ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА

Предлагаемое техническое решение относится к электроизмерительной технике и предназначено для прецизионных измерений широкого диапазона токов, особенно в высоковольтных сетях и энергосистемах.

Из широкого ряда измерительных преобразователей тока (ИПТ) выделен ряд ИПТ, получивший название электронные трансформаторы тока (ЭТТ), отличительным признаком которых является наличие в них промежуточного преобразования измеряемого тока с помощью электронных схем [1].

Широкое применение получили компенсационные ИПТ на основе измерительных трансформаторов тока (ИТТ), в которых первичный магнитный поток, создаваемый измеряемым током, компенсируется магнитным потоком противоположенного направления, создаваемого током, протекающим через обмотку обратной связи ИТТ [2].

Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности являются ИПТ, в которых для снижения массы, габаритов и стоимости ток первичных обмоток, используемых в них малогабаритных ИТТ, снижается в сотни раз путем параллельного подключения их к участкам цепи измеряемого тока вдоль оси их протекания [3, 4, 5, 6].

Для работы с приборами, имеющими токовые входы, например счетчики электроэнергии и мощности, в таких ИПТ используются выходные согласующие трансформаторы (ВСТ).

Недостатком таких ИПТ является то, что миниатюризация применяемых в них трансформаторов значительно ухудшает линейность их магнитных характеристик, а это приводит к значительному увеличению токовой и угловой погрешности ИПТ, что не позволяет использовать такие ИПТ в качестве прецизионных и образцовых измерителей тока.

Выявленные недостатки ИПТ устраняются или сводятся к минимуму в предлагаемой реализации ЭТТ.

Целью предлагаемого технического решения является значительное снижение токовой и угловой погрешностей ЭТТ путем линеаризации и стабилизации магнитных характеристик входящих в их состав малогабаритных трансформаторов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение следующих характеристик ЭТТ:

- значительное снижение токовой и угловой погрешностей;

- уменьшение массы, габаритов и стоимости применяемых ИТТ;

- расширение диапазона измеряемых токов;

- инвариантность ЭТТ к изменению сопротивления нагрузки;

- повышение температурной и временной стабильности.

Технический результат достигается тем, что в электронном трансформаторе тока, содержащем входной измерительный трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена с участком цепи измеряемого тока по оси его протекания, а измерительная обмотка соединена с дифференциальными входами предварительного усилителя, выход которого через последовательную цепь, состоящую из фазовращателя, регулируемого усилителя, усилителя мощности, ограничительного резистора и первичной обмотки выходного согласующего трансформатора, соединен с земляной шиной, при этом вторичная обмотка выходного трансформатора является токовым выходом устройства, кроме этого операционный усилитель прямым входом соединен с выходом предварительного усилителя, а его инвертирующий вход соединен с одним из концов обмотки обратной связи входного трансформатора и через токозадающий резистор с земляной шиной, второй конец этой обмотки соединен с выходом операционного усилителя, кроме того, выход регулируемого усилителя соединен с входом эталонного усилителя, выход которого через измерительный резистор соединен с земляной шиной и с одним из входов нового элемента схемы сравнения, второй вход которой соединен с точкой соединения ограничительного резистора и первичной обмотки выходного трансформатора, при этом выход схемы сравнения соединен с управляющим входом упомянутого регулируемого усилителя.

Проведенный анализ существующего уровня электроизмерительной техники не выявил наличия аналога с признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а также показал наличие новой совокупности признаков, которые, дополняя известные признаки, позволяют реализовать поставленную цель.

На чертеже приведена структурная схема ЭТТ.

ЭТТ содержит токопровод 1, входной измерительный трансформатор тока 2 с первичной 3, измерительной 4 и обратной связи 5 обмотками, а также предварительный усилитель 6, фазовращатель 7, регулируемый усилитель 8, усилитель мощности 9, токоограничительный резистор 10, выходной согласующий трансформатор 11 с первичной 12 и вторичной 13 обмотками, токозадающий резистор 14, операционный усилитель 15, эталонный усилитель 16, измерительный резистор 17 и схему сравнения 18.

Для снижения веса, габаритов и стоимости ЭТТ в них применяются малогабаритные измерительные трансформаторы тока (ИТТ). Это полезная и необходимая мера, но она значительно ухудшает магнитные характеристики и параметры ИТТ.

Значительное улучшение магнитных характеристик ИТТ и эффективная стабилизация параметров ЭТТ в целом осуществляется данным техническим решением, превращает ЭТТ в прецизионное средство измерения и осуществляется это следующим образом.

Через токопровод 1 протекает измеряемый ток Iн сетевой нагрузки. Параллельно точкам «a» и «b», расположенным вдоль оси протекания тока Iн, подсоединена первичная обмотка 3 ИТТ 2, таким образом токопровод становится эквивалентом шунта, многократно ослабляющим (до сотен раз) ток Iп первичной обмотки.

