Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОГО ТОКА

Изобретение относится к области измерения электрических величин, в частности для измерения активной составляющей тока в трехфазных сетях.

Известно устройство для измерения активного тока трехфазного источника напряжения, содержащее трансформатор напряжения с двумя вторичными обмотками, трансформатор тока, вторичная обмотка которого замкнута через согласующий трансформатор на согласующий резистор, первый и второй разделительные трансформаторы, первый и второй мостовые выпрямители и, составленная из двух резисторов и потенциометра, цепь нагрузки. Трансформатор напряжения имеет два, первый и второй, тороидальных сердечника. На первом из них намотана первая первичная обмотка, а на втором - вторая первичная обмотка. Обе вторичные обмотки намотаны поверх первичных обмоток, сразу вокруг обоих тороидальных сердечников. Начала первой и второй первичных обмоток трансформатора напряжения подключены к первому выходному зажиму источника напряжения. Конец первой первичной обмотки подключен ко второму выходному зажиму источника напряжения, а второй первичной обмотки - к третьему выходному зажиму источника напряжения. Конец первой вторичной обмотки подключен к началу второй вторичной обмотки непосредственно, а начало первой вторичной обмотки подключено к концу второй вторичной обмотки через последовательно включенные первичные обмотки первого и второго разделительных трансформаторов. Первый и второй выводы вторичной обмотки трансформатора тока подключены соответственно к началу и концу первичной обмотки согласующего трансформатора. Начало вторичной обмотки согласующего трансформатора подключено к общему узлу вторичных обмоток трансформатора напряжения, а конец вторичной обмотки согласующего трансформатора - к общему узлу первичных обмоток первого и второго разделительных трансформаторов. Первичная обмотка трансформатора тока включена последовательно с токопроводом, подключенным к первому выходному зажиму источника напряжения. Входные зажимы первого мостового выпрямителя соединены с выходными зажимами вторичной обмотки первого разделительного трансформатора. Входные зажимы второго мостового выпрямителя соединены с выходными зажимами вторичной обмотки 'второго разделительного трансформатора. Имеющие одинаковую полярность первые выходные зажимы первого и второго мостового выпрямителя являются выходными зажимами устройства, к которым подключено последовательное соединение первого и второго балластных резисторов. Общий узел этих резисторов подключен ко вторым выходным зажимам первого и второго мостового выпрямителя (см. Константинов В.Н. Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок. - Л.: Судостроение, 1988, с.32-37, рис.1.12).

Этому устройству присущи следующие недостатки.

Первый из них - это получение информации о токе нагрузки с помощью трансформаторов тока. Такие измерительные преобразователи тока обладают завышенными размерами и массой, которые быстро нарастают с увеличением как измеряемого тока, так и напряжения проводника с этим током. Так, при напряжении 10 кВ масса трансформатора тока превосходит 10 кг, а при 220 кВ - 100 кг, хотя расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора тока составляет всего 40 ВА. Кроме того, для получения информации об измеряемом токе в виде напряжения в аналог введен согласующий резистор, на который замкнута вторичная обмотка трансформатора тока.

Второй недостаток - это использование первого и второго разделительных трансформаторов, а также согласующего трансформатора для трансформатора тока. Наличие трех перечисленных трансформаторов приводит к увеличению размеров и массы устройства.

Третий недостаток - это применение трансформатора напряжения нестандартной конструкции, с двумя тороидальными сердечниками и двумя вторичными обмотками, охватывающими сразу оба сердечника. Такая конструкция затрудняет процесс изготовления трансформатора и приводит к увеличению его стоимости.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является устройство для измерения активного тока трехфазного источника напряжения, снабженное первым, вторым и третьим выходными зажимами, которое содержит подключенный своей первичной обмоткой к первому и третьему выходным зажимам этого источника однофазный трансформатор напряжения, имеющий одинаковые первую и вторую вторичные обмотки, первый и второй однофазные мостовые выпрямители, первый и второй переменные резисторы и первый и второй измерительные преобразователи переменного тока трансформаторного типа, одинаковые катушки которых индуктивно связаны только с одним из токопроводов тока нагрузки упомянутого источника напряжения при одинаковых коэффициентах взаимной индукции между названными катушками и токопроводами, причем конец первой и начало второй вторичных обмоток трансформатора напряжения подключены соответственно к первым входным зажимам первого и второго мостовых выпрямителей, начало первой вторичной обмотки трансформатора напряжения подключено к концу катушки первого измерительного преобразователя переменного тока, а конец второй вторичной обмотки трансформатора напряжения подключен к концу катушки второго измерительного преобразователя переменного тока, к имеющим одинаковую полярность первым выходным зажимам первого и второго мостовых выпрямителей соответственно подключены первые крайние зажимы первого и второго переменных резисторов (см. Константинов В.Н. Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок. - Л.: Судостроение, 1988, с.24-27, рис.1.4.).

