Меню

Токовая катушка измерение тока

Катушки Роговского – реальная альтернатива традиционным ТТ

Вместе с тем, эксплуатация вышеупомянутых датчиков тока является более «продвинутой», поскольку они: обладают необходимой точностью измерений во всех режимах работы; имеют линейные рабочие характеристики; обладают компактными размерами и весят во много раз меньше «традиционных» ТТ. Такие датчики тока имеют низкое напряжение выходного сигнала в нормальном режиме работы, а при повреждениях это напряжение не превышает допустимых безопасных пределов. Современные катушки Роговского, речь о которых пойдет в настоящей статье, обеспечивают требуемую точность как для целей защиты, так и для целей учета электроэнергии.

Но обо всем по порядку.

1 Конструкция

В катушках Роговского используются те же самые принципы работы, что и в традиционных трансформаторах тока с металлическим сердечником. Основное отличие заключается в том, что намотка катушки Роговского осуществляется на немагнитный сердечник, результатом чего является линейность характеристики, поскольку сердечник не насыщается.

Однако, в отличие от традиционных ТТ, вторичный ток которых пропорционален первичному току, выходное напряжение катушек Роговского является масштабированной производной по времени di(t)/dt первичного тока. Для устройств защиты, которые используют в работе аналоговые значения промышленной частоты, необходима дополнительная обработка входного сигнала от датчиков тока, а микропроцессорное оборудование должно иметь конструктивную возможность принимать сигналы такого типа.

Катушки Роговского классифицируются как маломощные токовые датчики, а требования к ним определяются стандартами IEC и IEEE.

Стандарт IEEE C37.235-2007 содержит руководящие указания по применению катушек Роговского для релейной защиты.

Конструктивно обмотки высокоточных катушек Роговского выполнены в виде многослойных печатных плат из немагнитного материала. По этой причине взаимная индукция между первичной и вторичной обмотками очень мала, и на измерения могут повлиять внешние электромагнитные поля. Следовательно, для создания качественных токовых датчиков должны выполняться два основных критерия:

  • выходной сигнал не должен зависеть от положения первичного проводника в пределах витка обмотки;
  • влияние близлежащих проводников, по которым протекают большие токи, на выходной сигнал должно быть минимальным.

Для выполнения первого критерия взаимоиндукция должна иметь постоянное значение при любом положении первичного проводника в пределах витка обмотки. Этого можно достичь при следующих условиях:

  • намотка обмотки выполняется на сердечник с одинаковым поперечным сечением по всей его длине;
  • намотка осуществляется перпендикулярно оси замкнутой окружности и при условии постоянной плотности намотки.

Также, датчики тока должны бать двух исполнений: с замкнутым сердечником и с разомкнутым сердечником. Наличие второго исполнения позволяет устанавливать катушки без размыкания (отключения, разрезания) главных цепей. Такие типы также подходят для установки на несколько проводов, либо для установки на шины большого сечения. На рис. 1 показано несколько вариантов конструктивного исполнения катушек Роговского.

Рис. 1. Варианты конструкции катушки Роговского.

Катушки Роговского можно подключить к реле защиты с помощью экранированной витой пары и соответствующих разъемов. Это обеспечивает простоту установки и предотвращает ошибки при подключении оборудования. Клеммные блоки не требуются, поскольку напряжение выходного сигнала катушки является минимальным с точки зрения безопасности. Кроме того, это напряжение не увеличивается при размыкании вторичной обмотки. Суммирующий блок обеспечивает электрическое сложение сигналов от двух секций катушки Роговского и передает этот суммарный сигнал в реле защиты. Такие датчики также можно подключать к устройствам защиты с помощью оптоволоконных кабелей.

В настоящее время идет работа над международным стандартом IEC 61869, который позволит определить стандартные требования к конструкции датчиков тока и их применению, например, к классу точности и стандартам вторичных сигналов. Стандарт IEC 61869 будет способствовать лучшему пониманию технологий, оказывать поддержку и увеличивать степень доверия к эксплуатируемым устройствам. При правильном подходе к разработке стандартов нетрадиционные ТТ могут обладать характеристиками, удовлетворяющими требованиям как со стороны системы учета электроэнергии, так и со стороны комплексов РЗА. Другим направлением деятельности МЭК является разработка стандарта IEC 61869-13: независимый модуль сопряжения (Stand-Alone Merging Unit — SAMU). Этот стандарт также будет оказывать поддержку и увеличивать степень доверия к эксплуатируемым датчикам тока.

2 Установка

При установке катушек в процессе модернизации соответствующих систем на подстанции не требуется вносить никаких изменений в существующую первичную схему электрических соединений. Для ввода модернизированной системы требуется минимальное время вывода соответствующих цепей из работы. На рис. 2 приведены несколько примеров установки катушек Роговского:

Рис. 2. Примеры установки катушек Роговского.

(a)и(b)—для дифференциальной защиты силовых трансформаторов дуговой электропечи;
(с) — катушка охватывает несколько проводников;
(d)—катушка охватывает проводники большого сечения;
(e)и(f) — для дифференциальной защиты силовых кабелей;
(g) — катушка охватывает ввод силового трансформатора для организации дифференциальной защиты;
(h)—для организации дифференциальной защиты батарей конденсаторов.

