Современные датчики тока: Сравнительный анализ современных датчиков тока

Разъемные датчики тока — актуальный сегмент на рынке датчиков

Бесконтактные датчики измерения тока и напряжения на основе преобразователей Холла становятся все более востребованными в разных отраслях промышленности. Это обусловлено, с одной стороны, высокими характеристиками самих датчиков, а с другой — широкой областью их применения.

Вот только краткое перечисление возможных областей применения датчиков тока и напряжения:

• городской электрический транспорт, включающий вагонные преобразователи; тяговые подстанции;
• частотные преобразователи и приводы различного применения;
• системы контроля сварочного оборудования, источников бесперебойного питания;
• системы автоматики и телемеханики энергосистем;
• выпрямители для электрохимических процессов;
• системы мониторинга токовых цепей и пр.

Интерес к этим датчикам подтверждает и большое количество публикаций, посвященных как зарубежным [1, 2], так и отечественным [3] приборам для измерения тока с гальванической развязкой.

Настоящая статья посвящена новым приборам для измерения тока, которые должны пополнить серию датчиков тока и датчиков напряжения, выпускаемых отделением датчиков компании «НИИЭМ», производство которой расположено в г. Истра Московской области. Ранее в работе [4] достаточно подробно были представлены номенклатура и параметры этих датчиков. Потребителям, которым нужны более детальные характеристики бесконтактных датчиков тока, напряжения и датчиков мощности, можно рекомендовать сайт www.niiem46.ru, на котором представлены габаритные размеры и характеристики приборов, выложена техническая документация, свидетельства об утверждении типа средств измерений и указана стоимость датчиков.

Желание оптимизировать и снизить цены на эти приборы привело к тому, что в дополнение к серии универсальных датчиков ДТХ, которые измеряют постоянный, переменный и импульсный ток, появился ряд дешевых датчиков серии ДТТ, предназначенных только для измерения переменного тока.

Датчики этого семейства позволяют контролировать ток от единиц до 3000 А, обеспечивая удобный для последующей обработки выходной сигнал 4–20 или 0–20 мА. Есть возможность монтажа этих датчиков на DIN-рейку. Спрос со стороны разработчиков стимулировал развитие еще одного сегмента в серии датчиков — разъемных датчиков тока, описанию которых и посвящена эта статья.

 

Разъемные датчики для измерения малых токов

Внешний вид разъемных датчиков, получивших обозначение ДТР-01, представлен на рис. 1, а их основные технические характеристики приведены в таблице. Конструкция датчика [5] представляет собой разъемный корпус, состоящий из двух частей — основания и кожуха. В нижней части кожуха выполнен сквозной паз, который при сборке корпуса превращается в сквозное отверстие для размещения в нем проводника с током. Внутри самого корпуса размещается замкнутый магнитопровод (концентратор магнитного поля), выполненный из двух П-образных элементов. Один из них расположен в основании, другой — в кожухе. В кожухе также расположен чувствительный элемент, регистрирующий магнитное поле токового проводника, и печатная плата электрического устройства. В основании кожуха имеются соответствующие отверстия для стягивания болтами двух частей корпуса.

Таблица. Основные технические характеристики разъемных датчиков тока

Характеристика	ДТР-01	ДТР-03	ДТР-02	ДТХ-Ж	ДБТ
Диапазон измеряемого тока	0–5, 10, 20, 50 0–100, 150, 200, 300	0–500 0–750 0–1000	0–300 0–500 0–1000 0–1500	0–1000 0–1500 0–3000	0–5000 0–10 000 0–20 000 0–25 000
Допустимая перегрузка по току, раз	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5
Диапазон рабочих температур, оС	–20… +80	–20… +80	0… +70	–20… +70	–50… +60
Основная приведенная погрешность, не более, %	1,5	1,5	1,5	2,5	0,4
Нелинейность выходной характеристики, не более, %	0,1	0,2	0,2	0,1	0,1
Выходной сигнал при номинальном измеряемом токе, мА	4/20	4/20	4/20	200* 300 1000	5
Коэффициент передачи	1:4000	1:5000	1:5000	1:5000 1:3000	1:4000
Полоса пропускания, Гц	50	65	50	0–50 000	–
Источник питания, В	8–30	10–30	8–36	±(18–24) ±(24–36)
Диаметр отверстия под токовую шину, мм	Прямоугольное отверстие 19×19	50	Прямоугольное отверстие 10×82		Прямоугольное отверстие
Габаритные размеры, мм	85×55×35	65×109×143,5	116×102×44	194×118×82
Масса, г	130	500	450	700 900

Примечание. ^* По требованию заказчика возможно изготовление датчиков со стандартным токовым выходом 4–20 мА или TRUE-RMS.

Рис. 1. Внешний вид разъемных датчиков ДТР-01

Разъемный датчик монтируется непосредственно на проводнике. Протекающий по проводнику переменный ток формирует в магнитопроводе магнитный поток, который наводит в катушках индуктивности (чувствительном элементе) ЭДС, пропорциональную значению протекающего тока.

При протекании по проводнику постоянного тока чувствительными элементами прибора являются два датчика Холла, расположенные в зазорах между двумя частями магнитопровода. Катушки индуктивности в этом случае по своей функции являются компенсационными. Магнитный поток, создаваемый катушками, компенсирует магнитный поток от тока, протекающего в проводнике. Питание датчика и снятие выходного сигнала, пропорционального измеряемому току, осуществляется с помощью разъема на лицевой панели корпуса. Питание датчика 10–30 В осуществляется по токовой петле 4–20 мА с гальванической изоляцией входной шины от цепей питания выхода.

 

Разъемные датчики для больших токов

Конструкция датчика ДТР-01 позволяет осуществлять его питание непосредственно на токовой шине, и это одно из главных достоинств такого типа датчиков. Особенно удобно использовать эти датчики при измерении тока в труднодоступных местах, или когда необходимо провести мониторинг токовых цепей без остановки производства и без разрыва токовой шины.

Такие датчики разрабатывались с расчетом на малое квадратное «окно» под токовую шину. Размеры «окна» под токовую шину — 19×19 мм. Поэтому ток, измеряемый датчиками ДТР-01, ограничен величиной в 300 А (таблица). Эти недостатки устранены в конструкции другого разъемного датчика — ДТР-03 (рис. 2). Внутренний диаметр разъемных полуколец составляет 50 мм, что позволяет измерять ток до 500, 750 и 1000 А (таблица). При этом преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью стандартного интерфейса «токовая петля 4–20 мА» с гальванической изоляцией входной шины от цепей питания и выхода.

Выходной сигнал датчика 4–20 мА пропорционален среднеквадратичному значению измеряемого тока.

Датчик легко монтировать в шкаф или блок, так как на основании его корпуса есть специальные крепежные панели, а прилегающая ответная часть разъема позволяет быстро включить его в электрическую цепь.

Рис. 2. Внешний вид разъемных датчиков ДТР-03

Датчики ДТР-01 и ДТР-03 используются для контроля тока, который протекает по круглым шинам. Однако во многих видах подвижного транспорта, в электрохимическом производстве и пр. для подачи больших токов используются плоские шины, и тогда требуется другая конструкция датчиков.

На рис. 3 представлена конструкция разъемного датчика с размерами «окна» под плоскую шину 10×82 мм. Для удобства потребителей и с целью снижения цены кроме универсального разъемного датчика, представленного на рис. 3б (он измеряет постоянный, переменный и импульсный ток от 1000 до 3000 А), разработан упрощенный вариант датчика. Этот датчик (рис. 3а) предназначен для измерения только переменного тока. Принцип работы этих датчиков идентичен описанным выше приборам.

Рис. 3. Конструкция:
а ) разъемного датчика ДТР-02;
б) датчика ДТХ-1000Ж под плоскую токовую шину

Датчики ДТР-02 по требованию заказчиков комплектуются стандартным токовым выходом 4–20 или 0–20 мА или изготавливаются с выходом среднеквадратических значений TRUE-RMS. Датчики ДТХ-1000Ж, ДТЧ-1500Ж и ДТХ-3000Ж содержат преобразователи Холла и используют компенсационный метод измерения проходящего по шине тока. Питание датчиков ДТР-02 от 8 до 36 В осуществляется по токовой шине. Для датчиков ДТХ необходимо питание от стабилизированного двуполярного источника постоянного напряжения:

• для ДТХ-1000Ж, 1500Ж — ±(18–24) В ±5%;
• для ДТХ-3000Ж — ±(24–36) В ±5%.

Выходной сигнал датчиков пропорционален действующему значению измеряемого тока.

С учетом специфики применения этих приборов на подвижном транспорте в конструкции датчиков проведена замена разъема на отдельные резьбовые винтовые соединения. Крепление датчиков осуществляется непосредственно на токовой шине с помощью прижимной струбцины.

Из таблицы следует, что максимальный ток, который можно измерить датчиком ДТХ-3000Ж, не превышает 4000 А. Однако для многих крупных предприятий электрохимической и электрометаллургической отраслей необходимо измерять ток на порядок больше. Кроме того, специфика таких предприятий накладывает целый ряд ограничений по отношению к датчикам больших токов, и к этим приборам предъявляются дополнительные требования.

Разработанный в компании «НИИЭМ» датчик тока ДБТ (рис. 4) предназначен для измерения любого вида тока с гальванической развязкой силовой цепи и цепей контроля. Датчик выполнен по компенсационной схеме и состоит уже из двух устройств: измерительного контура и источника питания, который обеспечивает измерительный контур необходимым питанием и формирует выходной сигнал. Измерительный контур представляет собой замкнутый магнитопровод, он выполнен в виде квадрата с вырезом и охватывает в процессе измерения токонесущую шину. В зазорах магнитопровода расположены магниточувствительные элементы — датчики Холла (ДХ). На магнитопровод намотаны компенсационные катушки и так называемая поверочная обмотка. Магнитопровод с ДХ и катушками заключен в дюралюминиевый кожух. На кожухе расположен двуполярный усилитель, выполненный по мостовой схеме. Нагрузкой усилителя являются компенсационные катушки. Последовательно с катушками соединен измерительный резистор, который расположен в блоке источника питания.

Рис. 4. Внешний вид датчика больших токов ДБТ:
а) измерительный контур;
б) источник питания

Разъемный измерительный контур монтируется непосредственно на токовой шине. При протекании тока по токонесущей шине в магнитопроводе измерительного контура наводится магнитное поле. Датчики Холла преобразуют магнитное поле в токовый сигнал, пропорциональный полю, и этот сигнал поступает на вход усилителя. Далее усиленный сигнал подается на компенсационные катушки. Через компенсационную обмотку и измерительный резистор течет ток, пропорциональный измеряемому магнитному полю токонесущей шины и, следовательно, измеряемому току [6].