Недостатки прототипа:

- у прототипа имеются два измерительных преобразователя тока, в качестве которых использованы трансформаторы тока, которые обладают увеличенной массой и габаритными размерами.

Прототип имеет еще один недостаток, который отсутствовал у аналога: это устройство не выдает на своем выходе разность выходных напряжений первого и второго мостовых усилителей, которая пропорциональна активному току источника напряжения. Оно выдает два выходных напряжения первого и второго мостовых усилителей. Устройство, принимающее полученный в прототипе сигнал о значении активного тока, должно быть снабжено двумя входами (четырьмя входными зажимами), соединенными с цепями, не имеющими общих электрических узлов. Вычитание напряжений первого и второго мостовых выпрямителей производится не электрическим способом, а магнитным, путем применения уже устаревшего решения: использованием магнитного усилителя с двумя управляющими обмотками.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение технико-экономических показателей устройства для измерения активного тока трехфазного источника напряжения.

Технический результат, который достигается при решении такой задачи, выражается в следующем:

- снижение материалоемкости, за счет замены двух трансформаторов тока, обладающих высокой массой и стоимостью, двумя дифференцирующими индукционными преобразователями тока, которые известны также под названиями трансреакторы или катушки Роговского. При высоком напряжении источника такой преобразователь выполняется без магнитного сердечника, например, в виде тороидальной катушки, расположенной вокруг токопровода с измеряемым током. Катушка размещается на том участке покрышки высоковольтного ввода в выключатель, который непосредственно примыкает к соединительной втулке ввода. Масса обмоточного провода такой катушки при напряжении источника 220 кВ не превосходит 200 г, масса же трансформатора тока при таком же напряжении составляет около 200 кг;

- упрощение конструкции и, как следствие, снижение трудоемкости изготовления за счет того, что устройство имеет два, а не четыре выходных зажима, к которым подводится пропорциональная активному току источника напряжения разность напряжений первого и второго мостовых выпрямителей.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения активного тока трехфазного источника напряжения, снабженное первым, вторым и третьим выходными зажимами, которое содержит однофазный трансформатор напряжения, подключенный своей первичной обмоткой к первому и третьему выходным зажимам этого источника, при этом имеющий первую и вторую вторичные обмотки с одинаковым числом витков, первый и второй однофазные мостовые выпрямители, первый и второй переменные резисторы и первый и второй измерительные преобразователи переменного тока, катушки которых имеют одинаковое число витков и индуктивно связаны только с одним из токопроводов тока нагрузки трехфазного источника напряжения при одинаковых коэффициентах взаимной индукции между названными катушками и токопроводами, причем конец первой и начало второй вторичных обмоток трансформатора напряжения подключены соответственно к первым входным зажимам первого и второго мостовых выпрямителей, начало первой вторичной обмотки трансформатора напряжения подключено к концу катушки первого измерительного преобразователя переменного тока, а конец второй вторичной обмотки трансформатора напряжения подключен к концу катушки второго измерительного преобразователя переменного тока, к имеющим одинаковую полярность первым выходным зажимам первого и второго мостовых выпрямителей соответственно подключены первые крайние зажимы первого и второго переменных резисторов, отличается тем, что в качестве измерительных преобразователей переменного тока применены первый и второй дифференцирующие индукционные преобразователи тока, катушки которых индуктивно связаны с одним и тем же токопроводом тока нагрузки, который подключен ко второму зажиму трехфазного источника напряжения, вторые выходные зажимы первого и второго мостовых выпрямителей объединены в один общий узел, к которому подключены вторые крайние зажимы первого и второго переменных резисторов, начала катушек первого и второго дифференцирующих индукционных преобразователей тока подключены соответственно ко вторым входным зажимам первого и второго мостовых выпрямителей, а выводы подвижных контактов первого и второго переменных резисторов являются выходными зажимами устройства.

Сопоставительный анализ существенных признаков аналогов и протипа свидетельствует о его соответвствии критерию «новизна».

При этом отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи.