3 Преимущества и особенности

Катушки Роговского обладают современными рабочими характеристиками, однако, при проектировании необходимо понимать и учитывать некоторые их особенности.

  • Один и тот же датчик тока может удовлетворять предъявляемым требованиям в широком диапазоне протекающих токов, а также обеспечивать показатели точности, необходимые как для учета электроэнергии, так и для релейной защиты. Это существенное преимущество над традиционными ТТ, потому что для соответствия требованиям, предъявляемым со стороны защиты и измерительного оборудования может потребоваться установка нескольких ТТ различного класса точности и с разными коэффициентами трансформации.
  • Катушки Роговского можно проектировать для преобразования сигналов с высокой частотой (в МГц диапазоне), что позволяет реализовывать системы РЗА на основе волновых методов (метод «бегущей волны»).
  • Катушки имеют хорошую совместимость с комплексами РЗА, построенными на базе современных коммуникационных систем согласно стандартам IEC 61850.
  • Катушки Роговского можно комбинировать с существующими традиционными ТТ. Например, при модернизации систем РЗА один полукомплект дифференциальной защиты может быть подключен к традиционному ТТ, а второй — к датчику тока.
  • Небольшой вес и размеры, что позволяет проектировать распредустройства более компактных размеров и меньшей массы.
  • Датчики более безопасны для персонала и оборудования, поскольку выходные сигналы находятся в безопасных диапазонах (порядка нескольких вольт) в любых режимах работы, включая повреждения в энергосистеме.
  • Легкость установки благодаря конструкции, состоящей из отдельных секций, как следствие, не требуется вносить изменения в существующую схему электрических соединений, а также разрезать или разъединять первичный провод.
  • Из-за того, что выходной сигнал катушек Роговского маломощный и низковольтный, вторичные сигналы можно передавать по экранированной витой паре с необходимыми разъемами. Это помогает предотвратить ошибки подключения.
  • Время простоя при установке датчиков тока в существующие электроустановки будет минимальным или отключение не понадобится совсем.
  • Катушки Роговского безопасны для окружающей среды, поскольку в них не используется масляная или газовая изоляция.

Вместе с тем, необходимо учитывать следующие факторы:

  • Технический персонал хорошо знаком с традиционными технологиями, но не настолько хорошо знаком с датчиками тока.
  • Выходной сигнал катушки Роговского — это низковольтный сигнал. Фазовый угол между вторичным напряжением и первичным током составляет 90°. Этот фазовый угол необходимо учитывать при проектировании комплексов РЗА.
  • Катушки Роговского являются частотно-зависимыми устройствами. Они усиливают более высокие частоты с линейной зависимостью между выходным сигналом катушки и частотой, вызывая усиление гармоник по гармоническому порядку. Корректный учет значений гармонических составляющих в схемах защиты может быть получен путем простого деления записанных гармоник на гармонический порядок.
  • Высокочастотные явления, такие как удары молний или высокочастотные импульсы напряжения, возникающие при коммутационных операциях в КРУЭ, могут наводить во вторичной обмотке катушки Роговского маломощные высоковольтные сигналы. Эти сигналы эффективно подавляются собственной емкостью существующих вторичных контрольных кабелей или при использовании полупроводниковых ограничителей. На момент выхода настоящей статьи информация о таких отрицательных эффектах отсутствовала. В некоторых случаях высокочастотные импульсы могут попасть на входы устройства защиты. Когда это происходит, такие импульсы могут быть обработаны как протекание большого тока, что может привести к излишнему срабатыванию реле. Во избежание излишних срабатываний необходимо разработать специальные алгоритмы выявления подобных импульсов.
  • Также необходимо применять специальные алгоритмы для обнаружения броска тока намагничивания при включении силового трансформатора. Традиционно во избежание ложных срабатываний защиты при включении силового трансформатора использовался метод торможения по второй гармонике. Однако, для некоторых мощных силовых трансформаторов этот метод не может обеспечить надежное формирование сигналов торможения по второй гармонике. В комплексах РЗА, где применяются рассматриваемые в этой статье катушки Роговского, используются алгоритмы, позволяющие надежно распознавать броски тока намагничивания трансформатора. Для этого анализируется форма выходного сигнала di(t)/dt катушки Роговского. Вместо анализа содержания второй гармоники в протекающем токе в этой методике используется контроль отдельных участков кривой тока намагничивания и их анализ. Для тока намагничивания скорость изменения тока небольшая (кривая di(t)/dt имеет плоские участки).

4 Примеры применения

В настоящее время в эксплуатации находится целый ряд комплексов РЗА, подтверждающих успешную и надежную работу с применением катушек Роговского, а срок эксплуатации составляет более 10 лет. Приведу несколько примеров.

Защита кабельных линий

Первая дифференциальная защита силового кабеля, где применяются катушки Роговского, была введена в эксплуатацию в 2010 году на комбинированной воздушно-кабельной линии 220 кВ. На каждом конце защищаемого силового кабеля установлено по три катушки Роговского и по одному реле защиты. Обмен данными между реле осуществляется по оптическим кабелям, как это показано на рис. 3.

Рис. 3. Дифференциальная защита силового кабеля высокого напряжения.

