Датчики тока и потокосцепления

Существующие методы измерения тока можно разделить на две группы:

- методы, основанные на определении падения напряжения на резисторе с тарированным сопротивлением, включенным в цепь измеряемого тока;

- методы, основанные на использовании магнитного поля, создаваемого измеряемым током.

В соответствии с этим датчики тока выполняют в виде измерительных резисторов, магнитодиодных схем, схем с трансформаторами тока.

Датчики потокосцепления выполняют в виде индукционных преобразователей и преобразователей на базе элементов Холла.

20.1. Измерительные резисторы

В качестве мер сопротивления для измерения токов применяются резисторы из манганина, получившие название измерительных резисторов или шунтов. Основными характеристиками шунтов являются номинальный входной ток I_1н и номинальное выходное напряжение U_2н . В соответствии с ГОСТ 8042-93, номинальное падение напряжения на калиброванных шунтах должно быть 75 мВ /35/. Серийно выпускаются шунты типа 75СШС3. Напряжение, снимаемое с шунтов, как правило, усиливается с помощью электронных усилителей. Номинальный ток калиброванных шунтов выбирается из ряда I_1н = а·10 ⁿ , где a - одно из чисел: 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0; 5,0; 6,0; 7,5; n - целое число, равное 0; 1; 2... Сопротивление шунта определяется при разомкнутой измерительной цепи

(I₂ = 0) R_ш = U_2н / I_1н . Измеряемый ток определяется из выражения I₁ = U₂ / R_ш . По точности шунты разделяются на классы: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5. Схема преобразования величины тока якоря в двоичный код описана в /195/.

Приведем ряд схем датчиков тока различного исполнения.

Датчик тока в приводе Кемек. Датчик постоянного тока на базе калиброванного шунта приведен на рис.20.1 /79/.

Рис.20.1

Сигнал с шунта поступает на вход операционного усилителя. На входе усилителя имеется ограничитель, выполненный на выпрямительном мостике V1 - V4 и двух стабилитронах V5 - V6, общая точка которых соединена с нулем (землей). Потенциометр RP1 осуществляет симметрирование усилителя, а потенциометр RP2 - его нулирование (балансировку).

Датчик тока с преобразованием сигнала. В состав датчика тока входит модулятор М, усилитель напряжения переменного тока, демодулятор ДМ, выходной усилитель ДА2. Блок ГТИ - генератор тактовых импульсов. Потенциальное разделение осуществляется с помощью трансформатора. Схема датчика напряжения представлена на рис. 20.2 /67/.

Рис.20.2

20.2. Датчики тока на базе магнитодиодов

Магнитодиоды представляют собой диоды с несимметричным p-n переходом, в котором под действием магнитного поля увеличивается прямое сопротивление перехода и при заданном токе увеличивается падение напряжения на p-n переходе. Чувствительность выпускаемых магнитодиодов S_м.д (вольт/тесла) представлена в приложении (табл.30.20) /27, 61/. Магнитодиоды, чувствительные к направлению магнитного поля (планарные), выпускаются серийно типа ДК303А - ДК303Ж и КД304А1-1 - КД304Ж1-1. Их вольтамперные характеристики для В=0 и В⁺ практически не отличаются от характеристик магнитодиодов серии КД301А - КД301Ж. Характеристика для В^- идет значительло левее характеристики В⁺, рис.20.3.

Рис.20.3

Конструкция и электрическая схема магнитодиодного датчика постоянного тока представлены на рис.20.4 /61, 199/.

