double arrow
Датчики тока и датчики напряжения

Датчики тока и датчики напряжения осуществляют преобразование текущих значений тока и, соответственно, напряжения (в контролируемой цепи) в электрический сигнал, у которого носителем информации обычно является напряжение. В датчиках может предусматриваться гальваническая развязка выходной (слаботочной) цепи от входной (силовой) цепи, а также нормирование сигнала (приведение его значений к определенной области, например, к напряжению из диапазона 0…10 В). В состав такого датчика входят следующие функциональные части: чувствительный элемент (первичный измерительный преобразователь), устройство гальванической развязки (потенциальный разделитель), усилительные устройства. Обобщенная структурная схема датчика тока и датчика напряжения показана на рис. 8.22.

 
 


На схеме обозначены:

ЧЭ – чувствительный элемент (первичный измерительный преобразователь – шунт, трансформатор тока в датчиках тока; делитель напряжения, измерительный трансформатор напряжения в датчиках напряжения);

ВУ – входной усилитель;

ПР – потенциальный разделитель;

НУ – нормирующий усилитель;

ЭЦ – контролируемая датчиком электрическая цепь;

ПИ – приемник информации (например регулятор системы управления автоматизированного электропривода).

Подключение чувствительных элементов к электрической цепи с нагрузкой (RH, ZH) показано на рис. 8.23.



Шунт (RШ на рис. 8.23а) представляет собой резистор с двумя токовыми и двумя потенциальными зажимами. С помощью токовых зажимов шунт подключают в разрыв (рассечку) контролируемой цепи. Напряжение, пропорциональное току контролируемой цепи, с потенциальных зажимов шунта подается на входной усилитель (ВУ) датчика тока и усиливается им в 100…200 раз. Линейная зависимость напряжения от тока обеспечивается при большом входном сопротивлении ВУ.




Классы точности шунтов: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 05. Номинальные токи в пределах от 0,5 А до 7500 А. Номинальное падение напряжения на шунте составляет 75 мВ (это напряжение между потенциальными зажимами, когда по шунту протекает ток, равный номинальному току шунта).

Делитель напряжения в виде последовательного соединения резисторов R1 и R2 (рис. 8.23а) подключают под полное контролируемое напряжение. Выходное напряжение делителя, пропорциональное контролируемому напряжению, снимается с резистора R2. ВУ исполняет роль согласующего элемента, обладая высоким входным сопротивлением.



Измерительный трансформатор переменного тока (ТА) применяют вместо шунта (рис. 8.23б), что позволяет: уменьшить потери энергии, возникающие в процессе ее преобразования; реализовать гальваническую развязку между цепями; повысить безопасность эксплуатации; уменьшить габариты и массу датчика. Режим работы выбирают близким к режиму короткого замыкания (разрыв вторичной цепи приводит к аварийному режиму). Усилитель (ВУ) с малым входным сопротивлением подключают к вторичной цепи трансформатора тока через выпрямитель.

Трансформаторы тока изготовляют на номинальные первичные токи в диапазоне от 0,1 А до 40000 А. Вторичные номинальные токи могут иметь значения 1,2; 2,5; 5 А. Классы точности: 0,2; 0,5; 1; 3.

Измерительный трансформатор напряжения (TV на рис. 8.23б) работает в режиме близком к режиму холостого хода. Он понижает контролируемое переменное напряжение и гальванически развязывает электрические цепи. Сигнал, снимаемый с вторичной обмотки трансформатора, через выпрямитель подается на усилитель (ВУ) с большим входным сопротивлением.

Характеристики управления рассмотренных чувствительных элементов считают линейными в практических приложениях. Зависимость выходной переменной u1 от входной переменной u определяют через номинальный коэффициент преобразования kЧЭном=u1ном/uном , где «ном» означает номинальное значение соответствующего параметра. Тогда

u1= kЧЭном· u .

Измерительный трансформатор постоянного тока, выполненный на основе магнитного усилителя (см. [1] п. 5.3), применяют для измерения постоянных токов свыше 5000 А. Использование шунтов в таких случаях нецелесообразно, так как шунты получаются весьма громоздкими и дорогими.

Обмотка управления wy магнитного усилителя А подключается в разрыв контролируемой цепи, по которой протекает постоянный ток I (рис. 8.24). Она состоит из одного витка провода. Рабочие обмотки wp получают питание от источника переменного напряжения ~U.


 
 


Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя UZ линейно зависит от тока I при I<Um/[(wy/wp)RH] , где Um - амплитудное значение напряжения ~U; RH - входное сопротивление усилителя ВУ (см. [1] п. 5.3).

Потенциальный разделитель (ПР на рис. 8.22) представляет собой последовательное соединение модулятора, трансформатора и демодулятора.

Модулятор – это узел ПР, который осуществляет преобразование медленно изменяющегося сигнала u2 постоянного тока (u2 выделен на рис. 8.22) в сигнал uM переменного тока (не обязательно синусоидального), имеющего амплитуду, пропорциональную u2. Этот процесс называют амплитудной модуляцией переменного тока (несущей) сигналом (u2).