Защита батарей конденсаторов

Первая дифференциальная защита батареи конденсаторов, в которой были применены катушки Роговского, была установлена в 2012 году (мощность БК 30 Мвар, наибольшее рабочее напряжение 60 кВ, конструкция звезда-звезда). Для этой схемы датчики установлены в каждом плече трехфазной батареи конденсаторов. Катушки Роговского спроектированы для работы на небольшом уровне напряжения изоляции, поэтому для работы на уровне испытательного напряжения 350 кВ катушки подключались к реле через систему оптических кабелей. Пусконаладочные проверки показали, что значения дифференциальных токов находятся на уровне 0,2 А, что подтверждает хорошие показатели системы (система симметрична). На примере этого комплекса РЗА также было подтверждена возможность обеспечить стойкость сигнала к электромагнитным помехам.

Читайте также:  Источники питания стабилизаторы тока
Совместная работа традиционных ТТ и катушек Роговского

Для организации релейной защиты силовых кабелей на каждом конце защищаемого кабеля требуется установить трансформаторы или датчики тока и одно реле (полукомплект). Такое «гибридное» решение на базе традиционных ТТ и катушек Роговского успешно подтвердило свою состоятельность. Проектирование и ввод в эксплуатацию первого «гибридного» комплекса РЗА было выполнено в 2017 г. В качестве функции защиты используется дифференциальная защита силовых кабелей длиной 13 км, которые соединяют КРУЭ с воздушными линиями класса напряжения 220 кВ. По всей длине силовых кабелей предусмотрены оптические кабели для организации связи.

Рис. 4. Комплекс РЗА на базе традиционных ТТ и катушек Роговского.

Решения на базе протокола IEC 61850-9-2

Комплексы РЗА с применением шины процесса, определяемой стандартом IEC 61850-9-2, становятся все более распространенными, по всему миру уже имеется целый ряд реализованных решений такого рода. Катушки Роговского обладают техническими характеристиками, которые удовлетворяют требованиям, предъявляемым проектами на базе шины процесса и хорошо подходят для надежной работы в составе цифровых подстанций.

Рис. 5. Сравнение выходных сигналов катушки Роговского согласно IEC 61850-9-2 и вторичных сигналов лабораторных трансформаторов тока.

На рис. 5 показано сравнение результатов испытаний, при которых моделировались повреждения в энергосистеме, для катушек Роговского и высокоточных лабораторных трансформаторов тока. Тестовые формы сигналов синхронизировались с помощью GPS. Восстановленный выходной сигнал катушки Роговского соответствовал аналоговым сигналам лабораторных трансформаторов тока.

Источник

Новый класс датчиков переменного тока на основе катушек Роговского

Контроль потребления мощности становится ключевым фактором в управлении электросетями как в промышленном, так и в коммерческом секторах (промышленных зданиях, информационных центрах, пищевой промышленности, предприятиях торговли, медицинских и образовательных учреждениях). В статье подробно рассказывается о достигнутых преимуществах датчиков на основе катушек Роговского, которые по комплексу параметров могут успешно конкурировать с лучшими токовыми трансформаторными датчиками в секторе измерения электрической энергии.

Поначалу при разработке серии датчиков на основе катушек Роговского казалось, что требуемый диапазон измерения токов не превышает 100 A. Однако вскоре выяснилось, что этого недостаточно для сектора промышленных сетей, где в процессе мониторинга в исходных узлах сети требуется диапазон до 2000 A. Компания LEM разработала серию датчиков тока RT, учитывающих специфику данного применения и обеспечивающих такую же гибкость при монтаже, что и датчики тока на базе трансформаторов с разъемным сердечником. Кроме того, датчики серии RT обеспечивают точность измерений для оборудования класса 1, необходимую для сектора приложений с измерением токов среднего диапазона. Традиционные индуктивные трансформаторы тока и напряжения с ферромагнитным сердечником имеют определенные недостатки, вызванные самой природой таких трансформаторов: насыщение, гистерезис, резонанс, остаточное намагничивание.

Катушка Роговского (Rogowski coil) является лучшим выбором при создании измерительных систем в электрических сетях, поскольку обеспечивает простоту применения для большинства базовых измерительных схем и отвечает всем требованиям как по диапазону измерения, так и по точности. Известные до недавнего времени конструкции датчиков на базе катушек Роговского имели недостаточную точность виду чувствительности к положению токовой петли относительно оси проводника.

От теории — к практике

Конструкция и принцип работы катушки Роговского были впервые описаны в [1]. Катушка Роговского — это тороидальная катушка, расположенная вокруг первичного провода точно так, как вторичная обмотка в обычном трансформаторе тока, но только без ферромагнитного сердечника (см. рис. 1).

Напряжение сигнала на выходе датчика пропорционально производной тока:

где M — взаимная индуктивность между проводником тока и катушкой.

Значение тока можно вычислить или получить аппаратно с помощью аналогового интегратора.

Вся трудность при использовании данного метода измерения заключается в обеспечении достаточной точности, поскольку вычисление основано на предположении абсолютной симметрии положения катушки относительно проводника с измеряемым током и идеальности геометрии самой катушки. Только при выполнении этих условий индуктивность M сохраняется постоянной. Однако на практике это недостижимо. Проиллюстрируем данный вывод, рассмотрев три фактора, влияющих на однородность индуктивности катушки.