При этом ток Iп, проходя через индуктивное сопротивление первичной обмотки, сдвигается по фазе относительно тока Iн на величину, достигающую нескольких десятков градусов, и наводит в измерительной обмотке 4 напряжение Uвх, которое усиливается предварительным усилителем (ПУ) 6, выходное напряжение Uпу которого поступает на вход фазовращателя 7, обеспечивающего компенсацию фазового сдвига напряжения первичной обмотки 3 ИТТ 2.

Затем напряжение Uпу подается на прямой вход операционного усилителя (ОУ) 15, выход и инверсный вход которого соединены с обмоткой обратной связи (ОС) 5. Такое включение ОУ 15 позволяет ему одновременно выполнять три очень важные функции, а именно:

- преобразование напряжение-ток;

- стабилизацию параметров и характеристик ИТТ 2;

- эффективную отрицательную обратную связь.

ОУ 15 включен по схеме преобразователя напряжение-ток (ПНТ), токовой нагрузкой которого является обмотка ОС 5, ток которой зависит только от вариации двух величин, а именно напряжения Uпу и номинала токозадающего резистора 14 и практически не зависит от вариации нестабильности характеристик самой обмотки ОС 5.

Благодаря этому уникальному свойству созданное обмоткой ОС 5 магнитное поле, воздействуя на магнитное поле, созданное первичной обмоткой 3, создает результирующее магнитное поле, линеаризующее и стабилизирующее параметры и характеристики ИТТ 2 и подавляющее (даже не учтенные) погрешности преобразования.

Известно, что стабильность параметров и характеристик любого устройства повышается с ростом глубины охватывающей его отрицательной ОС (ООС), поэтому ИТТ 2, ПУ 7 и обмотка ОС 5 включены таким образом, что образуют петлю глубокой ООС, в которой ОУ выполняет роль эффективного регулятора следящей ООС, иначе говоря, выполняет функцию дополнительного стабилизатора параметров и характеристик ИТТ 2.

Далее работа ЭТТ происходит следующим образом. Напряжение Uф с выхода фазовращателя 7 поступает на сигнальный вход регулируемого усилителя (РУ) 8, выходное напряжение Upy которого поступает на вход усилителя мощности 9, выход которого через токоограничительный резистор 10 поступает на первичную обмотку 12 выходного согласующего трансформатора (ВСТ) 11, вторичная обмотка 13 которого является токовым выходом ЭТТ.

Значительное снижение погрешностей и повышение стабильности характеристик и параметров ВСТ 11 может быть реализовано только включением его в петлю глубокой ООС, а для этого необходимо произвести оценку уровня погрешности ВСТ 11.

Эта оценка производится дифференциально-нулевым методом, для этого напряжение Uвых (точка «с») первичной обмотки ВСТ 11 поступает на один из входов схемы сравнения (СС) 18, а на другой ее вход поступает эталонное (образцовое) напряжение Uэ, формируемое эталонным усилителем (ЭУ) 16 на его нагрузке измерительном резисторе 17 (точка d).

Выходное напряжение СС 18, несущее информацию об отклонении напряжения Uвых от напряжения Uэ, поступает на управляющий вход РУ 8 и, тем самым, объединяет в петлю глубокой ООС РУ 8, УМ 9, ВСТ 11 и СС 18.

Действие этой петли ООС линеаризует и повышает стабильность характеристик и параметров ВСТ 11. Таким образом, оба трансформатора (ИТТ 2 и ВСТ 11) охвачены глубокой ООС.

Во всех приборах измерения тока токовая и угловая (фазовая) погрешности, входящих в их состав ИТТ и других трансформаторов, имеют максимальные значения на начальном участке измеряемых токов.

Именно на этом участке в ЭТТ эффективно работает введенная в него жесткая ООС, благодаря которой токовая и угловая (фазовая) погрешности снижаются в 3÷5 раз, и во всем диапазоне благодаря действию ООС улучшается температурная и долговременная стабильность параметров ЭТТ.

Эти доступные и недорогие меры позволяют реализовать поставленную цель и превратить ЭТТ в малогабаритное прецизионное средство измерения широкого диапазона токов с высокой точностью (минимизация токовой и угловой погрешностей) и стабильностью результатов измерений.

Литература

1. ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010. Электронные трансформаторы тока (часть 8).

2. Лейтман М.Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. М.: Энергоатомиздат, 1986.

3. Рожнов Е.И. Патент РФ №2176088. Измерительный преобразователь.

4. Рожнов Е.И. Патент РФ №2224262. Измерительный преобразователь тока.

5 Рожнов Е.И. Патент РФ №2224266. Измеритель метрологических характеристик трансформаторов тока.

6. Рожнов Е.И. Патент РФ №2300774. Измерительный преобразователь.