Основные параметры датчика больших токов приведены в таблице. Питание датчика ДБТ осуществляется от промышленной сети переменного тока 50 Гц, 220 В ±10%. Датчик работоспособен при перегрузке в 1,5 раза по отношению к номинальному току. Датчик ДБТ в 3–3,5 раза дешевле зарубежных аналогов, однако, поскольку он является материалоемким прибором, то изготавливается исключительно под заказ. В связи с этим в таблице не указаны массо-габаритные данные прибора, поскольку они могут меняться от образца к образцу по требованию заказчиков.

Помимо цены, существенным достоинством датчика больших токов является возможность его периодической поверки без демонтажа измерительного контура.

Литература

1. Данилов А. Современные промышленные датчики тока // Современная электроника. 2004. № 10.
2. Чекмарев А. Датчики тока и напряжения АВВ — от печатной платы до преобразователей-гигантов // Силовая электроника. 2006. № 3.
3. Портной Г. Я. Обзор современных магниточувствительных датчиков Холла и приборов на их основе // Электронные компоненты. 2012. № 12.
4. Портной Г. Я. Датчики электрических величин для электроэнергетики и электропривода // Электронные компоненты. 2005. № 11.
5. Разъемный датчик тока. Патент № 108634. Г. Я. Портной, О. А. Болотин.
6. Датчик больших токов. Патент № 110193. Г. Я. Портной, О. А. Болотин.

2. Обзор существующих датчиков тока

2.1 Современные промышленные датчики тока.

Современная практика и научные исследования требуют измерений больших токов — до 12 МА. Токи при этом могут быть постоянными, переменными, и импульсными с длительностью импульсов от долей микросекунд до нескольких десятков миллисекунд. Измерение больших постоянных токов — до 200500 кА широко используется в устройствах электролиза алюминия. Большие переменные токи — до 150200 кА имеют место в мощных дуговых электропечах. В термоядерных установках токи достигают сотен килоампер.

В ряде случаев необходимо проводить измерения при сверхнизких и высоких температурах, например, в криотурбогенераторах или криомодулях высокоскоростных транспортных средств на магнитной подушке, при исследовании плазменных и термоядерных источников энергии.

Достоверное измерение токов в энергетическом и управляющем оборудовании является важным аспектом обеспечения высокой надёжности и безопасности промышленных систем и электронных приборов. Специализированные датчики также применяются для определения разбаланса токов, мониторинга и диагностики цепей, запуска схем защиты, обнаружения отказов электрооборудования и аварийных состояний различных типов нагрузки.

Существует множество методов измерения тока, однако в промышленности наиболее широко применяются четыре: резистивный, магнитооптический, на основе эффекта Холла и трансформатора тока; последний может быть использован только в цепях переменного тока. Датчики тока, реализованные на базе указанных методов, имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.

Рассмотрим конструкцию каждого датчика.

2.2 Резистивные датчики.

Резистивные датчики – самые дешёвые, линейные и точные. Однако им присущи потери, вносимые в цепь измерения, отсутствие гальванической развязки, ограничение полосы пропускания, обусловленное паразитной индуктивностью большинства мощных резисторов, а также саморазогрев и термо ЭДС при больших токах, снижающие точность измерения.

Низкоиндуктивные измерительные резисторы существенно дороже, но могут быть использованы для измерения токов в диапазоне частот до нескольких мегагерц. Для усиления или обработки напряжения, выделяющегося на токочувствительном резисторе, необходим дифференциальный усилитель или компаратор, обладающий достаточным КОСС, особенно вблизи питающих напряжений.

2.3 Датчики Холла.

Первые промышленные датчики на основе эффекта, открытого в 1897 г.

американским физиком Эдвином Холлом (Edwin H. Hall, 1855–1938), были разработаны в конце 1960х. Однако широкое использование интегральных и гибридных датчиков тока на основе эффекта Холла долгое время сдерживалось их высокой стоимостью. К началу 1990_х были разработаны новые технологии, позволившие значительно снизить себестоимость производства самих ячеек Холла и интегральных схем на их основе. Это

обусловило бурный рост предложения промышленных датчиков тока и других магниточувствительных полупроводниковых приборов.

Эффект Холла заключается в появлении напряжения на концах полоски проводника или полупроводника, помещённого перпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рис. 8). Для меди напряжение Холла составляет 24мкВ/кГс, для полупроводника – свыше ±110 мВ/кГс (с учётом направлений магнитного поля и тока), что вполне достаточно для построения промышленных датчиков тока, главными преимуществами которых является отсутствие вносимых потерь и «естественная» гальваническая развязка. В линейных датчиках Холла выходное напряжение пропорционально приложенному магнитному полю, за исключением режимов симметричного насыщения. По сравнению с резистивными датчиками тока, приборы на основе ячейки Холла имеют более узкий частотный диапазон, паразитное напряжение смещения (в некоторых конструкциях), низкую точность, высокую стоимость и требуют для работы внешний источник питания.

На рис. 9 и 10 схематически представлены две основные разновидности датчиков тока на основе эффекта Холла – разомкнутого и замкнутого

типов соответственно, где I primary – ток в первичной цепи, I secondary – ток во вторичной цепи, Vout – выходное напряжение усилителя, пропорциональное току в первичной цепи. Датчики замкнутого типа (с компенсирующей обмоткой) обеспечивают высокую точность, в несколько раз более широкую полосу пропускания и, как правило, не имеют выходного

смещения при нулевом токе. Их чувствительность прямо пропорциональная числу витков компенсирующей обмотки. Однако по стоимости

они приближаются к трансформаторам тока.

что такое, схема подключения, сборка своими руками

Глобальные тренды — спрос на снижение выбросов CO2, повышение интенсивности энергосбережения — приводят к необходимости сбалансированного потребления энергии, для чего большую помощь могут оказать электронные схемы управления процессами. Наиболее распространённые случаи — это оптимизация эксплуатационных характеристик аккумуляторов, контроль скорости вращения двигателей и переходных процессов в серверах, управление солнечными батареями. Для операторов таких систем важно, в частности, знать, какой ток протекает в цепи. Неоценимую помощь в этом могут оказать датчики тока.

Почему необходимы  датчики тока

Датчиками называют блоки, задача которых измерить некоторый параметр, а потом, сравнив его с эталонным для данной технической системы значением, подать соответствующий сигнал на исполнительный элемент схемы. Поскольку большинство систем используют электродвигатели, то наиболее распространёнными типами являются датчики тока и напряжения (общий вид последнего представлен на следующем рисунке).

Широкое внедрение таких устройств обусловлено развитием сенсорных методов управления, когда исходный сигнал — электрический или оптический — преобразуется в необходимые параметры управления.

По сравнению в другими управляющими технологиями (например, контакторного контроля) датчики обеспечивают следующие преимущества:

1. Компактность.
2. Безопасность в применении.
3. Высокую точность.
4. Экологичность.

Малые размеры и вес часто позволяют изготавливать многофункциональные датчики, например, такие, которые могут контролировать несколько параметров цепи. Таковыми являются современные датчики тока и напряжения.

В состав таких детекторов входят:

• Контактные группы входа;
• Контактные группы выхода;
• Шунтирующий резистор;
• Усилитель сигнала;
• Несущая плата;
• Блок питания.

Идея того, что устройства можно подключать к уже имеющейся сети, не выдерживает проверку временем, ибо часто в экстремальных ситуациях (пожар, взрыв, землетрясение) именно системы встроенного электроснабжения первыми выходят из строя.

Детекторы подразделяют на активные и пассивные. Первые не только передают конечный сигнал на управляющий элемент, но и управляют его действием.

Классификация и схемы подключения

Датчики тока предназначаются для оценки параметров постоянного и/или переменного тока. Сравнение выполняется двумя методами.  В первом случае используется закон Ома. При установке шунтирующего резистора в соответствии с нагрузкой системы на нём создаётся напряжение, пропорциональное нагрузке системы. Напряжение на шунте может быть измерено дифференциальными усилителями, например, токовыми шунтирующими, операционными или разностными. Такие устройства используются для нагрузок, которые не превышают 100 А.

Измерение переменного тока выполняется в соответствии с законами Ампера и Фарадея. При установке петли вокруг проводника с током там индуцируется напряжение. Этот метод измерения используется для нагрузок от 100 А до 1000 А.

Схема описанных измерений представлена на рисунке:

Слева — измерение малых токов; справа — измерение больших токов

Измерение обычно производится при низком входном значении синфазного напряжения. При помощи чувствительного резистора датчик тока соединяется между нагрузкой и землей. Это необходимо, поскольку синфазное напряжение всегда учитывает наличие операционных усилителей. Нагрузка обеспечивает питание прибора, а выходное сопротивление заземляется. Недостатками данного способа считаются наличие помех, связанных с потенциалом нагрузки системы на землю, а также невозможность обнаружения коротких замыканий.

Для слежения работой мощных систем детектор присоединяют к усилителю между источником питания и нагрузкой. В результате непосредственно контролируются значения параметров, подаваемых источником питания. Это позволяет идентифицировать возможные короткие замыкания. Особенность подключения заключается в том, что диапазон синфазного напряжения на входе усилителя должен соответствовать напряжению питания нагрузки. Перед измерением выходного сигнала контролируемого устройства нагрузка заземляется.

Как функционирует датчик тока

Работа данного элемента включает следующие этапы:

1. Измерение нагрузки в контролируемой схеме.
2. Сравнение полученного значения с эталонным, которое программируется в процессе настройки.
3. Фиксация полученного результата (может быть выполнена в цифровом или аналогом виде).
4. Передача данных на панель управления.

Для выполнения указанных функций (в частности, реализации высокой точности измерений) к элементам детектора предъявляются следующие требования:

• Допустимое падение напряжения на шунтирующем резисторе должно быть не более 120…130 мВ;
• Температурная погрешность не может быть выше 0.05 %/°С и не изменяться во времени работы;
• В функциональном диапазоне значений характеристики сопротивления резисторов должны быть линейными;
• Способ пайки токочувствительных резисторов на плату не может увеличивать общее сопротивление схемы подключения.

Монтажные схемы устройств, которые предназначены для контроля цепей постоянного и переменного тока представлены соответственно на рисунках.

Практика применения

Чаще всего данные изделия используются как измерители в схемах токовых реле, которые управляют режимами работы различного электроприводного оборудования и предохраняют его от экстремальных ситуаций.