Плотность витков. Намотка катушки должна быть регулярной и однородной по всей длине. Витки, не эквидистантные по отношению к проводнику измеряемого тока, создают асимметрию, приводя к изменению коэффициента индуктивности M относительно проводника. Фактически это приводит к ошибке измерения в зависимости от положения катушки относительно измеряемой силовой шины или кабеля. Ошибка больше, чем ближе катушка к кабелю.

Сечение катушки. Та же ситуация, что и с плотностью витков. Если сечение неоднородно вдоль длины катушки, окружающей проводник, индуктивность M не является постоянной, что приводит к ошибке измерения.

Защелка катушки. Главное преимущество гибкой катушки Роговского состоит в том, что она обеспечивает бесконтактное измерение тока, но при этом внутри нее присутствует проводник обратного тока. Разрыв однородности плотности витков катушки в месте защелки является главным источником асимметрии. Ошибка измерения вследствие этой неидеальности катушки является наибольшей из всех рассмотренных.

Реальные цифры

До настоящего времени датчики на основе катушек Роговского обеспечивали погрешность измерения в зависимости от позиционирования проводника внутри петли не лучше 2%. На практике довольно часто возникают сложности с размещением проводника точно по центру петли. При смещении проводника в область замка петли погрешность может достигать 6%. По этой причине легко понять, почему производители измерительного оборудования для электрической энергии стараются избежать использования датчиков этого типа.

Однако компания LEM доказала жизнеспособность этой технологии для измерения энергии. В настоящее время точность датчиков стала в большей степени зависеть от качества намотки самих катушек, а погрешность, обусловленная несимметричностью их обмотки, может быть менее 0,75%. Для того чтобы использовать датчик в измерителе энергии класса 1, требуется обеспечить суммарную погрешность лучше, чем 1%, включая погрешность токового датчика, датчика напряжения и погрешность обработки данных.

Решение проблемы

Главной проблемой токового датчика на основе катушки Роговского является ошибка, связанная с несовершенством замка замыкания измерительной петли. Неоднократно предпринимались попытки решить эту проблему на основе электрической или механической концепций, однако успех был незначительным.

Благодаря изучению магнитных явлений в системе «катушка-проводник» удалось разработать простое и эффективное решение — соединительную муфту для измерительной петли из ферромагнитного материала (см. рис. 2). С одной стороны, она обеспечивает электрическое соединение вторичных обмоток датчика, а с другой, позволяет создать внутреннюю зону вокруг катушки магнитно невидимой, и таким образом маскировать неоднородность индуктивности в области защелки петли. Муфта работает как магнитная перемычка (или, точнее, как магнитное сопротивление), «виртуально» соединяя две секции обмоток, находящихся на разных сторонах защелкиваемой токовой петли. Этот подход привел к успеху — ошибка, связанная с локальным разрывом в токовой петле датчика, стала ничтожно мала.

Скрытая проблема

Погрешность, связанная с конструкцией замка катушки измерительной системы скрывала другие проявления асимметрии датчика. Когда главная проблема с контактным замком для катушек Роговского была решена, появились и стали заметны проблемы другого порядка, которые несколько омрачили успех использования магнитной муфты. Специалисты LEM продолжили работу по совершенствованию датчика тока, разработав спустя два года технологию и оборудование, которые значительно уменьшили ошибку, связанную с асимметричностью конструкции. Во многом это стало возможным благодаря реализации непрерывности и однородности секций катушек на всей протяженности измерительной петли.

Сегодня ошибка за счет асимметрии позиционирования катушки относительно проводника составляет максимум 0,65% (для проводника с диаметром жилы 15 мм независимо от его расположения, даже если он находится непосредственно у защелки катушки).

Работа в жестких условиях эксплуатации

Характеристики катушки Роговского определяются в основном ошибкой, связанной с позиционированием проводника внутри измерительной петли датчика. Кроме того, хороший датчик не должен быть чувствителен к влиянию токов от других проводников, расположенных вне измерительного контура. Как правило, при корректной конструкции петли оба эти параметра в равной мере хороши и, наоборот, при неудачной конструкции токовой петли датчика происходят большие ошибки, связанные с позиционированием проводника внутри петли датчика и чувствительностью к помехам. Это обстоятельство является следствием теоремы Ампера, в соответствии с которой любые ошибки, вызванные асимметрией конструкции, одинаково проявляются как внутри токовой петли, так и вне ее.

Например, проводник с током в 100 A, находящийся внутри токовой петли катушки Роговского в непосредственной близости от оболочки петли, вызовет индуцированную ошибку при измерении на уровне 0,5%. Следовательно, измеренное значение составит 100,5 A. Тот же проводник, расположенный вне охвата петлей, также вызовет ошибку сигнала на 0,5 A, но этот сигнал добавится к измеренному значению тока, который протекает по проводнику внутри петли.

Точность измерения

Точность измерения токового датчика на основе катушки Роговского невысока т.к. коэффициент передачи, определяемый, в основном, значением индуктивности M, зависит от физических параметров, которые трудно контролировать при массовом производстве.