Рис.20.4

Датчик состоит из магнитопровода 2, 4 с обмоткой 5 и двух магнитодиодов 1, размещенных в зазорах магнитопровода 4 и соединенных со входом операционного усилителя А1 в цепи обратной связи по току. Обмотка 5 включена в цепь измеряемого тока. Одну часть магнитопровода 2 составляют две параллельные пластины, между которыми расположены два постоянных магнита 3, соприкасающихся одноименными полюсами с каждой их пластин. Другая часть магнитопровода представляет собой тороид с зазорами, в которых размещены магнитодиоды (VD). Тороид находится в диэлектрической обойме 6. Для защиты датчика применяются изоляционные материалы 7. При отсутствии тока в обмотке на магнитодиодах VD1 и VD2 потенциометром R1 задаются одинаковые падения напряжения, определяемые магнитной индукцией в зазорах тороида, получаемой от постоянных магнитов. Выходное напряжение дифференциальной схемы равно нулю. При протекании по обмотке тока изменяется магнитная индукция в зазорах тороида, вследствие чего изменяется падение напряжения на магнитодиодах и на входе дифференциального усилителя А1 появляется напряжение соответствующей полярности, пропорциональное измеряемому току. Таким образом датчик тока реагирует как на величину, так и на направление измеряемого тока. После усиления операционным усилителем напряжение U_вых подается в цепи управления. Резисторы R2, R3, R4, R6 служат для ограничения тока, а R5, R7 - для регулировки коэффициента передачи датчика тока.

Применение магнитодиодов позволило существенно упростить схемное решение датчика постоянного тока и упростить развязку между силовой частью и схемой управления.

Структурная схема датчика тока электропривода ЭТ-6. Структурная схема датчика представлена на рис.20.5 /102/. Датчик имеет разомкнутый магнитопровод, в зазоры которого помещены магнитодиоды Д501 и Д502. Магнитопровод охватывает силовые шины питания якоря электродвигателя.

Рис.20.5

При изменении тока якоря меняется поток в зоне воздушного зазора магнитопровода. Вследствии чего меняется сопротивление магнитодиода и ток через сопротивление R507 или R508_, а следовательно, напряжение, подаваемое на вход усилителя. В диапазоне ± 100 А погрешность U_вых не превышает ± 0,1 % от максимального значения тока. Знак выходного напряжения определяется направлением тока в шине.

20.3. Датчики тока на базе трансформаторов тока

При измерении переменного тока широко используются трансформаторы тока (ТТ) /93, 97, 98/. Во вторичной цепи ТТ, как правило, устанавливается стабильный резистор, падение напряжения на котором выпрямляется и измеряется. На выходе выпрямителя ставится сглаживающий фильтр. Такого типа датчик тока представлен на рис.20.6.

Рис.20.6

Трансформаторный датчик тока, у которого на выходе вторичных обмоток вместо резисторов установлены фильтрующие конденсаторы, а выпрямители зашунтированы стабилитронами описан в /163/. Номинальный первичный ток серийных трансформаторов тока гостирован. Принята следующая шкала: 1; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 75; 80; 100 А. Трансформаторы тока для измерений разделяются на следующие классы точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10. Каждому классу точности соответствует равная ему токовая погрешность в процентах при номинальном первичном токе.

В качестве датчика выпрямленного тока часто применяют трансформаторы постояного тока, представляющие собой нереверсивный магнитный усилитель с подавленными четными гармониками. Принципиальная схема трансформатора постоянного тока (ТПТ) приведена на рис. 20.7 /93, 197/.

Рис.20.7

ТПТ имеет два магнитопровода, на каждом из которых расположены по две обмотки, причем первичные обмотки включены между собой согласно- последовательно, а вторичные обмотки встречно- последовательно. По виткам первичных обмоток протекает измеряемый ток I₁. Вторичные обмотки подключены к источнику переменного напряжения, вторичный ток выпрямляется и подается в измерительную цепь. Выпрямленный вторичный ток I₂ = I₁ w­₁ / w₂. Выходное напряжение датчика тока снимается с резистора R_н .

Датчик тока электропривода “Мезоматик”. Датчик тока, выполненный на двух трансформаторах тока в первичной цепи переменного трехфазного напряжения питания управляемого выпрямителя, представлен на рис.20.8 /79/.

