Результат интеллектуальной деятельности: Трансформатор тока с активной коррекцией

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах и устройствах для измерения электрических величин тока, мощности, энергии, а также в системах защиты и автоматики. Известны устройства для масштабного преобразования тока, содержащие усилитель, трансформатор тока с входной и выходной обмотками, нагрузку (см. а.с. №918868, БИ №13).

Недостатком такого устройства является низкая точность из-за не невозможности точной компенсации сопротивлении нагрузки и обмотки трансформатора, т.к. возможен разброс и отклонение параметров трансформатора и усилителя от номинального значения из-за влияния температуры и со временем.

Другим недостатком является необходимость применения усилителей большой мощности и с большим выходным током, т.к. через усилитель течет полный ток нагрузки.

Следующим близким по техническому решению к предложенному устройству является устройство (по а.с. №1045136 БИ №36, 1983), содержащее первый трансформатор с входной и двумя выходными обмотками, и блок коррекции на основе второго трансформатора и усилителя, выход которого последовательно соединен с первой выходной обмоткой, первого трансформатора, второй трансформатор и блок опорного напряжения, вход которого подключен к входной обмотке первого трансформаторе, а выход - последовательно со второй выходной обмоткой первого трансформатора, выходная обмотка которого подключена к входу усилителя, а обмотка обратной связи к его выходу.

Наиболее близким по техническому решению к предложенному устройству является устройство (по пат. РФ №2510030, Бюл. №8, 2014), содержащее первый трансформатор с входной и двумя выходными обмотками, усилитель, второй трансформатор с входной и тремя выходными обмотками, первая из которых соединена с входом усилителя, сопротивление нагрузки, третья выходная обмотка второго трансформатора включена последовательно с выходной обмоткой первого трансформатора и сопротивлением нагрузки, параллельно которому подключается цепь, состоящая из последовательно соединенных выходной цепи усилителя и второй выходной обмотки второго трансформатора, входные обмотки обоих трансформаторов соединяются последовательно, с третьей выходной обмоткой второго трансформатора и выходной обмоткой первого трансформатора введено дополнительное сопротивление нагрузки, включенное через третий трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно с выходной обмоткой первого трансформатора.

Недостатком такого устройства является сложность обеспечения безопасности для средств измерений, так как они включаются во вторичной цепи первого трансформатора, работающего с многократными его перегрузками (25-30 раз), если на его выходе подключаются системы защиты.

Целью изобретения являются высокая точность и защищенность средств измерений от многократных перегрузок, расширение области применения.

Цель достигается тем, что нагрузку в виде средств измерений включают во вторичной цепи третьего трансформатора, насыщение которого происходит при много меньших перегрузках, чем у первого трансформатора, а погрешности обоих трансформаторов компенсируются системой коррекции на основе второго трансформатора и усилителя, подключенной к выходу третьего трансформатора.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Трансформатор тока с активной коррекцией содержит три трансформатора, два сопротивления нагрузок, усилитель, первый и третий трансформаторы с входной и выходной обмотками, второй трансформатор с входной и тремя выходными обмотками, первая выходная обмотка второго трансформатора соединена с входом усилителя, третья выходная обмотка второго трансформатора включена последовательно с сопротивлением второй нагрузки, параллельно которому подключается цепь, состоящая из последовательно соединенных выходной цепи усилителя и второй выходной обмотки второго трансформатора, входные обмотки первого и второго трансформаторов соединяются последовательно, выходная обмотка первого трансформатора включена последовательно через сопротивление первой нагрузки с входной обмоткой третьего трансформатора, к выходной обмотке третьего трансформатора подключена цепь из последовательно соединенных третьей выходной обмотки второго трансформатора и сопротивления второй нагрузки.

2. Трансформатор тока с активной коррекцией содержит три трансформатора, два сопротивления нагрузок, усилитель, первый и третий трансформаторы с входной и выходной обмотками, второй трансформатор с входной и двумя выходными обмотками, первая из которых соединена с входом усилителя, входные обмотки первого и второго трансформаторов соединяются последовательно, выходная обмотка первого трансформатора включена последовательно через сопротивление первой нагрузки с входной обмоткой третьего трансформатора, отличающийся тем, что вторая выходная обмотка второго трансформатора подключена через сопротивление второй нагрузки к выходной обмотке третьего трансформатора, параллельно которой подключается выход усилителя.