В настоящее время технологический разброс параметров катушки Роговского составляет 2—5% в зависимости от технологии.

Читайте также:  Практическое значение вихревых токов

Производить данный тип датчика с меньшим разбросом коэффициента передачи нереально. Для большей точности потребуются намоточные станки, в которых шаг витков контролируется с точностью до нескольких микронов. Это сильно усложнит технологию и скажется на цене датчика. Для более высокой точности следует выполнить калибровку датчика, используя активную или пассивную схемы. С другой стороны, калибровка гарантирует высокую стабильность параметров датчика, в частности, по отношению к температуре, и позволяет предотвратить сдвиг уровня выходного сигнала датчика. При изменении температурных условий может проводиться перекалибровка и компенсация сдвига сигнала. Например, датчики LEM серии RT обеспечивают температурную стабильность во всем рабочем диапазоне измерения на уровне 30 ppm/°C.

Насыщение датчика

Одним из частых вопросов, связанных с проектированием измерительных систем, является вопрос о возможности насыщения датчика на границе допустимого диапазона токов. В случае с датчиками на базе катушек Роговского насыщение теоретически недостижимо, поскольку в их конструкции нет ферромагнитных сердечников. На практике диапазон измерения определяется диаметром измерительной петли датчика и номинальным значением тока в цепи измерения. В отдельных случаях при наличии импульсных сигналов с большой крутизной может происходить ограничение амплитуды сигнала на катушке датчика.

Линейность

Наряду с точностью важна также линейность измерений. Датчик на основе катушек Роговского не имеет нелинейных элементов в своей конструкции, поэтому линейность измеряемых сигналов гарантирована во всем диапазоне. Если факты нелинейности все же обнаруживаются, следует разобраться, насколько подходящий метод измерения используется. В некоторых случаях вместо катушки Роговского следует выбрать для измерений другой тип датчика.

Фазовый сдвиг

Фазовый сдвиг выходного сигнала является очень важным параметром при измерении энергии, которая вычисляется на основе измеренных значений тока и напряжения. Катушка Роговского в этом отношении является идеальным решением и не дает дополнительных фазовых сдвигов. Однако следует учесть фазовый сдвиг, который может произойти в цепи интегратора при усилении и нормировке сигнала. Фазовый сдвиг равен нулю при разомкнутой петле измерения, но как только она переходит в активный режим, интегратор вносит фазовый сдвиг. Однако эту ошибку можно легко компенсировать с помощью соответствующих вычислений или симуляцией эквивалентной RLC-цепи.

Выбор, сделанный LEM

В настоящее время датчики на основе катушек Роговского по комплексу параметров могут успешно конкурировать с лучшими токовыми трансформаторными датчиками в секторе измерения электрической энергии. Их преимущества — высокие токи, дешевизна, малые размеры, вес, гибкость и легкость монтажа — могут стать определящими для ряда приложений. Поперечное сечение токовой петли датчиков LEM составляет всего 5 мм. Относительно объектов измерения можно сказать, что датчик имеет универсальные размеры.

Размеры запатентованной конструкции защелки токовой петли датчика также очень малы (всего 28×30×16 мм) и обеспечивают надежное соединение петли коаксиального сигнального кабеля. Для передачи сигнала был выбран коаксиальный кабель, соответствующий низкому профилю поперечного сечения катушки. Для обеспечения временной и температурной стабильности параметров катушка RT заключена в полиуретановую оболочку.

Интегратор для катушки Роговского

Катушка Роговского обеспечивает напряжение, пропорциональное производной по изменению тока в проводнике. Следовательно, для преобразования полученного сигнала в сигнал, пропорциональный измеряемому току, необходим интегратор. Он является важным компонентом в системе измерения тока на основе катушки Роговского. Интегратор определяет коэффициент передачи. От его свойств зависят линейность, фазовый сдвиг и полоса рабочих частот. Недостаток интегратора с вариантами возможных решений заключается в очень низком уровне входного сигнала — 20 мВ/кА для датчиков LEM серии RT. Для решения этой проблемы рекомендуется использовать малошумящие операционные усилители и минимизировать площадь печатной платы с элементами интегратора, чтобы снизить чувствительность к наводкам паразитных сигналов внешних полей. Для формирования полосы пропускания измерительного тракта датчика должны использоваться два типа частотных фильтров: высоких и низких частот.

Калибровка: активная подстройка коэффициента усиления

Коэффициент передачи катушки Роговского определяется конструкцией и не может быть точным из-за несовершенства технологического процесса. Поэтому, чтобы точно подстроить коэффициент передачи, необходимо проведение калибровки по отношению к опорному сигналу. Инженеры используют в основном каскад аналогового интегратора, в котором в цепи регулировки имеется подстроечный резистор. Лучшим решением является цифровая калибровка, которая реализуется на основе микроконтроллера в комбинации с усилителем с программируемым коэффициентом усиления или цифровым потенциометром.

Калибровка: пассивная подстройка усиления

Исторически катушка Роговского использовалась для измерения среднеквадратичных значений тока без фазовых ограничений. Большинство решений для калибровки датчика основано на использовании простых резистивных или резистивно-емкостных схем. Достоинство метода измерения — простота и экономичность. К сожалению, метод не подходит для измерения мощности из-за большого фазового сдвига, который может зависеть и от частоты измерения, если используется RC-схема. При разработке нового датчика на катушках Роговского компания LEM предложила базовый продукт, исходя из того, что технология интегратора, выбранного разработчиками измерительной системы, обеспечит оптимальные параметры, а сам метод хорошо известен. В результате было принято решение не калибровать датчики тока семейства RT на самом производстве. В состав датчика не входит каких-либо дополнительных электронных компонентов или крепежных приспособлений.

1. Die Messung der magnetischen Spannung//Archiv für Elektrotechnik. 1912.

Источник

2 Схемы

Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов

Самодельная катушка Роговского на ток до 10000 Ампер

Для измерения токов, особенно больших, удобнее не подключать амперметр в разрыв проводов (как в датчиках типа ACS712), а использовать токовые трансформаторы. Например катушку (ещё её называют пояс) Роговского. Представленный для самостоятельной сборки датчик позволяет измерять ток в двух диапазонах: 200 А и 2000 А. Катушка питается от одной батарейки 9 В. Выходное напряжение для диапазона 200 А составляет 10 мВ / А, для диапазона 2000 А — 1 мВ / А. то есть максимум 2 В.

Возможно собрать даже токовую измерительную катушку на 10000 А, которая бы имела выходное напряжение 1 мВ / А, что означает при 10000 А она должна иметь 10 В. Вы можете конечно купить такую катушку, но это очень не дешево. Отсюда идея сделать себе прибор своими руками.

Катушка с интегратором используется для измерения переменного тока без отключения электрической цепи. Она имеет два диапазона: первый с чувствительностью 10 мВ / А и второй 1 мВ / А. Это позволяет измерять токи до 500 А с разрешением 0,1 А и до 5000 А с разрешением 1 А. Катушка должна быть подключена к цифровому мультиметру.

Самодельная катушка Роговского на ток до 10000 Ампер

Когда переменный ток протекает через провод электрической цепи, в поясе (катушке) вокруг провода индуцируется напряжение. Значение наведенного напряжения зависит от величины тока, его частоты и размеров катушки. Данная катушка имеет размеры, как показано ниже на чертеже:

Самодельная катушка Роговского на ток до 10000 Ампер

А принципиальная схема катушки Роговского с интегратором показана на следующем рисунке:

Самодельная катушка Роговского на ток до 10000 Ампер

Вначале вычислим постоянную катушки в мкВ / А.

Самодельная катушка Роговского на ток до 10000 Ампер

А потом можно рассчитать входное сопротивление и емкость интегратора. На схеме присутствуют три резистора R1, R2, R3 и конденсатор C7. Допустим надо получить чувствительность катушки 1 мВ / А (1000 мкВ / А), то есть нужно получить напряжение 1 мВ на выходе усилителя U1A, когда ток 1 А течет через катушку. Усиление интегратора описывается отношениями:

Самодельная катушка Роговского на ток до 10000 Ампер

Выбран конденсатор 22 нФ и набор из трех резисторов, дающих в общей сложности 4687,6 Ом. Для диапазона чувствительности 10 мВ / А уменьшим емкость обратной связи в 10 раз и выберем конденсатор 2,2 нФ. Поскольку конденсаторы выполнены с допуском 5%, результирующая емкость на плате создается конденсаторами, обозначенными как C5, C6, C10, C11. На практике вместо резистора 4687,6 Ом установили один резистор 4,7 кОм и нулевые резисторы в других местах. Задача усилителя U1B — сбалансировать входное напряжение дисбаланса. Питание платы амперметра идёт от двух батарей 9 В. Такое высокое напряжение питания необходимо для получения среднеквадратичного напряжения на выходе интегратора 5 В.

Провод между катушкой и цепью интегратора, а также между интегратором и мультиметром, должен быть экранированным. Экран подключен к земле.

Основа — резиновый водопроводный шланг, и на этот шланг мотаем один слой медного провода ПЭЛ-0,5. Самая сложная операция — наматывание катушки на шланг и её закрепление. Она была намотана на прозрачный ПВХ шланг с наружным диаметром 8 мм, 800 витков проволоки диаметром 0,55 мм.

Самодельная катушка Роговского на ток до 10000 Ампер

Диаметр проволоки не критичен, вы можете использовать другого сечения. Лучше даже использовать более тонкий провод, чтобы получить больше витков и соответственно более высокое напряжение на выходе катушки. Вид обмотки катушки без внешней термоусадки и с муфтой показан на рисунке.

Самодельная катушка Роговского на ток до 10000 Ампер

Катушка должна быть намотана так, чтобы обмотка образовывала один слой. Конец и начало катушки и обмотки заделаны термоусадкой, чтобы обмотка не разматывалась.

Самодельная катушка Роговского на ток до 10000 Ампер

В качестве элемента для закрытия катушки использовался пластиковый кабельный ввод PG10, к которому был приклеен один конец катушки. Другой конец после вставки зажимается гайкой.

Самодельная катушка Роговского на ток до 10000 Ампер

Электронная схема очень проста и не должна создать проблем при запуске даже у начинающего электронщика. Будьте только внимательны при подключении питания, чтобы не перепутать полюса батареи.