Токовые реле способны защитить любое механическое устройство от заклинивания или других условий перегрузки, которые приводят к ощутимому увеличению нагрузки на двигатель. Функционально они определяют уровни тока и выдают выходной сигнал при достижении указанного значения. Такие реле используются для:

• Сигнала сильноточных условий, например, забитая зёрнами доверху кофемолка;
• Некоторых слаботочных условий, например, работающий насос при низком уровне воды.

Чтобы удовлетворить требования разнообразного набора приложений, в настоящее время используется блочный принцип компоновки датчиков, включая применение USB-разъёмов, монтаж на DIN-рейку и кольцевые исполнения устройств. Это обеспечивает выполнение следующих функций:

• Надёжную работу на любых режимах эксплуатации;
• Возможность применения трансформаторов;
• Регулировка текущих параметров, которые могут быть фиксированными или регулируемыми;
• Аналоговый или цифровой выход, включая и вариант с коротким замыканием;
• Различные исполнения блоков питания.

В качестве примера рассмотрим схему датчика тока для управления работой водяного насоса, обеспечивающего подачу воды в дом.

Кавитация — это разрушительное состояние, вызванное присутствием пузырьков, которые образуются, когда центробежный насос или вертикальный турбинный насос работает с низким уровнем жидкости. Образующиеся пузырьки затем лопаются, что приводит к точечной коррозии и разрушению исполнительного узла насоса. Подобную ситуацию предотвращает токовое реле.

Когда насос работает в нормальном режиме, и жидкость полностью перекрывает его впускное отверстие, двигатель насоса потребляет номинальный рабочий ток. В случае снижения уровня воды потребляемый ток уменьшается.  Если кнопка запуска нажата, одновременно включаются стартёр M и таймер TD. Реле CD настроено на максимальный ток, поэтому его контакт при первоначальном запуске двигателя не будет замкнут. При падении силы тока ниже установленного минимума реле включается, а, после истечения времени ожидания TD, включается в его нормально замкнутый контакт. Соответственно контакты CR размыкаются и обесточивают двигатель насоса.

Применение такого детектора исключает автоматический перезапуск насоса, поскольку оператору необходимо убедиться в том, что уровень жидкости перед впускным отверстием достаточен.

Датчик тока своими руками

Если приобрести стандартный датчик (наиболее известны конструкции от торговой марки Arduino) по каким-то соображениям невозможно, устройство можно изготовить и самостоятельно.

Датчик тока фирмы Arduino. Стрелкой указан USB-разъём.

Необходимые компоненты:

1. Операционный усилитель LM741, или любой другой, который мог бы действовать как компаратор напряжения.
2. Резистор 1 кОм.
3. Резистор 470 Ом.
4. Светодиод.

Общий вид устройства в сборе, сделанного своими руками, представлен на следующем рисунке. В данной схеме используется эффект Холла, когда разность управляющих потенциалов может изменяться при изменении месторасположения проводника в электромагнитном поле.

Видео по теме

Оптические датчики тока и напряжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

оптические датчики тока

и напряжения

Ирина АБрАмЕнковА

[email protected] Иван корнЕЕв

Юрий троицкий

[email protected]

рассмотрен класс магнитооптических и электрооптических датчиков тока и напряжения, обеспечивающих естественную гальваническую развязку высоковольтной и измерительной части при снижении массо-габаритных показателей, повышении безопасности их эксплуатации и снижении затрат при монтаже. рассмотрены перспективы использования этих датчиков в металлургической и химической промышленности, а также в судостроении.

Неослабевающий интерес к волоконнооптическим датчикам тока, работа которых основана на эффекте Фарадея, и датчиков напряжения, основанных на использовании эффекта Поккельса [1], связан с высокими потенциальными возможностями этих устройств. К ним относятся:

• Широкий динамический диапазон измерений (токов до сотен кА, напряжения до сотен кВ).

• Высокая линейность.

• Широкий частотный диапазон, позволяющий анализировать гармоники напряжения и тока непосредственно в высоковольтной цепи.

• Отсутствие влияния нагрузки вторичных цепей и потерь в них.

• Высокая устойчивость оптоволоконных информационных каналов к внешним электромагнитным помехам.

• Меньшие массо-габаритные показатели.

Оптическая петля

Электронно-оптический блок

Проводник с током

Поляризатор

Поляризатор

Разветвитель

Т

Фотоприемник

Источник оптического сигнала

Цт3іпфі , г ,, ит5іпфі+Аф

Цифровой блок

рис. 1. Структурная схема оптоволоконного датчика тока с электронно-оптическим блоком

• Первичный оптический преобразователь

может быть удален от блока электроники

на 450-900 м и более.

Применение таких трансформаторов особенно эффективно в высоковольтных и средневольтовых электрических сетях, что объясняется тем, что наиболее сложные вопросы обеспечения изоляции, особенно для высоковольтных приложений, решаются автоматически за счет физической природы преобразования, так как элементы оптики оптического волокна изначально являются диэлектриками. ї,

где V — постоянная Верде.

(1)

Постоянная Верде — величина, характеризующая магнитное вращение плоскости поляризации в веществе. Ее значение зависит от свойств вещества, длины волны и монохроматичности излучения.

Пришедшие световые потоки преобразуются фотоприемником в два напряжения переменного тока с частотой ю = 2пС/Х (С — скорость света в оптоволокне, X — длина волны оптического излучения). Полученные электрические сигналы поступают на ввод аналогоцифрового преобразователя электронного блока, преобразующего угол Дф в цифру с дальнейшей обработкой в DSP-процессоре. Цифровой блок оснащен высокоуровневыми и низкоуровневыми аналоговыми интерфейсами и дополнительным цифровым интерфейсом, поддерживающим стандарт 1ЕС 61850, что открыло пути к созданию полностью цифровой системы защиты и измерения.

работа оптического датчика напряжения

Работа оптического датчика напряжения основана на эффекте Поккельса, заключающемся в возникновении двойного лучепреломления в оптических средах при наложении постоянного или переменного электрического поля (рис. 2), что наблюдается у кристаллических пьезоэлектриков:

Дф = пхLхKхE/X,

(2)

где Е — напряженность электрического поля; L — толщина пластины; X — длина волны; К — электро-оптические коэффициенты.

Эффект находится в прямо пропорциональной зависимости от величины приложенного электрического поля. Напряжение рассчитывается на основании измерения датчиками напряженности электрического поля в нескольких точках колонны.

Разработкой оптических датчиков напряжения и тока занимается целый ряд компаний, среди которых следует отметить канад-

Световод

%

ф

АЦП

Усилители

ЦАП

ІГ

Ц(100А)

U(4B) —–►

Коді

Рис. 2. Упрощенная структурная схема оптического датчика напряжения с электронно-оптическим блоком

Таблица 1. Сравнительные характеристики оптоволоконных датчиков тока различных компаний

Характеристика NxtPhase PowerSense OptiSense FieldMetrics ABB Airak ооо«УВП»

Номин. токи, кА о о 7 о 5-20 0,003-1 0,6-20 1-3,5 0,003-30 1-450

Класс точности, % 0,25 2 0,2 0,2 0,2 1 0,25

Рабочая частота, Гц 50/60 50/60 – 50/60 50/60 50/60 0-6000

Частотная полоса, Гц 0 0 0 6 j_ О 0, – – до 5000 0-10 000 5-5000 0-9000

Номин. напряжение, кВ 69-765 36 15, 20, 35 11-36 72,5-800 3,6-36 110-750

Масса, кг 49-95 – 9 5-15 50-186 0,028-0,57 от 40

Диапазон рабочих температур, °С -50…+60 -40…+50 -40…+75 -50. ..+85 -5…+40 -40…+85 -50…+60

Таблица 2. Сравнительные характеристики оптических датчиков напряжения различных компаний

Характеристика NxtPhase OptiSense FieldMetrics ABB Airak ооо«УВП»

Номин. напряжение, кВ 121-550 35 138 115-550 0,003-5 110

Класс точности, % 0,2/3 0,2 0,3 0,2 1 (5) 0,1

Рабочая частота, Гц 10/3000 – – – 50/60 –

Частотная полоса, Гц 0,1-6000 – 5-5000 – 6-5000 –

Масса, кг 132-650 2,5 68 50-186 0,17 98

Диапазон рабочих температур, °С -40…+50 -40…+50 -40…+70 -5…+40 0…+50 -50…+60

скую компанию NxtPhase T&D Corporation, шведскую фирму PowerSense, американские фирмы OptiSense Network, Inc., ABB, Inc., Airak, Inc., FieldMetrics, Inc. (FMI).

Интерес к разработкам, исследованиям и внедрению этих датчиков проявляется и в России. Впервые в нашей стране оптические преобразователи были продемонстрированы компанией «ПроЛайн» [2], являющейся эксклюзивным представителем компании NxtPhaseT&D Corporation, на выставке «Электрические сети России» в ноябре 2006 года. Уже в 2007 г. установлены и введены в эксплуатацию комбинированные оптические системы NXVCT-220 на подстанции 220 кВ ОАО «РЖД». В апреле 2008 г. с применением оптического трансформатора NXCT-F3 в Сургуте создан опытный полигон для подтверждения его эксплутацион-ных и метрологических характеристик. В декабре 2008 г. ОАО «ТГК1» с применением оптического трансформатора NXCT-F3 введена точка коммерческого учета.

В 2006 г. в России создана компания ООО «Уникальные волоконные приборы» [3], занимающаяся разработкой и изготовлением отечественных оптоволоконных трансформаторов тока и напряжения, которые, судя по публикуемым техническим характеристикам, не уступают лучшим зарубежным образцам.

Датчики компании NxtPhase T&D Corporation [4] достаточно хорошо известны отечественным специалистам в области автомати-

зации систем контроля и защиты электрических сетей высокого напряжения. Вместе с тем следует сказать, что огромные возможности открывают оптические датчики для средневольтовых (МУ) и низковольтных (ЕУ) цепей. Малые габариты и вес этих датчиков позволяют разместить измерительный комплекс на их основе на опоре линии электропередачи или подвесить к проводам. В ряде случаев эти датчики выгодно использовать и в сетях низ-

кого напряжения, получая выигрыш по надежности и массо-габаритным показателям.

Некоторые обобщенные сравнительные характеристики оптических датчиков различных компаний приведены в таблицах 1, 2.

Естественно, что в таблицах даются некоторые обобщенные параметры продукции, выпускаемой той или иной компанией, без указания особенностей конкретных марок изделий.

Рассмотрим несколько подробнее некоторые характерные особенности оптических датчиков каждой компании и, соответственно, области их применения.