На фигуре 1 приведена схема предложенного устройства по п. 1, а на фигуре - фрагмент схемы устройства по п. 1 с изменениями, где обозначены: первый 1, второй 2 и третий 3 трансформаторы, соответственно с входными 4, 5 и 6, а также выходными 7, 8, 9, 10 и 11 обмотками, усилитель 12, сопротивления первой (средств зашиты) 13 и второй (средств измерений) 14 нагрузок. Принцип действия предложенного трансформатора тока с активной коррекцией, показанного на фигуре 1 следующий. Входной ток, проходя через входные обмотки 4 и 5, намагничивает сердечники трансформаторов 1 и 2. В выходных обмотках трансформаторов I и 2, 3 вследствие этого протекают токи. Ток нагрузки 13 и обмотки 6 определяется, в основном, током, наводящимся в обмотке 7.

Ток нагрузки 14 определяется суммой протекающих через нее токов

где I₁₂ - ток, задаваемый усилителем 12;

I₁₁ - ток обмотки 11 трансформатора 3;

I₁₄ - ток через нагрузку 14.

Входной ток трансформаторов 1 и 2 передается на выход трансформатора 3 с коэффициентом передачи

где W₄, W₇, и W₆, W₁₁ - числа витков обмоток 4, 7 и 6, 11 трансформаторов 1 и 3 соответственно;

(K_1,3)_ном - номинальное значение коэффициента передачи последовательно включенных трансформаторов 1 и 3.

При наличии погрешностей у трансформаторов 1 и 3 коэффициент передачи трансформаторов 1 и 3 отклоняется от номинального значения, определяемого (2), ток I₁₁ недостаточен для компенсации входного тока трансформатора 2, поэтому усилитель 12 изменяет ток через подключенную к нему обмотку трансформатора 2 до величины, при которой компенсируется влияние погрешностей трансформаторов 1 и 3 на величину тока I₁₁.

Сердечник трансформатора 2 практически размагничен за счет действия компенсирующих потоков, создаваемых токами во вторичных обмотках 8, 9, 10 трансформатора 2, в основном током вторичной обмотки 11, и токами усилителя 12, протекающими через обмотки 10 и 9. Усилитель 12 с обмотками 8 и 9 трансформатора 2, включенными на входе и выходе усилителя образуют замкнутую следящую систему, поддерживающую намагниченность сердечника трансформатора 2 практически близкой к нулю. Поэтому с достаточной точностью для трансформатора 2 справедливо соотношение

где I₄ - входной ток трансформаторов 1 и 2 через обмотки 4 и 5;

I₁₁ - ток обмотки 11 трансформатора 2;

I₁₂ - ток через обмотку 9 трансформатора 2, задаваемый усилителем 12;

W₅, W₈, W₉,W₁₀ - числа витков обмоток 5, 8, 9, 10;

K_y - коэффициент усиления усилителя 12.

Из (1)-(3), при I₄=I₅, K_y>>1, W₅/W₉=(K₆₃)_ном; W₉=W₁₀ после преобразований имеем соотношение для тока через нагрузку 9

Как видно из (4), ток нагрузки 14 практически не зависит от точности трансформаторов 1 и 2, а определяется в основном параметрами трансформатора 2, который имеет малую нагрузку и малый магнитный поток в сердечнике, что упрощает достижение для него высокой точности, в отличие от трансформаторов 1 и 2.

Принцип действия трансформатора тока с активной коррекцией по п. 2 рассмотрим с учетом схемы трансформатора 2, показанной на фигуре 2. Отличие схемы состоит в том, что вместо двух обмоток 9 и 10 применяют одну обмотку 9(10), которую условно можно представить, как параллельное согласное соединение обмоток 9 и 10. Через обмотку 9(10) одновременно протекают ток от усилителя 12 и ток обмотки 11, практически независимо друг от друга, при условии размагниченности сердечника трансформатора 2. Приведенные выше соотношения (1)-(4) остаются справедливыми, так как они выполняются при W₉=W₁₀.

Через трансформатор 1 подключаются как средства измерений в виде нагрузки 14, так и системы защиты, включаемые непосредственно на его выходе в виде нагрузки 13. Поэтому он должен допускать многократную перегрузку (25-30 раз), наличие которой требуется для систем защиты. Трансформатор 3, насыщение которого происходит при много меньших перегрузках, чем у трансформатора 1, обеспечивает защиту от больших токовых перегрузок для средств измерений в виде нагрузки 14. Компенсация погрешностей обоих трансформаторов 1 и 3 обеспечивается системой коррекции на основе второго трансформатора и усилителя.

Высокая точность, небольшие вес и габариты, расширенный диапазон выходной мощности устройства, соответствующие разным типам нагрузок и режимов эксплуатации, позволят широко применить такое устройство в системах измерительных и системах защиты.