приведенная к вторичной стороне трансформатора тока, и векторная диаграмма токов и напряжений в ней. Как уже указывалось, для относительно небольшой мощности нагрузки минимально возможные габаритные размеры трансформатора тока тем больше, чем меньше допустимая погрешность измерения (главным образом фазовая). Кроме того, габаритные размеры трансформатора тока определяются требуемой длительностью и амплитудой апериодического переходного процесса, который может быть передан трансформатором тока без насыщения его сердечника. По обоим критериям определяющим фактором является величина магнитного потока в сердечнике, пропорциональная наводимой на вторичной обмотке трансформатора тока э.д.с. Эта э.д.с. при заданном токе в основном определяется суммарным падением напряжения на сопротивлении вторичной обмотки и сопротивлении нагрузки.

Трансформатор тока 1 с первичной обмоткой 2 и вторичной обмоткой 3 нагружен на активное сопротивление RL 4. В схеме замещения цепь намагничивания трансформатора тока представлена комплексным сопротивлением Z с углом потерь . Э.д.с. намагничивания Е равна суммарному падению напряжения от вторичного тока 12 на активном сопротивлении вторичной обмотки R _w, ее индуктивном сопротивлении рассеяния X _s и сопротивлении нагрузки R_L. Эта э.д.с. создается нескомпенсированным магнитным потоком Ф ₀, опережающим Е на 90°. В свою очередь этот поток определяется реактивной составляющей тока намагничивания I _р. Приведенный полный первичный ток I ₁ равен векторной сумме вторичного тока (-I ₂) и полного тока намагничивания I с учетом угла потерь . Из фиг.1 с видно, что угловая погрешность 5 определяется величиной тока намагничивания, необходимого для создания потока Ф₀, создающего требуемую э.д.с. Е . Таким образом, для снижения угловой погрешности трансформатора тока требуется снижение э.д.с. намагничивания. Амплитудная погрешность при этом имеет меньшее значение, поскольку она может быть легко скомпенсирована коррекцией числа витков вторичной обмотки.

В предлагаемом устройстве поставленная цель достигается снижением э.д.с., наводимой на вторичной обмотке трансформатора тока, за счет включения последовательно с этой обмоткой источника напряжения, пропорционального напряжению на сопротивление нагрузки, и направленного встречно этому напряжению.

Для пояснения сущности изобретения на фиг.3 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг.4 - пример ее конкретной реализации с использованием неинвертирующего операционного усилителя; на фиг.5 - схема замещения устройства по фиг.3, 4; на фиг.6 - векторная диаграмма для схемы на фиг.5.

Трансформатор тока 1 имеет первичную обмотку 2, включенную последовательно в цепь измеряемого тока I1, и вторичную обмотку 3, первый вывод (начало) которой подключен к первому выводу заземленной нагрузки 4, а второй вывод (конец) этой обмотки - к выходному зажиму источника напряжения 7, управляемого напряжением, (ИНУН), входной зажим которого также подключен к первому (незаземленному) выводу нагрузки 4. Второй вывод нагрузки 4 заземлен и соединен с общим зажимом источника напряжения 7. Выходное напряжение ИНУН 7 V _k пропорционально падению напряжения на нагрузке (выходному сигналу V_out): V_k =K·I₂·R_L . При этом коэффициент передачи ИНУН 7 К принимается больше 1, чтобы учесть падение напряжения не только на нагрузке, но и на включенном последовательно с ним активном сопротивлении обмотки.