Компания NxtPhase T&D Corporation выпускает:

• высоковольтные измерительные оптические преобразователи тока NXCT для измерения тока до 4 кА с классом точности 0,5 в сетях 60-750 кВ;

• высоковольтные измерительные оптические преобразователи напряжения NXVT для измерения напряжения в диапазоне 138-500 кВ с классом точности 0,25;

• высоковольтные измерительные оптические преобразователи тока и напряжения, совмещенные NXVCT для измерения тока в диапазоне до 4 кА и напряжения до 500 кВ с классом точности 0,25;

• измерительные оптические преобразователи, трансформируемые NXCT-F3, предназначенные для измерения токов до 100 кА в цепях переменного тока и до 600 кА в цепях постоянного тока, что дает возможность их использования в металлургической и химической промышленности. Компания FieldMetrics, Inc. [5] основана

в 2001 г. и специализируется на разработке и производстве трех линеек оптоволоконных датчиков для средневольтовых (11-36 кВ) энергетических сетей переменного тока: MetPod, Fiber MetPod, MetPod Lite класса 0,2. В линейку MetPod входят комбинированные датчики тока и напряжения (рис. 3а), которые могут крепиться непосредственно

на опоре. Электронный блок с автономным блоком питания выполнен в единой конструкции с датчиками. Связь с пунктом сбора и обработки информации осуществляется по радиоканалу мощностью до 1 Вт.

Fiber MetPod предусматривает интегрированное исполнение датчика тока, датчика напряжения и электронного преобразователя оптических сигналов в цифровой код, размещаемых в легком прочном корпусе. Непосредственно на корпусе монтируется радиопередатчик, обеспечивающий беспроводную связь с диспетчерским пунктом.

MetPod Lite — датчик тока класса 0,3, облегченной конструкции, крепится на изолированной штанге, подключаемой между активным проводом и нейтралью (рис. 3б). Датчики имеют более низкую стоимость по сравнению с MetPod.

Помимо оборудования для контроля параметров средневольтовых сетей, фирма активно разрабатывает и внедряет датчики класса 0,3 для высоковольтных приложений. В основе этих датчиков лежит модульный принцип построения, состоящий в использовании опорных модулей на 15 кВ, из которых можно набирать датчики для сетей до 750 кВ.

Компания PowerSense A/S [6], основанная в 2006 году, предложила потребителям линейку энергоизмерительного оборудования Discos, в которую вошли оптоволоконные датчики тока (рис. 4а), напряжения (рис. 4б) и комбинированные датчики тока/напряжения (рис. 4в), предназначенные для работы в сетях до 36 кВ. Диапазон измерения токов — от 5 А до 20 кА с погрешностью 2%, погрешность измерения напряжения — 1%. Сами датчики крепятся на штанге и оптоволокном соединяются с оптическим модулем, размещаемым на опоре.

Компания Optisense Network, основанная в 2001 г., специализируется на производстве высокоточных компактных датчиков тока и напряжения, используемых в сетях с напряжением до 35 кВ.

Компания Airak, Inc. [7] выпускает оптоволоконные датчики, отличающиеся наименьшими массо-габаритными показателями.

Оптоволоконные датчики напряжения этой фирмы вместе с пятиметровыми выводами весят всего 170 г (рис. 5а). Датчик напряжения размещен на специальной платформе, расположенной на опоре. Стандартный диапазон измерения напряжения — 5 кВ (со сменой ячейки Поккельса диапазон может быть расширен до 13,8 кВ). Максимальная приведенная погрешность составляет 5%, типовая — 1%.

Судя по приведенным данным, недостатками датчика являются низкая точность измерения и малый диапазон измеряемых напряжений. Существенным недостатком для его применения в российских условиях является также температурный диапазон — 0.. .50 °С.

Лучшими показателями обладают датчики тока этой фирмы. Токовый датчик для воздушных линий (рис. 5б) позволяет измерять токи в диапазоне от 3 А до 1 кА (возможны версии до 15 кА) с погрешностью, не превышающей 1%. Он работает в диапазоне температур -40.. .+85 °С. Вес этих датчиков не превышает 570 г, что позволяет легко смонтировать их прямо на проводах, не прибегая к разъединению линии (рис. 6).

Компактность и малый вес последнего датчика привлекает внимание разработчиков систем контроля и управления энергетическими системами на наземном, морском и воздушном транспорте. В США в рамках программы по модернизации морского флота разрабатываются так называемые «полностью электрические» (all-electric) корабли [8]. Первое такое судно должно быть сдано в эксплуатацию в 2011 г. Для обеспечения мониторинга и управления всеми системами корабля требуется около 10 000 электрических датчиков. Такую задачу невозможно решить с использованием традиционных датчиков, включая датчики Холла. В связи с этим на фирме Airak, Inc. специально для этих целей были разработаны сверхминиатюрные оптоволоконные датчики тока и напряжения с погрешностью измерения 1%.

Представляет интерес датчик, предназначенный для измерения тока и напряженности магнитного поля при применении в стационарном оборудовании (рис. 7). Датчик имеет

Рис. 5. а) оптоволоконный датчик напряжения фирмы Airak, Inc.;

б) токовый датчик для воздушных линий

.3

Рис. 6. Размещение датчиков фирмы Airak, Inc. на воздушной линии электропередачи

Рис. 7. Датчик тока и напряженности магнитного поля для применения в стационарном оборудовании

вес 28 г и устанавливается на шину 4″х%”. Токи измеряются в диапазоне от 3 А до 3 кА с погрешностью не более 1%.

Компания ABB, Inc. [9] известна, прежде всего, по токовым датчикам, используемым в цепях постоянного тока, основанным на эффекте Холла [10]. Преобразователи такого типа хотя и надежны, но очень сложны, а их вес может достигать 2000 кг. При их установке также необходимы сложные процедуры настройки для исключения влияния асимметричного поля и перекрестных наводок с расположенных рядом шин. Для решения этих и других проблем компания ABB разработала новый оптоволоконный датчик тока (Fiber Optic Current Sensor, FOCS) (рис. 8) [11]. По сравнению с датчиками Холла новые датчики имеют следующие преимущества:

• Продолжительность установки и ввода в эксплуатацию измеряется часами, а не днями.

• Резко снижается сложность системы.

• Устройства не подвержены воздействию магнитных полей сложных конфигураций и перекрестным наводкам от соседних шин.

• Повышается точность (до 10-кратного уменьшения погрешности).

• Широкая полоса пропускания обеспечивает быструю реакцию на пульсации и нестационарные токи.

• Датчики обеспечивают измерение постоянных токов как в одном, так и в двух направлениях.

Датчик позволяет измерять токи от 0 до ±500 кА с погрешностью 0,1% в диапазоне частот от 0 до 4 кГц. Вес одной секции — 5 кг.

Применение таких датчиков в металлургической и химической промышленности может существенно повысить эффективность производства и дать значительный экономический эффект. В производстве алюминия, меди, марганца, цинка, стали и хлора требуются огромные объемы электроэнергии.

Рис. 9. Эквивалентная схема измерения напряжения с помощью датчика тока

Электролизные ванны для производства алюминия обычно питаются постоянным напряжением 1000 В и потребляют ток до нескольких сот килоампер. Необходимо учесть, что ошибка на 0,1% в измерении тока 500 кА приводит к ошибке учета мощности на 0,5 МВт.

Компания ABB, Inc. считается одним из лидеров в разработке и оптоволоконных датчиков для высоковольтных электроэнергетических приложений. Магнитооптические датчики тока (Magneto-Optic Current Transformer, MOCT) этой компании (рис. 7) могут использоваться в сетях с напряжением от 72,5 до 800 кВ для измерения токов до 3,5 кА.

Оптоволоконные датчики напряжения обычно имеют более сложную конструкцию. В связи с этим компания ABB для измерения напряжения предложила проводить измерение тока через нагрузку с известным значением сопротивления, подключенную после-

довательно с датчиком MOCT (рис. 9) [12]. Физически указанная нагрузка реализована с помощью электрооптического трансформатора напряжения EOVT (рис. 10) [13].

Как следует из предложенного обзора, класс оптических датчиков тока и напряжения может занять существенное место в системах мониторинга, контроля и управления в энергетике, металлургической, химической, судостроительной и оборонной промышленности. ■

Литература

1. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Власов М., Сердцев А. Оптические трансформаторы: первый опыт // Энергоэксперт. 2007. № 1.

3. www.ufdgroup.ru

4. www.nxtphase.com

5. www.fieldmetricsinc.com

6. www.sensethepower.com

7. www.airak.com

8. Duncan P., Mastro S. Fiber Optic current und potential sensors for naval shipboard use // A publication of the National Electronics Manufacturing Center of Excellence. April 2005.

9. www.abb.com

10. Чекмарев А. Датчики тока и напряжения АВВ. От печатной платы до преобразователей-гигантов // Силовая электроника. 2006. № 3.

11. Бонерт К., Гугенбах П. Новый оптоволоконный датчик FOCS от ABB для электрохимических производств // ABB Ревю. 2005. № 1.

12. Performance Assessment of Advanced Digital Measurement and Protection Systems. PSERC Publication 06-23. August 2006.

13. Bohnert K., Gabus P., Brandle H. Fiber-Optic Current and Voltage Sensors for High-Voltage Substations // Invited paper at 16th International Conference on Optical Fiber Sensors. October 13-17, 2003, Nara Japan Technical Digest.

Датчик тока

Для того чтобы успешно автоматизировать различные технологические процессы, эффективно управлять приборами, устройствами, машинами и механизмами, нужно постоянно измерять и контролировать множество параметров и физических величин. Поэтому неотъемлемой частью автоматических систем стали датчики, обеспечивающие получение информации о состоянии контролируемых устройств.

По своей сути каждый датчик является составной частью регулирующих, сигнальных, измерительных и управляющих приборов. С его помощью преобразуется та или иная контролируемая величина в определенный тип сигнала, позволяющий измерять, обрабатывать, регистрировать, передавать и хранить полученную информацию. В некоторых случаях датчик может оказывать воздействие на подконтрольные процессы. Всеми этими качествами в полной мере обладает датчик тока, используемый во многих устройства и микросхемах. Он преобразует воздействие электрического тока в сигналы, удобные для дальнейшего использования.

Классификация датчиков

Датчики, применяемые в различных устройствах, классифицируются в соответствии с определенными признаками. По возможности измерений входных величин, они могут быть: электрическими, пневматическими, датчиками скорости, механических перемещений, давления, ускорения, усилия, температур и других параметров. Среди них измерение электрических и магнитных величин занимает примерно 4%.

