Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для измерения дифференциального тока

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения токов утечки с объектов, подключенных к источникам электрического напряжения, например для измерения токов утечки в квартирных сетях, а также для измерения токов утечки отдельных бытовых электроприборов.

Известно устройство защитного отключения (см. В.К. Монаков, В.С. Розанов, А.В. Трубицын. Безопасность жизнедеятельности. М.: МГТУ МИРЭА, 2014, с. 30-33). Это устройство содержит дифференциальный трансформатор тока, пусковой орган, исполнительный механизм и блок для тестирования. Дифференциальный трансформатор с помощью двух первичных обмоток подключается к электроприемнику (нагрузке) и источнику переменного тока. Вторичная обмотка трансформатора соединена с пусковым органом, который в свою очередь подключается к исполнительному механизму.

При отсутствии дифференциального тока - тока утечки, по первичным встречно включенным обмоткам трансформатора протекают равные по величине токи, определяющие характер нагрузки. Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора векторно встречно направленные магнитные потоки. Результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю.

При появлении тока утечки равенство токов в обмотках нарушается и возникает разностный ток, благодаря чему наступает небаланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформатора э.д.с., пропорциональной току утечки. Сигнал с выхода вторичной обмотки через пусковой орган воздействует на исполнительный механизм, который обеспечивает размыкание электрической цепи.

Недостатком этого известного устройства является низкая точность при преобразовании э.д.с. вторичной обмотки трансформатора.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип (RU 41374 U1, 20.10.2004) устройство, содержащее блок измерения, включающий дифференциальный трансформатор тока и элемент для подключения к измеряемой цепи, и фильтр низких частот, усилитель сигнала, блок питания, микроконтроллер, блок индикации, интерфейс, блок измерения температуры и внешнее устройство.

Принцип действия данного устройства основан на измерении разностного тока нулевой последовательности фаз, возникающего при появлении в сети некомпенсированного тока утечки через проводимость изоляции фаз на землю. При отсутствии повреждения изоляции геометрическая сумма магнитных потоков, наведенных в сердечнике линейными токами, равна нулю, следовательно, во вторичной обмотке э.д.с. не индуктируется. При повреждении изоляции появляются токи нулевой последовательности, вызывающие в сердечнике дифференциального трансформатора возникновение некомпенсированного магнитного потока, который наводит э.д.с. во вторичной обмотке, значение которой пропорционально значению тока утечки.

Устройство работает следующим образом. Блок измерения подключается в рассечку фазных и нулевого проводов. С помощью фильтра низких частот производится выделение необходимого сигнала, этот сигнал усиливается в усилителе сигнала с высоким входным сопротивлением, усиленный сигнал поступает на аналоговый вход микроконтроллера, с помощью встроенного АЦП микроконтроллера полученный сигнал преобразуется в цифровое значение. С помощью заложенной в микроконтроллер градировочной кривой входной сигнал преобразуется в ток утечки, одновременно производится измерение окружающей температуры и вносится корректировка в значение тока утечки. Полученное значение отображается на цифровом индикаторе блока индикации, одновременно эти значения могут быть переданы на внешнее устройство по интерфейсу.

Недостатком этого известного устройства является сложность процедуры преобразования э.д.с. вторичной обмотки тороидального трансформатора, пропорциональной току утечки.

Техническим результатом заявляемого технического решения является упрощение процедуры преобразования сигнала вторичной обмотки дифференциального трансформатора.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения дифференциального тока содержит чувствительный элемент в виде тороидального трансформатора с двумя первичными и одной вторичной обмотками, источник переменного тока, усилитель и блок питания, введены преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение, микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты и частотомер, причем вход чувствительного элемента соединен с источником переменного тока, выход чувствительного элемента через преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение подключен к входу усилителя, выход последнего соединен с варактором микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты, выход микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты подключен с входом частотомера, выход блока питания соединен с входом питания микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что преобразованная э.д.с. вторичной обмотки тороидального трансформатора воздействует на варактор микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты и по частоте выходного сигнала этого генератора, при его перестройке, измеряется значение дифференциального тока.

Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу измерения дифференциального тока на основе измерения частоты электромагнитных колебаний микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процесса преобразования сигнала вторичной обмотки тороидального трансформатора (чувствительного элемента).

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Данное устройство содержит источник переменного тока 1, подключенный к входу чувствительного элемента 2, преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение 3, соединенный выходом с входом усилителя 4, микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты 5, блок питания 6 и частотомер 7.

Устройство работает следующим образом. Отсутствие дифференциального тока в сети приводит к тому, что на выходе чувствительного элемента наблюдается, нулевой сигнал. Появившийся на выходе чувствительного элемента 2 сигнал, отличный от нулевого значения и соответствующий току утечки, поступает на вход преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение 3. После выпрямления этого сигнала в этом преобразователе его постоянный выходной сигнал далее усиливается в усилителе 4. С выхода последнего усиленный сигнал поступает на вход варактора микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты 5. Одновременно с этим с выхода блока питания 6 сигнал (постоянное напряжение) подается на вход питания микроволнового генератора для генерирования электромагнитных колебаний.

Из практики известно, что изменением напряжения на варакторе микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты можно обеспечить перестройку частоты генератора. В силу этого в данном случае сигналом (напряжением), образованном на выходе чувствительного элемента (после выпрямления и усиления), можно перестроить частоту микроволнового генератора. Отсюда следует, что если измерить частоту микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты при его перестройке, то измерением этой частоты можно обеспечить измерение величины дифференциального тока. Для измерения частоты микроволнового генератора его выход подключается к входу частотомера 7.

Пусть f₁ - частота генератора при отсутствии тока утечки (отсутствие повреждение изоляции), т.е. напряжение на входе варактора микроволнового генератора, имеет нулевое значение. При возникновении тока утечки, т.е. появление постоянного напряжения на входе варактора, частота микроволнового генератора перестроится, и обозначим эту частоту - f₂. Тогда по разности f₂-f₁ можно определить величину тока утечки. Здесь принимается то, что f₂>f₁. Это вытекает из того факта, что, как правило, возрастание постоянного напряжения на варакторе приводит к увеличению частоты микроволнового генератора и наоборот.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении на основе преобразования выходного сигнала чувствительного элемента (э.д.с. вторичной обмотки тороидального трансформатора) в частоту микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты можно обеспечить упрощение процедуры преобразования дифференциального тока. Одним из преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с известными измерителями дифференциальных токов является то, что информацию о величине дифференциального тока можно передавать дистанционно.

Данное техническое решение успешно может быть применено в целях защиты человека от поражения электрическим током при косвенном прикосновении к токоведущим частям. Кроме того, предлагаемое устройство может быть использовано как индикатор возможных повреждений изоляции, неисправности электропроводки и электрооборудования.