Рис.20.8

Выходное напряжение трансформаторов тока выпрямляется мостовой схемой и через низкочастотный фильтр (R64, R65, С10) подается на повторитель (операционный усилитель А8). Вход повторителя защищен от перегрузок, возможных при бросках тока, ограничителем на стабилитроне V3.

Датчик активного и реактивного тока. Схема датчика симметричного трехфазного тока, позволяющего в симметричной трехфазной цепи одновременно измерять активную и реактивную составляющие тока, представлена на рис.20.9 /74/.

Рис.20.9

Схема содержит два ТТ, измеряющих токи в двух фазах, и трансформатор напряжения, измеряющий напряжение между теми фазами, в которых измеряется ток. Вторичные обмотки трансформаторов подключены к симметричному восьмиполюснику, составленному из четырех пар резисторов R₁, R₂. Трансформаторы тока включены в две противоположные диагонали. От двух других диагоналей напряжение поступает на входные диагонали кольцевых демодуляторов КМА и КМР. С выхода КМА снимается напряжение, пропорциональное Icosj, а с выхода КМР снимается напряжение, пропорциональное Isinj.

Магнитный компаратор. Датчик тока, построенный по принципу магнитного компаратора представлен на рис.20.10. Конструктивно датчик выполнен на ферритовом кольце, охватывающем токопровод фазы. На кольце намотана выходная обмотка ТТ, обозначенная на рисунке w_к. В цепь обмотки w_к включен источник постоянного тока, дроссель L₅ и резистор R₂, шунтированный стабилитроном V₁. Обмотка w_к замкнута на цепочку R₁,C₁. Напряжение с R₁ подано на компаратор D₁.

Рис.20.10

Обмотка трансформатора, с изменяющейся индуктивностью L_к, и конденсатор C₁ создают колебательный контур. При открытии транзистора К₁ или К₂ ток в катушке под действием приложенного напряжения нарастает. При достижении насыщения кольца дифференцирующая цепочка C₁- R₁ вызовет переключение D₁. Полярность приложенного напряжения меняется и начинается перемагничивание сердечника ТТ. При достижении насыщения вновь произойдет переключение D₁. Частота переключений составляет 30 кГц. Постоянная составляющая тока I­_к в обмотке w_к пропорциональна измеряемому току фазы I_a. Сигнал, прорпорциональный измеряемому току, с наложенными на него высокочастотными колебаниями снимается с R₂ и подается на вход операционного усилителя D₂, который формирует синусоидальный выходной сигнал U_т.a , полностью подавляя высокочастотные пульсации.

Датчик тока электропривода “ЭПБ 1”. Датчик тока состоит из двух трансформаторов тока, вторичные обмотки которых соединены последовательно, а ферромагнитные кольца охватывают силовые шины питания, причем вторая шина пропущена через кольца так, чтобы ток шин был направлен согласно. Принципиальная схема датчика представлена на рис.20.11 /79/.

Рис.20.11

На рисунке:

УМ - транзисторный усилитель мощности датчика тока;

ТР1, ТР2 - трансформаторы тока.

Трансформаторы тока имеют равное число витков вторичных обмоток, но отличаются тем, что сечение магнитопровода одного из них (предположим второго) значительно больше и вследствие этого индуктивность обмотки этого трансформатора L₂ значительно больше другой.

Схема датчика состоит из двух узлов:

- узла высокочастотного автогенератора несущей частоты, реализованного на операционном усилителе А5, трансформаторе тока ТР1, усилителе мощности УМ, элементах R37, С13, V21, V22;

- узла фильтра несущей частоты, выполненного на ТР2, операционном усилителе А6, элементах R46, С14, V30. Разнополярное напряжение прямоугольной формы, вырабатываемое автогенератором несущей частоты, прикладывается к последовательно соединенным вторичным обмоткам и резистору R46.