Каждый датчик преобразует входную величину в какой-либо выходной параметр. В зависимости от этого, контрольные устройства могут быть неэлектрическими и электрическими.

Среди последних чаще всего встречаются:

• Датчики постоянного тока
• Датчики амплитуды переменного тока
• Датчики сопротивления и другие аналогичные приборы.

Основным достоинством электрических датчиков является возможность передачи информации на определенные расстояния с высокой скоростью. Применение цифрового кода обеспечивает высокую точность, быстродействие и повышенную чувствительность измерительных приборов.

Принцип действия

По принципу работы все датчики разделяются на два основных вида. Они могут быть генераторными непосредственно преобразующими входные величины в электрический сигнал. К параметрическим датчикам относятся устройства, преобразующие входные величины в измененные электрические параметры самого датчика. Кроме того, они могут быть реостатными, омическими, фотоэлектрическими или оптико-электронными, емкостными, индуктивными и т.д.

К работе всех датчиков предъявляются определенные требования. В каждом устройстве входная и выходная величина должны находиться в непосредственной зависимости между собой. Все характеристики должны быть стабильными во времени. Как правило эти приборы отличаются высокой чувствительностью, небольшими размерами и массой. Они могут работать в самых разных условиях и устанавливаться различными способами.

Современные датчики тока

Датчиками тока являются устройства, с помощью которых определяется сила постоянного или переменного тока в электрических цепях. В их конструкцию входят магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, датчик Холла, а также электронная плата, выполняющая обработку электрических сигналов. Основным чувствительным элементом служит датчик Холла, закрепляемый в зазоре магнитопровода и соединяемый со входом усилителя.

Принцип действия в целом одинаковый для всех подобных устройств. Под действием измеряемого тока возникает магнитное поле, затем, с помощью датчика Холла осуществляется выработка соответствующего напряжения. Далее это напряжение усиливается на выходе и подается на выходную обмотку.

Основные виды датчиков тока:

Датчики прямого усиления (O/L). Обладают небольшими размерами и массой, низким энергопотреблением. Диапазон преобразований сигналов существенно расширен. Позволяет избежать потерь в первичной цепи. Работа устройства базируется на магнитном поле, которое создает первичный ток Ip. Далее происходит концентрация магнитного поля в магнитной цепи и его дальнейшее преобразование элементом Холла в воздушном зазоре. Сигнал, полученный с элемента Холла усиливается и на выходе образуется пропорциональная копия первичного тока.

Датчики тока (Eta). Характеризуются широким диапазоном частот и расширенным диапазоном преобразований. Преимуществами данных устройств является низкое энергопотребление и незначительное время задержки. Работа устройства поддерживается однополярным питанием от 0 до +5 вольт. Действие прибора основано на комбинированной технологии, в которой используется компенсационный тип и прямое усиление. Это способствует существенному улучшению характеристик датчика и более сбалансированному функционированию.

Датчики тока компенсационные (C/L). Отличаются широким диапазоном частот, высокой точностью и малым временем задержки. У приборов этого типа отсутствуют потери первичного сигнала, у них отличные характеристики линейности и низкий температурный дрейф. Компенсация магнитного поля, создаваемого первичным током Ip, происходит за счет такого же поля, образующегося во вторичной обмотке. Генерация вторичного компенсирующего тока осуществляется элементом Холла и электроникой самого датчика. В конечном итоге, вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Датчики тока компенсационные (тип С). Несомненными достоинствами этих приборов является широкий диапазон частот, высокая точность информации, отличная линейность и сниженный температурный дрейф. Кроме того, данные приборы могут измерять дифференциальные токи (CD). Они обладают высокими уровнями изоляции и пониженным влиянием на первичный сигнал. Конструкция состоит из двух тороидальных магнитопроводов и двух вторичных обмоток. В основе работы датчиков лежит компенсация ампер-витков. Ток с небольшим значением из первичной цепи проходит через первичный резистор и первичную обмотку.

Датчики тока PRIME. Для преобразования переменного тока используется широкий динамический диапазон. Прибор отличается хорошей линейностью, незначительными температурными потерями и отсутствием магнитного насыщения. Преимуществом конструкции являются небольшие габариты и вес, высокая устойчивость к различным видам перегрузок. Точность показаний не зависит от того как в отверстии расположен кабель и не подвержена влиянию внешних полей. В этом датчике используется не традиционная разомкнутая катушка, а измерительная головка с сенсорными печатными платами. Каждая плата состоит из двух раздельных катушек с воздушными сердечниками. Все они смонтированы на единую базовую печатную плату. Из сенсорных плат формируются два концентрических контура, на выходах которых суммируется наведенное напряжение. В результате, получается информация о параметрах амплитуды и фазы измеряемого тока.

Датчики тока (тип IT). Характеризуются высокой точностью показаний, широким частотным диапазоном, низким шумом выходного сигнала, высокой стабильностью температуры и низким перекрестным искажением. В конструкции этих датчиков отсутствуют элементы Холла. Первичный ток создает магнитное поле, которое в дальнейшем компенсируется вторичным током. На выходе вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Преимущества датчиков тока в современных схемах

Микросхемы на основе датчиков тока играют большую роль в сохранении энергии. Этому способствует низкое питание и энергопотребление. В интегральных схемах происходит объединение всех необходимых электронных компонентов. Характеристики приборов значительно улучшаются, благодаря совместной работе сенсоров магнитного поля и всей остальной активной электроники.

Современные датчики тока способствуют дальнейшему уменьшению размеров, поскольку вся электроника интегрирована в единственный общий чип. Это привело к новым инновационным компактным дизайнерским решениям, в том числе касающимся и первичной шины. Каждый новый датчик тока обладает повышенной изоляцией и успешно взаимодействует с другими видами электронных компонентов.

Новейшие конструкции датчиков позволяют монтировать их в существующие установки без отключения первичного проводника. Они состоят из двух частей и являются разъемными, что позволяет легко устанавливать эти детали на первичный проводник без каких-либо отключений.

На каждый датчик имеется техническая документация, где отражается вся необходимая информация, позволяющая произвести предварительные расчеты и определить место наиболее оптимального использования.

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.

Преимущества:

• 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.

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.

Производство оптических трансформаторов тока – Портфельная компания РОСНАНО

Нановолоконные датчики. Создание современных систем измерения и мониторинга на основе волоконно-оптических датчиков с применением волноводных наноструктур

Создание производства волоконно-оптических систем измерения тока и напряжения с применением волоконных наноструктур. Продукция обладает особыми характеристиками по чувствительности измерения и устойчивости к внешним воздействиям.

Цель проекта — создание в России промышленного производства современных систем учета потребления электроэнергии и защиты электросетей. Данные системы основаны на применении волоконно-оптических датчиков тока и напряжения с использованием нановолокна. Это позволит обеспечить энергетическую, транспортную, металлургическую, добывающую и другие отрасли промышленности инновационными решениями и заместить импорт отечественной продукцией, отличающейся более высокими потребительскими свойствами.
 
Волоконно-оптические датчики также открывают возможность создания интеллектуальных энергетических систем типа SmartGrid, обеспечивая необходимую в таких сетях точность измерений, а также возможность контролировать и управлять электрическими сетями в реальном режиме времени.

Сфера применения

• Учет потребления электроэнергии
• Защита электросетей
• Создание интеллектуальных энергетических систем типа SmartGrid, с управлением в режиме реального времени

Основные потребители

• Электросетевые компании
• Энергогенерирующие компании
• Энергоемкие производства

Конкурентные преимущества

• Цифровые решения
• Практически не требуют обслуживания
• Снижение объема неучтенной электроэнергии более чем в 10 раз
• Высокая пожаро- и взрывобезопасность
• Совместимость с любыми вторичными устройствами, поддерживающими международный стандарт IEC 61850–9.2

Последние тенденции в измерении тока на эффекте Холла

Последние тенденции в измерении тока на эффекте Холла

Автор: Джон Каммингс, Майкл К.Дуг, Андреас П. Фридрих

Скачать PDF версию

Аннотация

В этой статье представлены последние достижения в области создания интегральных микросхем датчиков тока на основе эффекта Холла. Он охватывает различные концепции упаковки для интеграции первичного пути тока в систему, основные улучшения в параметрах ИС, а также несколько примеров типичных схем применения для источников бесперебойного питания (ИБП), инверторов и мониторинга батарей.

Введение

Спрос на недорогие, точные, малогабаритные датчики тока быстро вырос в течение последнего десятилетия в промышленных, автомобильных, коммерческих и коммуникационных системах.Для преобразования электрического тока в пропорциональное напряжение можно использовать различные технологии. Преимуществами магнитного детектора на эффекте Холла являются внутренняя изоляция по напряжению от пути прохождения тока и интеграция элемента Холла и интерфейсной электроники на одном кремниевом кристалле [1]. Новые концепции дизайна и систематическое использование передовой технологии BiCMOS позволили еще больше улучшить характеристики ИС. Это также открыло двери для новых подходов к продукту, поддерживая интеграцию дополнительных функций, таких как защита питания, в той же ИС датчика тока.В этом документе рассматриваются базовые концепции корпуса и конструкции ИС семейства ИС датчиков тока ACS Allegro ™, а также исследуются некоторые недавние тенденции, которые позволили Allegro разработать следующее поколение полностью интегрированных недорогих датчиков тока.

Концепция упаковки

Устройства на базе ИС с датчиком тока

Allegro характеризуются интеграцией монолитной линейной ИС Холла и низкоомного пути прохождения первичного тока в одноразовом формованном корпусе. Точность устройства оптимизируется за счет непосредственной близости и точного позиционирования преобразователя Холла относительно медного проводника.Низкие потери мощности и изоляция высокого напряжения являются неотъемлемой частью концепции упаковки. Окончательный размер, форма и дополнительные компоненты комплектных систем измерения тока зависят от амплитуды измеряемого первичного тока. В этом разделе подробно описаны инновационные технологии упаковки для различных диапазонов измерения тока.

Токи до 20 А

Для малых номинальных токов, до ± 20 А, кристалл Холла и первичный токопровод упакованы в корпус для поверхностного монтажа SOIC8 стандартной площади, показанный на рисунках 1 и 3.Это обеспечивает компактное низкопрофильное решение, совместимое с методами автоматизированной сборки плат в больших объемах. Использование технологии flip-chip позволяет оптимизировать магнитную связь между активной поверхностью элемента Холла и магнитным полем, создаваемым измеряемым током. Поэтому концентратор флюса не требуется. Внутреннее сопротивление медного тракта, используемого для измерения тока, обычно составляет 1,5 мОм для низких потерь мощности. Силовые клеммы также электрически изолированы от контактов ввода / вывода сигналов низкого напряжения.Тщательная конструкция ИС и корпуса позволила дополнительно улучшить изоляцию по напряжению устройства с типичным напряжением изоляции постоянного тока 5 кВ и среднеквадратичным напряжением изоляции минимум 1,6 кВ и типичным 2,5 кВ (при 60 Гц в течение 1 минуты) между первичным током. стороны пути и сигнала.

Рис. 1. Внутренняя структура корпуса ACS, показывающая U-образный первичный медный проводник и монтируемую на одном флип-чипе ИС Холла.

Рисунок 2.Внутренняя структура корпуса CB, показывающая первичный проводник (медь, слева), концентратор потока (красный), линейный контакт Холла (черный) и сигнальные контакты (медь, справа).

Рис. 3. Фотография микросхем датчиков тока ± 20 A (корпус LC) и ± 200 A (корпус CB), показанных с монетой для сравнения.

Токи до 200 А

Для более высоких токов поперечное сечение медного проводника должно быть увеличено, чтобы учесть плотность тока в материале, который находится в корпусе CB.Из-за магнитной связи между этим более толстым проводником и линейным элементом Холла необходимо использовать концентратор потока. Медный тракт, линейное SIP-устройство Холла и концентратор точно собираются перед формованием поверх. Благодаря тщательной разработке системы сопротивление первичного проводника обычно составляет всего 100 мкОм, а минимальное среднеквадратичное значение напряжения изоляции 3 кВ (при 60 Гц в течение 1 минуты) достигается между первичным трактом и стороной сигнала. На рис. 2 показана внутренняя структура такого датчика тока с током ± 200 А, а на рис. 3 – фотография как этого типа, так и корпуса ± 20 А.

Токи свыше 200 А

Если измеряемые токи превышают 200 А, ИС можно использовать в конфигурации делителя тока. [2] Этот метод включает разделение пути обнаруживаемого тока. Самый простой подход – спроектировать шину с надрезом так, чтобы только хорошо контролируемая часть тока проходила через устройство, а другая – по шунтирующему пути (см. Рисунок 4). Коэффициент разделения тока определяется геометрией шины. Неотъемлемым недостатком этого подхода является то, что он снижает разрешение по току на ту же пропорцию, что и ток деления.

Разрешение системы измерения тока можно увеличить, если ток разделен поровну и два устройства используются параллельно (см. Рисунок 5). Простая схема, включающая сдвиг уровня и сложение выходов двух устройств, может использоваться для получения линейного выхода, пропорционального общему первичному току. [2]

Рисунок 4. Конфигурация делителя тока. Микросхема датчика тока может быть подключена непосредственно к шине.

Рисунок 5.Равнопоточное разделение с улучшенным разрешением. Выходы двух устройств можно объединить для получения линейного выхода, пропорционального общему измеряемому току.

Дизайн микросхемы

В этом разделе подробно описывается базовая архитектура микросхемы и наиболее важные параметры ИС.

Блок-схема Центральным элементом устройства является прецизионная кремниевая ИС Холла с малым смещением. Блок-схема показана на рисунке 6. Магнитный поток, создаваемый первичным током, воздействует на элемент Холла. Схема стабилизации прерывателя BiCMOS используется для уменьшения смещения сигнала и стабилизации выходного сигнала ИС в диапазоне рабочих температур [3]. Встроенная электроника вырабатывает аналоговое напряжение, пропорциональное входному току.

Рисунок 6. Структурная схема схемы.

Вывод является логометрическим, что означает, что и смещение, и чувствительность масштабируются с помощью V _CC . Точность устройства оптимизируется за счет обрезки смещения, чувствительности и температурного отклика в конце строки.Микросхемы предназначены для измерения как положительных, так и отрицательных токов, но при необходимости параметры можно настроить для обеспечения однонаправленности. После упаковки устройство обрезается, чтобы снизить нагрузку на элемент Холла. Как показано на рисунке 6, для уменьшения шума рекомендуется использовать внешний байпасный конденсатор. Если полоса пропускания приложения позволяет, на выходе можно использовать простой фильтр RC для дальнейшего улучшения отношения сигнал / шум.

± 20 A Основные характеристики модели Хотя устройства SOIC8 рассчитаны на ± 20 А, они могут выдерживать большие переходные сверхтоки до 100 А.Ограничивающим фактором, определяющим способность устройств к перегрузке по току, является температура перехода ИС (T _J (макс.), Что равняется 165 ° C), и поэтому она определяется тепловым расчетом печатной платы (PCB) в приложение.

Основные характеристики и преимущества резюмируются следующим образом:

• Измерение постоянного и переменного тока

• Внутреннее сопротивление проводника 1,5 мОм

• 1600 VRMS (мин.) Напряжение изоляции

• 4.Питание от 5 до 5,5 В

• Полоса пропускания 50 кГц

• Общая погрешность выходного сигнала ± 1,5% при комнатной температуре

• диапазон рабочих температур от –40 ° C до 85 ° C

• компактный, низкопрофильный корпус SOIC8

• Магнитный гистерезис, близкий к нулю

• логометрический выход от напряжения питания

• Соответствует RoHS (шарики припоя для высокотемпературного припоя на основе свинца в настоящее время не подпадают под действие RoHS)

± 200 A Основные характеристики модели Толщина медного проводника позволяет выжить устройству в условиях перегрузки по току до 5 раз. Основные характеристики и преимущества резюмируются следующим образом:

• Измерение постоянного и переменного тока
• Внутреннее сопротивление проводника 100 мкОм
• 3000 ВСКЗ (мин.) Напряжение изоляции
• Питание от 4,5 до 5,5 В
• Полоса пропускания от 35 до 50 кГц
• ± 1,0% общей погрешности выхода при комнатной температуре
• диапазон рабочих температур от –40 ° C до 150 ° C (функция первичного тока)
• малый размер корпуса, возможность простого монтажа
• логометрический выход от напряжения питания
• без свинца

Последние тенденции

Решения по измерению тока для передовых промышленных, автомобильных, коммерческих и коммуникационных систем сталкиваются с новыми проблемами.Хотя решения, представленные в предыдущих параграфах, уже охватывают широкий спектр требований клиентов, общая тенденция явно направлена ​​на низкую стоимость, высокую точность и небольшие размеры систем, но с дополнительной функциональностью. В этом разделе описаны два инновационных устройства, разработанных в Allegro для решения этих задач.

Улучшенные характеристики ИС В целях дальнейшего улучшения характеристик низкопрофильного SOIC8 ± 20 A, Allegro разработала устройство третьего поколения с особым вниманием к шуму и общему снижению ошибок вывода.Конструкция микросхемы была разработана на основе новейшего процесса Allegro с низким уровнем шума 0,65 мкм BiCMOS (DABIC6). В общей сложности 23 бита программирования могут быть использованы для оптимизации следующих параметров ИС после упаковки:

• выходное напряжение покоя
• чувствительность
• температурный коэффициент чувствительности

Сочетание улучшенных характеристик процесса, новых концепций дизайна и дополнительных возможностей программирования привело к снижению шума в 2 раза.Общая погрешность выходного сигнала при I _P = ± 20 A была улучшена с ± 8,4% до ± 1,5% в промышленном температурном диапазоне от 40 ° C до 85 ° C.

Это новое устройство также имеет вывод фильтра, который можно использовать для установки точки –3 дБ с помощью конденсатора. Это уменьшает количество внешних компонентов, необходимых для улучшения разрешения ИС (резистор считывания не требуется). Уровни шума от размаха до пика тока для различных номиналов конденсатора фильтра при T = от –40 ° C до 85 ° C и IP = ± 20 A приведены в следующей таблице:

Штифт фильтра Внешний конденсатор (нФ)	Полоса пропускания (кГц)	Размах Шум (мВ (Тип.))
1	50	40
4,7	20	24
47	2	10

Это новое устройство ACS712 является прямой заменой предыдущих поколений ACS704 и ACS706.

Добавленная функциональность

Для приложений большого объема, возможно, стоит интегрировать некоторые дополнительные функции в ИС Холла, которые обычно реализуются с помощью внешних компонентов.В реализации, описанной ниже, этот подход привел к новой ИС защиты со встроенным драйвером затвора с возможностью горячей замены и внутренним элементом на основе эффекта Холла.

Блок-схема этого устройства ACS760 показана на рисунке 7. Нагрузка источника питания измеряется без использования внешнего измерительного резистора. Деталь использует встроенный медный провод 1,5 мОм и элемент с эффектом Холла для точного измерения токов нагрузки до 30 А. Устройство содержит схему защиты от перегрузки по току, которая срабатывает при выбираемом пользователем уровне от 30 до 40 А.Если обнаруживается перегрузка по току, выход неисправности детали срабатывает, и затвор внешнего МОП-транзистора замыкается на землю. Задержка между обнаружением состояния перегрузки по току и отключением затвора устанавливается внешним конденсатором.

Рис. 7. Блок-схема защитной ИС со встроенным драйвером затвора с возможностью горячей замены и внутренним элементом на 1,5 Ом на основе эффекта Холла.

Примеры применения

В этом разделе приведены два примера приложений, в которых устройства ACS поддерживают оптимальные решения для измерения тока.

Мониторинг аккумуляторных батарей Для интеллектуальных аккумуляторных систем требуется схема для контроля напряжения, температуры и тока ячеек. Для приложений мониторинга емкости все эти измерения имеют решающее значение. Однако наиболее сложным для правильного проектирования является измерение тока. Причины этого – требования к точности, рассеиваемой мощности и размеру решения.

Точность измерения тока важна для обеспечения правильной работы алгоритмов контроля емкости.Традиционный метод измерения этого тока – это шунт на земле или на стороне низкого напряжения. Ключевая проблема этого метода заключается в том, что для минимизации потерь I ² R необходимо, чтобы значение шунта оставалось очень небольшим. При таком подходе снижается точность измерения слабых токов. Для приложений портативных компьютеров это означает, что в режиме ожидания, гибернации или других состояний с низким энергопотреблением батарее сложно точно контролировать ток, протекающий в системе.

Если в батарее используется чувствительный резистор 10 мОм для минимизации рассеивания мощности при номинальных нагрузках, в состоянии низкого энергопотребления с потребляемой мощностью всего 50 мА напряжение на шунте будет всего 500 пВ. Это напряжение очень трудно разрешить, и для компенсации этого эффекта необходимо разработать сложные алгоритмы оценки остаточной емкости батареи. Эти процедуры носят консервативный характер, что означает, что они склонны предполагать, что батарея теряет немного больше емкости, чем фактически рассчитано.Результатом может быть чрезмерная потеря емкости аккумулятора с течением времени.