Признаки, указывающие, что «в качестве измерительных преобразователей переменного тока применены первый и второй дифференцирующие индукционные преобразователи тока, катушки которых индуктивно связаны с одним и тем же токопроводом тока нагрузки, который подключен ко второму зажиму трехфазного источника напряжения», и устройство содержит «подключенный своей первичной обмоткой к первому и третьему выходным зажимам этого источника однофазный трансформатор напряжения» позволяют заменить тяжелые трансформаторы тока легкими дифференцирующими индукционными преобразователями тока. ЭДС взаимной индукции, которая наводится в катушке Роговского измеряемым синусоидальным током, на π/2 опережает этот ток. Следовательно, вектор ЭДС, наводимой активной составляющей тока токопровода нагрузки, подключенного ко второму выходному зажиму источника напряжения, является коллинеарным с вектором линейного напряжения этого источника между его первым и вторым выходными зажимами. Поэтому заявляемое устройство выполняет функцию устройства для измерения активного тока трехфазного источника напряжения, нагруженного симметричной системой синусоидальных токов: выходной сигнал устройства пропорционален активному току источника.

Признаки, указывающие, что «конец первой и начало второй вторичных обмоток трансформатора напряжения подключены соответственно к первым входным зажимам первого и второго мостовых выпрямителей, начало первой вторичной обмотки трансформатора напряжения подключено к концу катушки первого измерительного преобразователя переменного тока, а конец первой вторичной обмотки трансформатора напряжения подключен к концу катушки второго измерительного преобразователя переменного тока» и «начала катушек первого и второго дифференцирующих индукционных преобразователей тока подключены соответственно ко вторым входным зажимам первого и второго мостовых выпрямителей» позволяют исключить наличие общего электрического узла во входных цепях первого и второго мостовых выпрямителей и объединить в один общий узел вторые выходные зажимы первого и второго мостовых выпрямителей. Тем самым отпадает необходимость в использовании разделительных трансформаторов и обеспечивается получение одного напряжения, которое пропорционально активному току источника напряжения и равно разности выходных напряжений первого и второго мостовых выпрямителей.

Признаки, указывающие, что «к имеющим одинаковую полярность первым выходным зажимам первого и второго мостовых выпрямителей соответственно подключены первые крайние зажимы первого и второго переменных резисторов», «вторые выходные зажимы первого и второго мостовых выпрямителей объединены в один общий узел, к которому подключены вторые крайние зажимы первого и второго переменных резисторов», и «выводы подвижных контактов первого и второго переменных резисторов являются выходными зажимами устройства» позволяют вычитать из выходного напряжения первого мостового выпрямителя выходное напряжение второго мостового выпрямителя. Путем перемещения подвижных контактов можно изменять масштабный коэффициент выходного сигнала устройства и минимизировать погрешности измерения, связанные с неидеальностью элементов устройства и разбросом их параметров.

Предлагаемое решение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена функциональная схема однофазного устройства для измерения активного тока; на фиг.2,а показаны векторы фазных напряжений: U_A, U_B, U_C, линейных напряжений: U_AC, U_AB, U_BC, и фазных токов нагрузки источника 1: I_A, I_B, I_C - На фиг.2,б и 2,в показаны векторы напряжений первой и второй вторичных обмоток трансформатора 2 напряжения , векторы ЭДС катушек 6, 7 ДИПТ и - - суммарные векторы напряжений и .

Устройство для измерения активного тока трехфазного источника 1 напряжения содержит трансформатор напряжения 2 с одной первичной обмоткой 3, соединенной с первым и третьим токопроводом трехфазного источника напряжения 1, которые обозначены как токопроводы фаз А и С, и двумя одинаковыми вторичными обмотками 4 и 5, первый 6 и второй 7 дифференцирующие индукционные преобразователи тока (ДИПТ), первый 8 и второй 9 однофазные мостовые выпрямители, а также первый 10 и второй 11 переменные резисторы, причем выводы 12 и 13 подвижных контактов соответственно первого 10 и второго 11 переменных резисторов являются выходными зажимами устройства.

Катушки ДИПТ 6 и 7 с одинаковым числом витков индуктивно связаны только со вторым токопроводом (фазы В) тока нагрузки трехфазного источника 1 напряжения, при этом коэффициенты взаимной индукции между этими катушками и указанным токопроводом также одинаковы. Конец первой 4 и начало второй 5 вторичных обмоток трансформатора 2 напряжения подключены соответственно к первым входным зажимам первого 8 и второго 9 мостовых выпрямителей. Начало первой 4 вторичной обмотки трансформатора 2 напряжения подключено к концу катушки первого 6 ДИПТ, а конец второй 5 вторичной обмотки трансформатора 2 напряжения подключен к концу катушки второго 7 ДИПТ. Начала катушек первого 6 и второго 7 ДИПТ подключены соответственно ко вторым входным зажимам первого 8 и второго 9 мостовых выпрямителей. К имеющим одинаковую полярность первым выходным зажимам первого 8 и второго 9 мостовых выпрямителей соответственно подключены первые крайние зажимы первого 10 и второго 11 переменных резисторов. На фиг.1 эти зажимы обозначены знаком плюс. Вторые выходные зажимы, обозначенные на фиг.1 знаком минус, первого 8 и второго 9 мостовых выпрямителей объединены в один общий узел, к которому подключены вторые крайние зажимы первого 10 и второго 11 переменных резисторов.