Самодельная катушка Роговского на ток до 10000 Ампер

Для настройки и испытаний использовалась калибровочная катушка. Когда через калибровочную катушку протекает ток 1 А, катушка Роговского имеет значение 100 А, а затем выходное напряжение интегратора в зависимости от выбранного диапазона должно составлять 100 мВ или 1 В. Если это напряжение отклоняется от ожидаемого, настройку усилителя следует скорректировать, изменив результирующее сопротивление, создаваемое резисторами R1, R2, R3 для диапазона 1 мВ / A или емкостями C5, C6, C10 для диапазона 10 мВ / A.

Читайте также:  Пусковой ток автомобильного двигателя

Источник



Токовая катушка измерение тока

Измерение больших токов

Автор: maksipus, maksipus@yandex.ru
Опубликовано 07.09.2015
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2015!»

Измерить ток? Что может быть проще!

Но есть случаи, когда эти измерения простым тестером или осциллографом не провести. Например, измерение больших токов, да еще и гальванически связанных с сетью. Под «измерением» я подразумеваю вывод на экран осциллографа. В другом случае, визуализация стартерного тока автомобиля покажет вам состояние поршневой группы двигателя без выкручивания свечей (на многих моделях это уже проблема). Увидев ток бензонасоса или форсунок автомобиля, Вам лапшу на уши автомастер не навесит. При изготовлении ИБП, мощных 50Гц трансформаторов с ШИМ управлением желательно, а если конструкция не клон, а новодел, то в обязательном порядке надо видеть, что происходит на высокой стороне. При проектировании сварочных инверторов нужен рабочий сварочный ток и не на шунте, а в реалии. Иначе может получиться конструкция, которая работает только у автора, а повторяющий страстно мечтает плюнуть в фейс автору. Можно привести еще массу случаев, когда надо бы измерить ток, но сдерживает или отсутствие приборов или ТБ при измерении.

Цель этой статьи поделится практическим опытом измерения (визуализации) больших токов с гальванической развязкой от измерительных приборов. Именно практическим. То что проверено и используется.

1. Датчик тока на микросхеме ACS712

Прекраснейшая микросхема фирмы Allegro. Как называет её фирма «Линейный токовый датчи на эффекте Холла с ультра низким проходным сопротивлением» Существует 3 клона, на 5А, 20А и 30Ампер. Изготовляется в 8-лапковом SOIC корпусе, выдерживает при этом 30А ток в долговременном режиме, в импульсе до 100А! Неоднократно пропускал 50А 1-2сек. С полной документацией можно ознакомится на сайте производителя. https://www.allegromicro.com/

Коротко о хорошем:

— Возможность работы от постоянного до 80 кГц тока.

0,0012 Ом проходное сопротивление!

— все внутри (из обвязки: два конденсатора, по питанию и в фильтре.)

— хорошая линейность (1,5%)

— дополнительные очень интересные возможности, которые не приводятся в описании.

-шум. Для ACS712 30А клона это 7мВ или в рабочем пересчете на уровне 0,106А измеряемого тока. Но эта м/с не метрологическая и она не для мини токов. Она заточена для использования с микроконтроллером и нивелировать этот шум программно просто. Увеличение емкости конденсатора фильтра к уменьшению шума не приводит (должно бы, но у меня по непонятной причине не получилось).

Фирма Allegro выпускает широкую номенклатуру датчиков тока, с различными параметрами. Выбрать можно для любой поставленной задачи. От 5А до 200Ампер.

В данной статье пойдет разговор, как сделать ACS712 в применении более удобной для измерений в радио лаборатории. При проведении измерений у неё есть два неудобных параметра:

— коэффициент пересчета тока 66мВ/1А и при отсутствии проходного тока, выходное напряжение равно 1/2 питания. В классическом применении в связке с м/контроллером это правильно и логично. В лаборатории неудобно постоянно тыкать пальцем в калькулятор и совершенно невозможно смотреть переменный ток с небольшой постоянной составляющей. Вход осциллографа не закроеш, а 1/2 постоянки на выходе мешает.

Решение этой проблемы очень простое.

Операционным усилителем смещаем выходное напряжение прибора при отсутствии тока через м/с ACS712 на ноль и усиливаем выходное напряжение до коэффициента масштабирования = 0.1В/1А. Напряжение питания схемы (мах допустимое) выбрал 8В (рекомендованное 5В), и сделал его двуполярным для питания операционного усилителя с помощью м.с. ICL7660. Стало очень удобно и с осциллографом, и с выходом на тестер, в уме умножаем полученное напряжение на 10, получаем измеряемый ток.

У меня получилась вот такая миниатюрная коробочка.

На улицу вывел ручку переменного сопротивления (R7) подстройки ноля, подстроечником R6 подстраиваем масштабирование устройства 1А = 0,1В. Операционный усилитель можно поставить более современный и лучше Rail-to-Rail. Плату приводить нет смысла. Схема очень простая и делается по применяемой металлической коробочке. Именно металлической, м/схема подвержена воздействию внешних магнитных полей.