Для выделения передаваемого в ПР сигнала u2 из модулированного переменного напряжения uM необходимо преобразовать это напряжение в напряжение постоянного тока. Эту операцию называют демодуляцией.

Демодулятор – узел ПР, который осуществляет демодуляцию сигнала переменного тока. В радиотехнике операция выделения моделирующего сигнала обычно называется детектированием и в соответствии с этим устройство, выполняющее эту операцию, называют детектором. Для автоматических систем демодулятор называют также фазовым дискриминатором.

Упрощенная электрическая схема потенциального разделителя с кольцевым модулятором и амплитудным детектором показана на рис. 8.25а.


 
 


Принцип работы кольцевого модулятора основан на свойстве диодов пропускать ток в одном направлении и не пропускать его в противоположном направлении. Диоды VD1, VD2, VD3, VD4 кольцевого модулятора включены в плечи моста. Применяются диоды с одинаковыми вольтамперными характеристиками (ВАХ). На рис. 8.25б ВАХ диода представлена в виде кусочно-линейной зависимости тока IVD от напряжения UVD (для номинального режима работы модулятора). Вправо от начала координат ВАХ откладывается прямое напряжение на диоде, влево - обратное.

Режим работы модулятора определяется переменным коммутирующим напряжением uк, которое приложено между точками a и b моста от вторичной обмотки трансформатора Т1. В полупериоде коммутирующего напряжения, в котором его плюс приложен к точке а, коммутирующие токи идут в направлениях:

от точки a через диоды VD1, VD2 к точке b;

от точки a через диод VD1 с точке с и далее через верхнюю секцию обмотки трансформатора Т2 (сверху вниз), источник входного сигнала u2 к среднему выводу обмотки трансформатора Т1;

от среднего вывода обмотки трансформатора Т1 через источник сигнала u2, верхнюю секцию трансформатора Т2 (снизу вверх), диод VD2 к токе b.

По верхней секции обмотки трансформатора Т2 один коммутирующий ток, обозначим его i, протекает сверху вниз, другой i– снизу вверх. По нижней секции обмотки Т2 коммутирующие токи не протекают. При смене полярности напряжения uк, т.е. в полупериоде, в котором плюс uк приложен к точке b, коммутирующие токи i, i будут протекать по нижней секции обмотки трансформатора Т2. Результирующий ток iS = i- i равен нулю.

При u2=0 имеем только i= i . Следовательно, тока во входной обмотке трансформатора Т2 нет, напряжение uD на выходе модулятора и, соответственно, на входе амплитудного детектора равно нулю.

Если u2≠0, то потенциалы средних выводов обмоток трансформаторов Т1 и Т2 будут различаться. Следовательно, по одной секции обмотки Т2 в течение полупериода напряжения uк будет протекать ток, созданный источником сигнала u2. В следующем полупериоде ток будет протекать по другой секции и т.д. В результате на выходе модулятора формируется переменное напряжение uD , амплитуда которого пропорциональна величине напряжения u2. Амплитудная модуляция несущей uк сигналом u2 иллюстрируется левой и средней диаграммами на рис. 8.25в.

Демодулятор (в рассматриваемом случае амплитудный детектор) состоит из однополупериодного выпрямителя, выполненного на диоде VD5, и емкостного С-фильтра (см. рис. 8.25а). Получая на входе переменное напряжение uD, амплитуда которого изменяется в соответствии с сигналом u2, детектор выделяет огибающую этого напряжения (правая диаграмма на рис. 8.25в).

Амплитудный детектор имеет недостаток – он не реагирует на полярность напряжения u2. Этот недостаток может быть устранен, если в качестве демодулятора применить рассмотренный кольцевой модулятор, поменяв местами роли входа и выхода.


Литература

основная:

1. Тырва В. О. Электрические и электронные аппараты. Элементы и узлы электроаппаратов: учеб. Пособие. СПб.: ФГО ВПО СПГУВК, 2009.

дополнительная:

2. Алиев И.И., Абрамов М.Б. Электрические аппараты. Справочник. - М.: ИП РадиоСофт, 2004.

3. Марков Э.Т. Судовые электрические аппараты. - Л.: Судостроение, 1982.

4. Родштейн Л.А. Электрические аппараты. - М.: Энергия, 1980.

5. Розанов Ю.К. Электронные устройства электромеханических систем: Учеб. пособие для студентов высш. Учеб. Заведений / Ю.К. Розанов, Е.М. Соколова. – М.: Издательский центр «Академия», 2004.

6. Таев И.С. «Электрические аппараты управления». Высшая школа, 1984.

7. Теория электрических аппаратов: Учебник для вузов/ Г.Н. Александров, В.В. Борисов, Г.С. Каплан и др.; Под ред. проф. Г.Н. Александрова. 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000.

8. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

9. Чунихин А.А. Электрические аппараты. Учебн. Для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

10. Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов/ Под ред. Ю.К. Розанова. 2-е изд. – М.: Информэлектро, 2001.







Сейчас читают про: