Датчик тока предназначен для того, чтобы передать в систему автоматического управления сигнал, пропорциональный току, протекающему в силовой цепи или для преобразования тока до значения, удобного для измерения.
В настоящее время примерно 15 % всех электроприводов имеют инверторное управление, и это управление позволяет сэкономить до 50 % всей расходуемой электроэнергии. Однако векторное управление невозможно без контроля тока, напряжения и магнитного поля.
Наиболее распространенными сегодня способами измерения тока являются три метода:
- метод прямого измерения с помощью токоизмерительного шунта;
- косвенный метод с помощью трансформатора тока;
- метод, основанный на основе эффекта Холла.
Токоизмерительный шунт
Метод прямого измерения – это наиболее часто применяемый метод, что объясняется простотой его использования и дешевизной. Прямое измерение тока обеспечивается включением в схему токочувствительного резистора (шунта), который имеет стабильный температурный коэффициент (ТКС менее 0,01 %).
Графическое изображение шунта представлено на рисунке 2.89 а, схема подключения – на рисунке 2.89 б.
Шунты изготовляют из манганина. Если шунт рассчитан на небольшой ток (до 30 А), то его обычно встраивают в корпус прибора (внутренние шунты). Для измерения больших токов используют приборы с наружными шунтами. В этом случае мощность, рассеиваемая в шунте, не нагревает прибор.
Шунт, представленные на рисунке, имеет наконечники из меди, которые служат для отвода тепла от манганиновых пластин, впаянных между ними. Шунт подключается последовательно в цепь через токовые зажимы. Измерительный механизм присоединяют к потенциальным зажимам, между которыми и заключено сопротивление шунта. При таком включении измерительного механизма устраняются погрешности от контактных сопротивлений.
Наружные шунты обычно выполняются калиброванными, т е. рассчитываются на определенные токи и падения напряжения. Калиброванные шунты должны иметь номинальное падение напряжения 10, 15, 30, 50, 60, 75, 100, 150 и 300 мВ. Для переносных магнитоэлектрических приборов на токи до 30 А внутренние шунты изготовляют на несколько пределов измерения. Большинство измерительных головок для шунтов откалибровано на напряжение в 75мВ.
Шунты разделяются на классы точности 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5. Число, определяющее класс точности, обозначает допустимое отклонение сопротивления шунта в процентах его номинального значения.
Преимущества:
- простота контракции;
- хорошая линейность;
- способность измерять постоянный и переменные токи;
- отсутствие необходимости внешнего источника питания.
Недостатки:
- отсутствие гальванической развязки;
- вносимые в цепь измерений потери;
- при низких токах шунт должен иметь высокое сопротивление, чтобы падение напряжения на нем имело достаточную величину, что приводит к необходимости применения усилителя;
- наличие паразитной индуктивности у большинства мощных резисторов приводит к ограничению полосы пропускания данного метода.
Трансформатор тока
В конструктивном отношении трансформаторы тока выполнены в виде сердечника, шихтованного из холоднокатанной кремнистой трансформаторной стали, на которую наматываются одна или несколько вторичных изолированных обмоток. Первичная обмотка также может быть выполнена в виде катушки, намотанной на сердечник, либо в виде шины. В некоторых конструкциях вообще не предусмотрена встроенная первичная обмотка; первичная обмотка выполняется потребителем путём пропускания провода через специальное окно. Обмотки и сердечник заключаются в корпус для изоляции и предохранения обмоток. В некоторых современных конструкциях трансформаторов тока сердечник выполняется из нанокристаллических (аморфных) сплавов, для расширения диапазона, в котором трансформатор работает в классе точности.
Вторичные обмотки трансформатора тока обязательно нагружаются. Сопротивление нагрузки строго регламентировано требованиями к точности коэффициента трансформации. Незначительное отклонение сопротивления вторичной цепи от номинала приводит к изменению погрешности преобразования и возможно ухудшению измерительных качеств трансформатора. Значительное увеличение сопротивления нагрузки создает высокое напряжение во вторичной обмотке, достаточное для пробоя изоляции трансформатора, что приводит к выходу трансформатора из строя, а также создаёт угрозу жизни обслуживающего персонала. Кроме того, из-за возрастающих потерь в сердечнике магнитопровода, трансформатор начинает перегреваться, что также может привести к повреждению (или, как минимум, к износу) изоляции и дальнейшему её пробою. Полностью разомкнутая вторичная обмотка ТТ не создаёт компенсирующего магнитного потока в сердечнике, что приводит к перегреву магнитопровода и его выгоранию. При этом магнитный поток, созданный первичной обмоткой, имеет очень высокое значение и потери в магнитопроводе сильно нагревают его.
Коэффициент трансформации измерительных трансформаторов тока является их основной характеристикой. Номинальный (идеальный) коэффициент указывается на шильдике трансформатора в виде отношения номинального тока первичной (первичных) обмоток к номинальному току вторичной (вторичных) обмоток, например, 100/5 А или 10–15–50–100/5 А (для первичных обмоток с несколькими секциями витков). При этом реальный коэффициент трансформации несколько отличается от номинального. Это отличие характеризуется величиной погрешности преобразования, состоящей из двух составляющих – синфазной и квадратурной. Первая характеризует отклонение по величине, вторая отклонение по фазе вторичного тока реального от номинального. Эти величины регламентированы ГОСТами и служат основой для присвоения трансформаторам тока классов точности при проектировании и изготовлении. Поскольку в магнитных системах имеют место потери, связанные с намагничиванием и нагревом магнитопровода, вторичный ток оказывается меньше номинального у всех трансформаторов тока. В связи с этим для улучшения характеристик и внесения положительного смещения в погрешность преобразования применяют витковую коррекцию. А это означает, что коэффициент трансформации у таких откорректированных трансформаторов не соответствует привычной формуле, соотношений витков первичной и вторичной обмоток.
Графическое изображение трансформаторов тока представлено на рисунке 2.90 а, на рисунке 2.90 б – схема включения.
Аналогичный метод измерений используется в датчиках, получивших название «пояс Роговского». Различие только в том, что «пояс Роговского» не имеет сердечника и поэтому его индуктивность меньше, чем у трансформаторов тока.
Преимущества:
- наличие гальваническая развязка с высоким пробивным напряжением;
- может измерять токи в несколько кА;
- высокая точность измерений.
Недостатки:
- работают на сетевой частоте и не могут использоваться в цепях постоянного тока;
- изменяет фазу сигнала и требует компенсации.
Датчики на основе эффекта Холла
Датчики компенсационного типа и датчики прямого усиления основаны на использовании эффекта Холла, Генераторы Холла обладают определенной зависимостью чувствительности и начального выходного напряжения от температуры, тем не менее, эта зависимость может быть значительно компенсирована электронной схемой датчика тока.
Датчики прямого усиления используют эффект Холла. Магнитная индукция В и напряжение Холла, создаются измеряемым первичным током IP, который необходимо преобразовать в выходной ток датчика. Ток управления подается с помощью стабилизированного источника тока.
При создании датчика тока открытого типа берется магнитопровод, пропускается через него провод измеряемой цепи и в разрез магнитопровода помещается датчик Холла (рисунок 2.91).
Достоинством такого датчика является относительная простота. Недостатком – наличие подмагничивания сердечника, следовательно, повышение нелинейности показаний.
Датчики прямого усиления позволяют измерять номинальные токи от нескольких ампер до нескольких сотен килоампер с общей точностью в несколько процентов от номинального значения.
Датчики прямого усиления способны измерять постоянный, переменный ток и токи других форм с гальванической изоляцией. Они отличаются низкой потребляемой мощностью и уменьшенными геометрическими размерами, а также относительно небольшим весом, в особенности для диапазона больших токов. Они обеспечивают отсутствие внутренних потерь в измеряемой цепи и особенно устойчивы к перегрузкам. Эти датчики сравнительно недороги и в основном применяются в промышленности.
Датчики компенсационного типа, (также называемые датчиками с нулевым потоком) имеют встроенную компенсационную цепь, с помощью которой характеристики датчиков тока, использующих эффект Холла, могут быть существенно улучшены.
В то время как датчики прямого усиления дают выход напряжения, пропорциональный увеличенному напряжению Холла, компенсационные датчики обеспечивают выходной ток, пропорциональный напряжению Холла, который действует как сигнал обратной связи, чтобы компенсировать магнитное поле, создаваемое первичным током, магнитным полем, создаваемым полем выходного тока (рисунок 2.92).
Диапазон компенсационных датчиков позволяет измерять номинальные токи от нескольких ампер до нескольких сотен килоампер с точностью около 1 %.
Компенсационные датчики способны измерять постоянный ток, переменный ток и токи иной формы с гальванической развязкой.
Они выделяются следующим:
- отличная точность;
- очень хорошая линейность;
- малый температурный дрейф;
- очень быстрое время отклика и широкий частотный диапазон;
- не приводят к дополнительным потерям в измерительной цепи.
Токовый выход этих датчиков особенно приспособлен к применению при наличии помех окружающей среды. При необходимости очень легко преобразовать сигнал датчика в напряжение. Датчики выдерживают перегрузки тока без повреждений. Эти датчики особенно хорошо подходят к промышленному применению, когда требуется высокая точность и широкий частотный диапазон. Основным недостатком этой технологии является потребление мощности на компенсацию тока. Кроме того, для диапазона высоких токов эти датчики более дорогие и имеют большие габариты по сравнению с аналогичными датчиками прямого усиления. Несмотря на это, датчики компенсационного типа являются относительно дешевыми, особенно для диапазона малых токов.
Достоинства:
- широкий диапазон измеряемых токов с частотой до 50–100кГц и выше;
- измеряет постоянный и переменный ток;
- гальваническая развязка;
- высокая точность;
- низкий температурный дрейф;
- линейность;
- небольшие масса-габаритные показатели;
- низкое энергопотребление.
Недостатки:
- высокая стоимость.
Литература
Элементы и функциональные устройства судовой автоматики - Авдеев Б.А. [2018]