Устройство для измерения активного тока работает следующим образом. При работе трехфазного источника напряжения 1 во вторичных обмотках 4 и 5 трансформатора напряжения 2 возникают одинаковые ЭДС, пропорциональные линейному напряжению U_AC. Параметры элементов устройства выбираются такими, что падения напряжения в сопротивлениях обмоток трансформатора 2 напряжения и катушек ДИПТ много меньше указанных ЭДС. Приведенный к вторичным обмоткам 4 и 5 трансформатора 2 ток его намагничивающего контура пренебрежимо мал по сравнению с токами этих обмоток. Поэтому анализ работы устройства можно производить, полагая трансформатор 2 идеальным и считая ДИПТ элементами, которые определяется только одним параметром М - взаимной индуктивностью между токопроводом фазы В и катушками 6 и 7 ДИПТ. При этом ЭДС катушек первого 6 и второго 7 ДИПТ, равные напряжениям этих элементов, определяются выражением:

где i_B - мгновенное значение тока фазы B, t- время.

При синусоидальной форме напряжений и токов нагрузки трехфазного источника напряжения 1 в установившемся режиме этим величинам соответствуют изображенные на фиг.2, а векторы линейных напряжений: U_AC, U_AB, U_BC, и фазных токов нагрузки источника 1: I_A, I_B, I_C. Эти векторы образуют две симметричные системы: линейных напряжений и токов нагрузки. Для указанных выше условий векторы ЭДС катушек первого 6 и второго 7 ДИПТ имеют одинаковую амплитуду и противоположные направления, как показано на фиг.2,б и 2,в:

где j - мнимая единица, φ - угол, на который ток нагрузки отстает от фазного напряжения источника 1, ω - угловая частота напряжения источника 1 напряжения.

На фиг.2,б и 2,в показаны также векторы напряжений первой 4 и второй 5 вторичных обмоток:

где k_u - коэффициент трансформации трансформатора 2, и векторы входных напряжений мостовых выпрямителей 8 и 9:

Модули векторов входных напряжений мостовых выпрямителей 8 и 9 находятся в соответствии с фиг.2,б и 2,в и формул (4) путем применения теоремы косинусов:

При проектировании необходимо обеспечивать условие: ЭДС катушек ДИПТ 6 и 7 в нормальных режимах работы трехфазного источника 1 напряжения не должны превосходить 10% от напряжения вторичных обмоток 4 и 5 трансформатора 2 напряжения. При этом в выражениях (5) и (6) можно пренебречь слагаемым (х_mI_B)², а при дальнейшем разложении получившихся выражений радикалов в ряд Маклорена можно ограничиться первыми двумя членами ряда. Тогда входные напряжения мостовых выпрямителей 8 и 9 аппроксимируются достаточно точными выражениями:

Средние значения напряжений на выходных зажимах выпрямителей 8 и 9 получаются умножением их входных напряжений U₈ и U₉ на коэффициент выпрямления, который для однофазных мостовых выпрямителей равен 0,9.

Напряжение между положительными выходными зажимами этих выпрямителей, равное разности выходных напряжений этих выпрямителей, пропорционально активной составляющей тока нагрузки (I_a=I_Bcosφ) трехфазного источника 1 напряжения:

Выходное напряжение устройства, которое снимается с зажимов 12 и 13, подключенных к выводам подвижных контактов первого 10 и второго 11 переменных резисторов, меньше U_out,max и зависит от расположения указанных подвижных контактов. Наличие этих подвижных контактов позволяет практически устранить влияние факторов, которые не учитываются в приведенных формулах: неидеальные свойства трансформатора 2 напряжения и ДИПТ 6 и 7, а также падение напряжения в диодах мостовых выпрямителей 8 и 9. Упомянутые контакты устанавливаются так, чтобы практически выполнялись два условия:

- нулевое значение выходного напряжения устройства, когда активная составляющая тока нагрузки равна нулю;

- заданное значение выходного напряжения устройства, когда активная составляющая тока нагрузки равна своему номинальному значению.

Таким образом, выходное напряжение заявляемого устройства при симметричной нагрузке практически пропорционально только активному току трехфазного источника напряжения 1.