Но в этом недостатке и есть нестандартные дополнительные возможности. В формате этой статьи не получится рассказать о этих возможностях. Коротко напишу, что это возможность в реальном времени увидеть на экране осциллографа напряженность магнитного поля трансформатора, смотреть петлю Гистерезиса, дистанционно измерять ток. Очень неординарная функция — это измерять напряженность магнитного поля в реальном времени. Мне не встречались любительские приборы (да еще такой элементарной схемотехники) которые позволяют это делать.

2. Токовые клещи. АРРА-30Т.

Отличие от широко распространенных клещей — выход на осциллограф. Очень удобный и надежный инструмент, качество изготовления высокое, но для любительского применения получается относительно дороговато. Пользоваться удобно, измеряет как постоянный так и переменный ток на двух пределах 40А и 300А (смотрел сам 500А, но видимо на таких токах большая нелинейность). Очень хорошо смотреть стартерные токи автомобиля с пишущим осцилоскопом. И втягивающее видно и сам стартер и работу каждого цилиндра. Отсутствие цифрового дисплея не напрягает. В любом случае при измерениях тестер рядом. Можно включить паралельно осциллографу если уже приспичит. Дополнительные коннекторы приложены.

3. Пояс Роговского.

Рисунок из википедии:

Это самый казусный прибор в моей лаборатории. Появился для измерений токов в тысячи ампер. Прикинув, чем можно измерить такие токи остановился на Поясе (кольце) Роговского, так как сделать что то другое проблематично или дорого. Помыкался по инету. Описаний возможностей этого чуда много, готовые изделия в продаже есть. Реальных измерений ноль, не смотря на массу публикаций. Плюнул и за вечер сделал конструкцию.

Кольца из ламина для пола, кусочки канализационных труб диаметром 100мм и 50мм, ВЧ разьем вот и вся механика.

Кусок от фидера неизвестной породы.

На него плотно намотан провод D=0,22mm.

Витки не считал, пересчитал по длинне и плотности намотки. Получилось 1500витков. Терпеть не могу мотать катушки, но этот пояс намотал за 20мин. Начало провода припаял к центральной жиле кабеля. Центральная жила в конце намотки и сам конец провода катушки это два выхода катушки.

Пояс удобно встал в уплотняющий паз трубы. Длина пояса конечно была определена заранее.

Нагрузил пояс на сопротивление 220ом. Собрал, получил такую конструкцию.

Пропустив через экспериментальный проводник синусоидальный ток силой 400Ампер, замерил выходное напряжение поделки, одновременно сняты показания с клещей АРРА-30. Получилось, что ток силой 1000А создает в поясе Роговского ЭДС равную 0.22вольт. У Кита Сукера в книге «Силовая электроника» есть имперический расчет катушки Роговского. Посчитал, получил 0.23вольта. Остался доволен, витки я точно не считал, да и расчет у Кита имперический. Крутит прибор фазу? Ну и Бог с ней, пусть крутит.Поиметь за вечер такой нужный прибор, задаром, очень удачно. Все было хорошо до начала реальных замеров. Подключив мощный 50Гц трансформатор, к автоматике с ШИМ модуляцией тока и увидев на экране ужас электрика, поматерил Википедию, других авторов-теоретиков, себя и понял почему этот прибор так и не получил широкого распространения появившись аж в 1912г.

Все авторы публикаций характеризуют этот прибор (видимо переписывая друг у друга) как трансформатор тока (это меня и ввело в ступор, хотя формула наводимого ЭДС говорит другое). И бубнят о необходимости интегратора на выходе, для восстановления формы тока. Выходное напряжение пояса Роговского зависит не от силы исследуемого тока, а от скорости и вектора его изменения!

Это далеко не трансформатор тока и никаким интегратором реальную форму тока не восстановить. Прибор, конечно, используется, другим прибором я и не могу измерить 1000-5000Ампер в проводнике. Результат я получаю правильный, но только тогда, когда форма тока чистая синусоида, 50Гц и я в этом уверен на 100%. В энергетике он применяется видимо тоже с ограничениями. Мои знакомые энергетики о поясе Роговского ни гу-гу.

Устройство специфическое, с массой ограничений в применении итд. Но при необходимости можно работать, так как изготовление быстрое и ничего не стоит.

Выводы: Измерять большие токи сегодня для радиолюбителя не сложно и дешево. Мой любимый прибор это датчик тока на ACS715. Лет пятнадцаь назад делал автоматику на самодельных трансформаторах тока. Но сегодня во многих конструкциях не рационально их применять. По цене дороже получается, линейность хуже и удлиняется время наладки прибора. С интегральным датчиком, как на калькуляторе посчитал, так в реалии и получил. Хотя конечно трансформаторы тока имеют свою незаменимую нишу в конструкциях.

Скажу коротко, что эксперименты с датчиком тока на ACS715 в корень развенчали миф аудиофилов о насыщении трансформатора рабочим током. Привели к переосмысливанию и к совершенно новому алгоритму управления сварочным током аппарата контактной сварки. Доводится до ума автомат пуска (с системой защиты и рестартов) трехфазного двигателя в однофазной сети. На них сейчас оформляется патент на полезную модель. Итд Итп. И все это в направлении электрики и электроники, которая жевана-пережевана еще в прошлом веке. Появились новые компоненты и то что было невозможно совсем недавно, сегодня уже рутина. Но это будет уже другая история.

Источник