На фиг.4 показана схема в соответствии с фиг.3, в которой ИНУН 7 реализован в виде неинвертирующего операционного усилителя 8, имеющего неинвертирующий вход 9 и инвертирующий вход 10, с делителем на сопротивлениях 11 (R₁) и 12 (R₂) в цепи отрицательной обратной связи (инвертирующий вход 10 усилителя 8). Коэффициент передачи такого усилителя от неинвертирующего входа 9 на выход V _k определяется соотношением K=(1+R₁ /R₂).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При отсутствии тока в первичной обмотке 2 напряжения на обеих обмотках трансформатора 1 отсутствуют, ток в нагрузке 4 равен нулю, потенциалы на входе 9 усилителя и на его выходе нулевые. При протекании по первичной обмотке 1 переменного тока создаваемый этим током магнитный поток наводит э.д.с. в обмотках. Под действием э.д.с. вторичной обмотки 3 в нагрузке 4 протекает переменный ток I2, который создает на сопротивлении нагрузки падение напряжения Vout=I2*RL. Это напряжение поступает на вход 9 усилителя, в результате чего на выходе усилителя появляется напряжение Vk=I2*RL(1+R1/R2). Результирующая разность напряжений на выводах обмотки 3 равна при этом (Vout-Vk)=-I2*RL*R1/R2. С учетом падения напряжения на сопротивлении вторичной обмотки ее э.д.с. намагничивания Е будет равна

E =(Vout-Vk)+I2*(R_w+jX _s)=I2*[jX_s+(R_w -RL*R1/R2)].

Из фиг.6 видно, что вектор э.д.с. намагничивания Е теперь определяется разностью между суммарным падением напряжения во вторичной цепи (R_w, X _s и R_L), которое определяло эту э.д.с. в схеме фиг.1, и напряжением компенсации V_k на выходе усилителя. В результате вектор Е уменьшается по амплитуде и, что очень важно, поворачивается в сторону опережения (против часовой стрелки на фиг.6). При этом, как видно из фиг.6, существенно уменьшается фазовая погрешность . При достижении углом поворота вектора Е значения _k=(90°- ) вектор намагничивающего тока I совмещается по направлению с вектором вторичного тока I₂, и фазовая погрешность становится нулевой. Это происходит при значении коэффициента передачи усилителя К=К₀, несколько меньшем, чем его предельное значение К_макс=(1+R_w /R_L), соответствующее полной компенсации активных сопротивлений вторичной цепи

К ₀=К_макс(1-X_s sin /(R_L+R_w)).

Превышение значения К_макс ведет к неустойчивости усилителя.

Для иллюстрации эффективности предлагаемого технического решения рассмотрим возможность снижения угловой погрешности малогабаритного трансформатора тока типа ТТ4007, выпускаемого фирмой Гаммамет (г.Екатеринбург) (http://www.gammamet.ru/russian/rus_nav.htm). Трансформатор выполнен на высококачественном магнитопроводе из аморфного железа типа ГМ501 с начальной относительной магнитной проницаемостью _нач=300000. Основные параметры трансформатора приведены в табл.1.

Таблица 1
Основные параметры трансформатора тока ТТ4007
Рабочая частота, Гц	50 (60)
Первичный ток, А	0,025...50
Сопротивление нагрузки, Ом, не более	100
Номинальное число витков	3000
Разброс числа витков, %, не более	±1
Диаметр провода обмотки, мм	0,1
Номинальное сопротивление обмотки. Ом	301
Длина выводов обмотки, мм, не менее	40
Диаметр внутреннего отверстия, мм, не менее	7
Диаметр наружный, мм, не более	30
Высота, мм, не более	18
Масса, г, не более	30

Предельное значение коэффициента компенсации К _макс=1+R_W/R_L =4,01.

В таблице 2 приведены расчетные значения фазовой погрешности при включении трансформатора ТТ4007 по схеме на фиг.6. Погрешности рассчитаны при номинальном сопротивлении нагрузки 100 Ом и различных значениях коэффициента К. Значению К=0 соответствует обычная схема включения ТТ без компенсации.

Таблица 2
Угловая погрешность трансформатора тока ТТ4007 с компенсацией
К	0	2,0	3,0	3,4	3,6	3,8	3,9	3,95	4,002	4,010
, угловых минут	4,236	2,119	1,060	0,637	0,425	0,214	0,108	0,055	0,000	-0,0081

Из табл.2 видно, что уже при К=3,6 (˜0,9 К_макс) угловая погрешность снижается в 10 раз, чем подтверждается эффективность предлагаемого изобретения.

С точки зрения запаса устойчивости оптимальным является диапазон значений К=(0,8..0,95) К _макс.