Большая часть высокочастотной составляющей тока протекает по цепи: вторичная обмотка ТР1, резистор R37, эмиттер V30, так как индуктивное сопротивление вторичной отмотки ТР2 велико. Конденсатор С13 обеспечивает режим устойчивой автогенерации. Низкочастотная составляющая тока, пропорциональная ампер-виткам первичной обмотки, протекая по цепи: вторичные обмотки ТР1 и ТР2, резистор R46, - создает падение напряжения на R46 отрицательной полярности, пропорциональное измеряемому току. Конденсатор С14 производит дополнительную фильтрацию низкочастотной составляющей тока. Напряжение с R46 поступает на переключатель полярности для формирования разнополярного сигнала U_дт для регулятора тока и на повторитель А6, который управляет транзистором V30. Отрицательный модуль напряжения датчика тока - êU_дт êснимается с резистора R49.

Ячейка датчика тока ДТ-3АИ. Ячейка ДТ-3АИ принадлежит к унифицированной блочной системе регуляторов УБСР-АИ /96/. Ячейка предназначена для формирования и ввода в систему регулирования аналогового сигнала, пропорционального измеряемому току с гальваническим разделением входной и выходной цепей. Датчик построен по принципу МДМ (модуляция - демодуляция), причем после модулятора и разделительного трансформатора имеется промежуточный усилитель переменного тока. Входное напряжение 75 мВ.

Передаточная функция датчиков тока. Датчик тока может быть описан передаточной функцией типа

W_дт = k_дт / (1 + pT­­_дт), (20.1)

где k_дт - коэффициент передачи датчика тока, T­­_дт - постоянная времени цепи датчика тока.

20.4. Индукционные преобразователи

Индукционные преобразователи основаны на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому при изменении потокосцепления контура в нем наводится ЭДС, равная e = - dY/dt. В общем случае индукционный преобразователь представляет собой катушку с сердечником. Для неподвижной катушки в переменном магнитном поле, например, при

B = B_m coswt, имеем

e = wwSB_m sinwt. (20.2)

Измерительная обмотка, выполненная по схеме обмотки статора и наклеенная на клинья пазов статора, использовалась для измерения магнитного потока /91/. Индукционные преобразователи различного конструктивного исполнения представлены в /27/.

20.5. Преобразователи Холла

Основное применение датчики Холла находят для измерения магнитных полей в очень широком диапазоне напряженности магнитного поля: от 1 до 10⁹ А. При измерениях средних значений напряженности (порядка 10⁵ А) требуется усиление выходного напряжения датчика. Эффект Холла выражается в появлении разности потенциалов на гранях пластинки по оси Y при протекании тока по пластинке вдоль оси Х и пересечении пластинки магнитным полем, силовые линии которого пронизывают пластинку по оси Z. Напряжение, снимаемое с датчика Холла, равно/179/

U_y = - (k_x /c)I_x B_z , (20.3)

где k_x - коэффициент Холла, с - толщина пластинки датчика Холла.

Преобразователи (датчики) Холла выполняются в виде пластинок толщиной 0,1 - 0,2 мм из полупроводниковых материалов. Преобразователи Холла характеризуются чувствительностью к магнитной индукции S_В , которая при номинальном токе лежит в пределах 0,03 - 1,0 вольт/тесла, табл.30.21, /27/. ЭДС датчика Холла усиливается и подается на измерительную систему. Входное сопротивление датчика R_вх это сопротивление между токовыми электродами. Погрешность линейности преобразователей Холла в диапазоне индукции 0 - 2 Т составляет (0,1 - 1) %. Датчики Холла очень чувствительны к колебаниям температуры, нуждаются в стабильном питании и сложных измерительных схемах.

Очевидно, что датчики Холла, кроме измерения магнитных полей, могут использоваться и для измерения токов. Однако малое значение выходного сигнала препятствует их широкому применению для этих целей.