В зависимости от батареи и области применения для контроля токов потребуются измерительные резисторы в диапазоне от 1 до 2 Вт. Однако обычно в портативных решениях не хватает места для резисторов 2 Вт, поэтому решение обычно ограничивается резисторами 1 Вт. В решениях с более высоким током параллельно используются несколько резисторов, чтобы номинальная мощность не выходила за рамки ограничений устройства. Оба решения оказывают большое влияние на площадь платы, необходимую для размещения этих компонентов.

Используя устройство на эффекте Холла в качестве шунтирующего решения в аккумуляторной батарее, можно уменьшить рассеиваемую мощность в батарее. Преимущество использования устройств на эффекте Холла очевидно из-за низких вносимых потерь устройства. В корпусе SOIC8 вносимые потери выводной рамки ACS712 составляют всего 1,5 мОм. Разница в потребляемой мощности в диапазоне токов нагрузки показана на рисунке 8.

Использование устройства на эффекте Холла, показанного на рисунке 9, может повысить точность измерений тока.Эта блок-схема показывает путь с высоким током и путь с низким током. Слаботочный путь может быть включен для большей точности при контроле малых токов. Решение, показанное на рисунке 9, не только обеспечивает более высокую точность при более низких токах заряда и разряда, но также обеспечивает больший сигнал, чем шунтирующее решение во всем диапазоне измерения. Если предположить, что устройство на эффекте Холла имеет коэффициент усиления 100 мВ / А, этот сигнал намного больше, чем результирующий сигнал на шунтирующем резисторе, как показано ниже на рисунке 10.

Рис. 8. Потери мощности в шунтирующих устройствах по сравнению с датчиками тока на эффекте Холла.

Рис. 9. Повышенная точность и эффективность мониторинга батарей с помощью устройств на эффекте Холла.

Рис. 10. Выходное напряжение решения на эффекте Холла в сравнении с шунтом 20 мОм.

Ступенчатое увеличение коэффициента усиления с помощью решения на эффекте Холла предполагает, что приложение позволяет использовать путь с высоким током, показанный на рисунке 9.Фактический порог перехода и желаемый уровень гистерезиса будут функцией приложения, а также значения используемого шунта.

Использование устройств на эффекте Холла в аккумуляторных системах поможет уменьшить площадь печатной платы, необходимую для решения с шунтирующим датчиком, и обеспечит возможность измерения на стороне высокого напряжения, которая не прерывает путь заземления. Двумя основными преимуществами использования устройства на эффекте Холла являются повышение точности измерения тока в более широком диапазоне тока и снижение энергопотребления за счет значительного уменьшения потерь 1 ² R в шунте.

Устройства на эффекте Холла в ИБП и инверторах В системах ИБП часто используются устройства на эффекте Холла или трансформаторы тока (ТТ). Хотя трансформаторы тока считаются недорогими решениями, на самом деле для них требуется больше вспомогательных компонентов, чем для решений на эффекте Холла, и они строго ограничены приложениями переменного тока. Другая вторичная стоимость, связанная с использованием трансформаторов тока для контроля сетевого напряжения переменного тока, – это дополнительная схема для управления эффектами броска тока и возможного насыщения сердечника во время броска тока.

Решения ИБП

требуют использования сетевого напряжения для зарядки аккумулятора, который используется для подачи сетевого напряжения для системы в случае сбоя питания. Цель ИБП – подавать как можно больше энергии с максимальной эффективностью. Например, для ИБП на 2200 ВА требуется 3 часа зарядки. Этот же ИБП может обеспечивать питание только примерно 24 минуты при половинной нагрузке (990 Вт) и 6,7 минут при полной нагрузке (1980 Вт). Входные и выходные токи контролируются как для защиты, так и для возможности достоверно показать состояние заряда аккумулятора.

Устройство на эффекте Холла ACS712 идеально подходит для контроля входной мощности или тока заряда аккумулятора по нескольким причинам. Очевидным преимуществом решения на эффекте Холла малого форм-фактора является то, что требуемый объем составляет лишь долю от эквивалентного решения CT, и, кроме того, отсутствует усиление и дополнительные компоненты защиты. Причина этого в том, что ACS712 не может превысить напряжение на изолированной стороне устройства.

При питании инверторного каскада при высоких нагрузках оптимальным местом для размещения ИС на эффекте Холла является само сетевое напряжение, чтобы напрямую контролировать токи нагрузки.Причина в том, что ток линейного напряжения может достигать 15-20 А, _RMS , тогда как ток источника питания батареи может превышать 50-60 А, в зависимости от напряжения аккумуляторной батареи и эффективности преобразователя. . На рисунке 11 ниже показан пример использования устройства на эффекте Холла в ИБП.

Рисунок 11. Архитектура силовой передачи ИБП.

Это следующее поколение устройств на эффекте Холла помогает решить известные проблемы с трансформаторами тока и повысить надежность систем.Используя устройства на эффекте Холла в системе зарядки аккумуляторов и инверторной силовой передаче, можно оптимизировать эффективность преобразователей. Это может помочь уменьшить общий размер системы и сократить расходы.

Заключение

Были представлены инновационные решения для измерения тока для промышленных, автомобильных, коммерческих и коммуникационных систем. Упакованные устройства состоят из пути первичного тока с низким сопротивлением и монолитной линейной ИС на эффекте Холла, которая объединяет элемент Холла и современную схему интерфейса BiCMOS.

Устройства охватывают диапазон измерений до ± 200 А и могут также использоваться для приложений с более высокими токами с использованием конфигурации делителя тока. Были подробно описаны новые подходы к решению проблемы недорогих, высокоточных и небольших систем измерения тока с дополнительными функциями и представлены два примера применения.

Банкноты

1. Р.С. Попович, “Устройства на эффекте Холла”, 2-е изд., IoP Publishing Ltd., 2004.
2. Р. Дикинсон и А.П. Фридрих, Использование датчиков тока Allegro в конфигурациях делителя тока для расширенного диапазона измерений, Allegro MicroSystems, LLC, примечание по применению AN295036, апрель 2005 г.
3. А. Билотти, Г. Монреаль и Р. Виг, “Монолитный магнитный датчик Холла, использующий подавление динамического квадратурного смещения”, IEEE J. Solid-State Circuits 32, no. 6 (1997): 829-36.

Датчики тока на основе AMR, подходящие для приложений на основе SiC и GaN

Aceinna, Inc.Компания объявила сегодня, что их ведущее в отрасли семейство датчиков тока MCx1101 теперь поддерживает приложения с напряжением 3,3 В. Эти высокоточные и широкополосные датчики тока на основе AMR теперь доступны для широкого спектра систем питания и приложений на базе АЦП и микропроцессоров.

Комбинация быстрого отклика и широкой полосы пропускания делает эти датчики тока подходящими для быстрой коммутации силовых каскадов на основе SiC и GaN, позволяя разработчикам систем питания использовать более высокие скорости и меньшие компоненты, обеспечиваемые переключателями с широкой запрещенной зоной.

Эти полностью интегрированные датчики тока 3,3 В предназначены для использования в серверных фермах и источниках питания электросвязи, приложениях Интернета вещей, бытовой технике, инверторах и системах управления двигателями, промышленной робототехнике и производственных системах, автомобильных зарядных станциях для электромобилей и других высокотехнологичных системах. Теперь они доступны для выборки и массовых поставок.

Вам также могут понравиться: ИС для высоковольтных трехфазных интегрированных двигателей постоянного тока с BLDC для бытовых устройств

«Наше семейство интегрированных датчиков тока на основе AMR обеспечивает лучшую производительность по цене в отрасли», – говорит Хагендра Тапа, вице-президент по продукции датчиков тока ACEINNA.«В отличие от других представленных на рынке решений для измерения тока на основе AMR, которые требуют обширной и трудоемкой интеграции, чтобы заставить их работать, наши решения работают по принципу« включай и работай »».

MCx1101 – это полностью интегрированные двунаправленные датчики тока, которые обеспечивают гораздо более высокую точность измерения постоянного тока и динамический диапазон по сравнению с альтернативными решениями. Например, версия ± 20A имеет типичную точность ± 0,6% и гарантированно обеспечивает точность ± 2,0% (макс.) При 85 ° C. Эти новые датчики тока находятся в стандартном корпусе SOIC-16 с низким импедансом (0.9 мОм) и сертифицированы UL / IEC / EN для изолированных приложений.

Эти новые датчики тока также гарантируют смещение ± 60 мА или ± 0,3% от полной шкалы (макс.) По температуре, что означает, что высокая точность может быть достигнута в диапазоне токов примерно 10: 1, обеспечивая значительное улучшение динамического диапазона по сравнению с ведущие устройства на основе датчиков Холла.

Эти устройства обеспечивают уникальное сочетание высокой точности, полосы пропускания сигнала 1,5 МГц и отраслевого эталонного сдвига фазы по сравнению счастота, быстрая переходная характеристика на выходе и изоляция 4,8 кВ, что делает их хорошо подходящими для измерения тока в быстрых контурах управления током и защиты для высокопроизводительных источников питания, инверторов и приложений управления двигателями.

Быстрый отклик и широкая полоса пропускания MCx1101 также подходят для быстрого переключения силовых каскадов на основе SiC и GaN. Время отклика выходного шага составляет 0,3 мкс. MCx1101 также имеет встроенный флаг обнаружения перегрузки по току, чтобы помочь реализовать OCD (обнаружение перегрузки по току), необходимое в современных энергосистемах.Время отклика при обнаружении перегрузки по току составляет 0,2 мкс.

Семейство включает диапазоны ± 50, ± 20 и ± 5 А и предлагается как в версиях с фиксированным коэффициентом усиления (MCA1101), так и с логометрическим коэффициентом усиления (MCR1101).

инженеров борются с дрейфом разными способами. А как насчет датчика тока на эффекте Холла с нулевым дрейфом?

Под влиянием бума электромобилей и промышленной автоматизации мы наблюдаем рост количества электроники, подключенной к высоковольтному и переменному току, для мониторинга производительности системы. Эту потребность часто можно удовлетворить с помощью датчиков тока, которые используются для измерения, а затем и для систем управления.

Пример датчика тока, используемого для управления внешней схемой. Изображение любезно предоставлено Texas Instruments

Однако современные датчики тока по-прежнему демонстрируют некоторый компромисс между стоимостью, точностью и изоляцией, что ставит инженеров перед рядом трудных решений при выборе наиболее практичного устройства для своей конструкции.

Типы датчиков тока: с обратной связью и с обратной связью

Датчики тока бывают разных конфигураций, но все они могут быть двух видов: с обратной связью и с обратной связью.Обе эти конфигурации зависят от манипулирования магнитными полями, в частности, с использованием эффекта Холла (отсюда датчики эффекта Холла ).

Датчики с разомкнутым контуром обычно состоят из датчика Холла, размещенного в зазоре магнитопровода. Требуемый ток создает магнитное поле, которое концентрируется сердечником и измеряется датчиком Холла. Эти датчики очень дешевы, но им не хватает точности.

Одной из основных причин неточности датчиков разомкнутого контура является дрейф. Дрейф может быть либо тепловым, либо временным. Температурный дрейф означает изменения в нормальном рабочем поведении устройства из-за изменений температуры окружающей среды, а временной дрейф означает изменения в поведении из-за возрастных изменений в устройстве.

Изображение датчика разомкнутого контура. Изображение предоставлено Digi-Key и Honeywell

С другой стороны, датчики с замкнутым контуром

используют сеть обратной связи с высоким коэффициентом усиления для предотвращения неточностей из-за вариаций устройства (т.е термический дрейф). Они предлагают быстрый отклик, высокую линейность и высокую устойчивость к электрическим помехам, но они относительно дороги. По этим причинам датчики с обратной связью часто выбирают в приложениях, где важна высокая точность.

Как инженеры борются с дрейфом

Инженеры

могут уменьшить влияние дрейфа датчиков разомкнутого контура, чтобы получить высокоточный и недорогой датчик тока. В настоящее время используется несколько методов.

Один из этих методов заключается в использовании усилителя с датчиком тока, который объединяет точно согласованную схему резистивного усиления, которая минимизирует влияние температурного дрейфа ошибки усиления.

Пример усилителя считывания тока от ADI (AD8410) для уменьшения эффекта дрейфа. Изображение любезно предоставлено Analog Devices

По словам Джима Айриша из Массачусетского технологического института, другой метод заключается в учете дрейфа и соответствующей калибровке результатов. По сути, если кто-то может понять дрейф в конкретном датчике, они могут его исправить.

Датчик Холла с нулевым дрейфом TI

На этой неделе TI анонсировала то, что они называют «первыми в отрасли датчиками тока Холла с нулевым дрейфом».«Эти новые микросхемы, TMCS1100 и TMCS1101, как говорят, обеспечивают высокую производительность даже под влиянием изменения температуры и старения оборудования.

Микросхема датчика магнитного тока TMCS1100. Изображение любезно предоставлено Texas Instruments

Эти утверждения подтверждаются общим максимальным тепловым дрейфом 0,45% и дрейфом чувствительности срока службы 0,5%. TI утверждает, что эти цифры соответственно на 200% и 100% ниже, чем у других датчиков магнитного тока.

Двери открываются нулевым дрейфом

Сегодня существует много требований к устройствам измерения тока для контроля и управления электрическими системами, надеюсь, для предотвращения сбоев. Наличие более точных датчиков разомкнутого контура, таких как новые датчики тока на эффекте Холла Texas Instruments, позволит обнаруживать меньшие уровни отклонений производительности, что позволит глубже понять производительность системы.

Эта новость предлагает значительные улучшения в точности измерения тока и, мы надеемся, поможет улучшить производительность системы, защиту и стоимость в будущем.

Изображение (измененное) любезно предоставлено Texas Instruments

---

Знаете ли вы другие способы смягчения последствий дрейфа? Дайте нам знать в комментариях ниже.

SET – Что такое датчик тока

Преобразователь тока – это устройство, преобразующее ток в пропорциональный промышленный стандартный электрический сигнал.

В основном преобразователь тока состоит из четырех частей: чувствительного компонента, компонента преобразования, схемы преобразования, цепи питания.

Как работает датчик тока?

Пропускается ток, обычно это ток, напряжение, частота, мощность и т. Д. Затем чувствительный компонент обнаружит электрический параметр и подаст сигнал.
После этого сигнал будет передан на компонент преобразования, который может преобразовать сигнал в слаботоковый сигнал.Затем он будет передан в схему преобразования, которая обрабатывает слаботочный сигнал и выдает электрический сигнал промышленного стандарта, обычно 0-5 В, 4-20 мА, RS485.
В конце выходной сигнал поступает на оконечное оборудование, такое как дисплей, ПЛК, блок сигнализации, автоматическое управление и т. Д.
Преобразователь тока обычно имеет силовую цепь, которая обеспечивает питание преобразователя и цепи преобразования.

Почему датчик тока важен во многих отраслевых системах?

1. Изолированная функция.

В конструкции преобразователя тока входной ток полностью изолирован от выходного тока. Как и в промышленной среде, существует множество помех, которые делают сигналы измерения неточными. Использование преобразователя тока позволяет избавиться от помех, поэтому выходной сигнал может полностью отображать измеряемый сигнал.

2. Функция преобразования.

Преобразователь тока может преобразовывать любой нестандартный электрический ток в стандартный промышленный электрический сигнал, что намного проще для использования оконечного оборудования.

3. Улучшение сигнала для передачи на большие расстояния.

Датчик тока может повысить недельный ток до стандартного сигнала, который легко получить, поэтому выходной сигнал может передаваться на большие расстояния, например, сигнал 4-20 мА может передаваться на расстояние до 1000 метров.

4. Функция безопасности.

Когда датчик тока подвергается воздействию высокого напряжения или тока, он переходит в режим защиты, прерывает процесс преобразования, полностью изолирует между входом и выходом. Чтобы он сохранял безопасность оконечного оборудования, сохранял безопасность всей системы.

Для энергосистемы требуется какое-либо оборудование для контроля и управления ее работой. В прошлом эту функцию выполняли электромеханические устройства.С помощью этих устройств их использование было ограничено тем, что они находились в непосредственной близости от точки измерения. Замена этих механических устройств их электронными эквивалентами позволила системе мониторинга стать более универсальной. Современная система обычно предполагает передачу информации от точки измерения к другим точкам, где эти данные обрабатываются, записываются и используются для управления параметрами системы. Преобразование и передача физических параметров в системе требует использования преобразователей в точках измерения.Эти преобразователи действуют как интерфейс между энергосистемой и измерительной системой. Преобразователи тока – это, в частности, преобразователи для преобразования необработанного напряжения и токов в энергосистеме в полезные и значимые электрические сигналы, которые могут использоваться в измерительной системе и передаваться по ней. Входы для этих устройств обычно представляют собой токи и напряжения от измерительных трансформаторов, таких как трансформаторы тока (CT) и трансформаторы напряжения (VT), в то время как выходы представляют собой стандартизованные токи постоянного тока (0-5 В или 4-20 мА) или цифровые сигналы (RS485).

От 0 до 50 A, изолированный 3,3 В, встроенный датчик тока на эффекте Холла

MLX91221 – это изолированный интегрированный датчик тока на 0-50 А с двойным OCD, работающий от источника питания 3,3 В. Это самый простой интегрированный датчик тока «все-в-одном» с оптимальным балансом: небольшая площадь основания, низкое сопротивление, широкая полоса пропускания, изоляция и другие общие характеристики.

MLX91221 – это встроенный датчик тока, который определяет ток, протекающий через выводную рамку корпуса, и, следовательно, сводит к минимуму тепловые потери, возникающие при использовании более стандартных решений.

Внутри корпуса плотность магнитного потока, создаваемая током, по-разному измеряется двумя наборами пластин Холла. В результате минимизируется влияние внешних мешающих полей, исходящих от плотной силовой электроники, окружающей ИС. Остаточный сигнал усиливается, чтобы обеспечить высокоскоростное линейное аналоговое выходное напряжение. Непосредственная близость пластин Холла к токопроводу обеспечивает высокое отношение сигнал / шум и точный сигнал по температуре.При такой миниатюризации все еще сохраняется номинальная изоляция высокого напряжения между первичной обмоткой и их противоположными выводами вторичной стороны корпуса.

Датчики тока могут работать в двух режимах измерения:

• Логометрический режим, предназначенный для приложений, требующих масштабирования выходного напряжения на источник питания
• фиксированного режима (дифференциальный), обращаясь к применению опорного напряжения

Среди всех новых интегрированных функций, (двойное) обнаружение перегрузки по току на кристалле с отдельным выходом уменьшило BoM, уменьшив потребность во внешних компараторах для защиты от перегрузки по току.

С заводской настройкой (мВ / А) MLX91221 представляет собой решение plug & play. EoL (конец строки) не требуется.

MLX91220 : работает от источника питания 5 В
MLX91221 : работает от источника питания 3,3 В

Доступен комплект разработчика DVK91220, позволяющий проводить первые прикладные испытания без настройки печатной платы.

Современные датчики тока из синтетической магнитной смолы, часть 2 – Датчик переменного тока до 2000 ампер

[2] SOMALOY TM500, SMC 97-1, Höganäs AB (опубл.), S-26383, Хёганас, Швеция.

[3] КОЙОВИЧ, Л. А. Применение катушек Роговского для релейной защиты. IEEE, 2006, 538-543 стр., ISBN 80-03-00630-9.

DOI: 10.1109 / psce.2006.296371

[4] КОЙОВИЧ, Л.A. Сравнительные рабочие характеристики трансформаторов тока и катушек Роговского, используемых для релейной защиты. IEEE, (2007).

DOI: 10.1109 / pes.2007.386145

[5] EN 60044-1: 2001 Измерительный трансформатор.Часть 1: Трансформаторы тока. Ноябрь (2001 г.).

[6] EN 60044-8: 2002 Измерительный трансформатор. Часть 8: Электронные трансформаторы тока.Сентябрь (2002 г.).

[7] ABB. KEVCD Комбинированный датчик для внутреннего использования. АББ, (2007).

[8] Стандарт IEEE C37.110, Руководство по применению трансформаторов тока, используемых в целях релейной защиты. IEEE, (1998).

DOI: 10.1109 / ieeestd.1996.81541

Датчики тока

| Датчики | Управление – Blackhawk Supply

Подробнее о датчиках тока

Если вы хотите обеспечить безопасность ваших электрических проводов, вам следует рассмотреть возможность использования датчика тока Blackhawk Supply.

Как гласит старая пословица, знание – сила. Когда вы говорите о датчиках тока, это буквально правда. Наши 389 датчиков контролируют электрическую энергию в проводах, проходящих по вашим зданиям.

Без этих датчиков сложно измерить ток в этих проводах.

Вот почему мы работаем с первоклассными производителями, такими как ACI, Beam Engineering, Functional Devices, Mamac и Veris. Эти компании обеспечивают безопасность ваших проводов и обеспечивают необходимое напряжение.