Комаров С. Г., независимый исследователь, электромеханик
Аннотация
В даннной статье представлено предложение к практическому применению патента РФ № 2190228 с приоритетом от 27.12.1999 г. на изобретение “Датчик тока” (уплата пошлин за поддержание патента в действии прекращена в 2003 году), – предложено эффективно использовать в качестве первичных приборов датчики тока, выполненные в виде проходных конденсаторов, а в качестве вторичных приборов для индикации параметров электрической сети электронные приборы, выполненные с применением интегральных микросхем, специализированных микропроцессоров и электронных устройств индикации. Приведены варианты построения таких приборов, возможный алгоритм их действия на примере выполнения электронного счётчика расхода активной (и реактивной) энергии, а также приведён пример построения устройства защитного отключения (УЗО).
В системах промышленного и бытового электроснабжения до настоящего времени нашли наиболее широкое применение в качестве первичных приборов датчики тока – трансформаторы тока, максимально закороченные по выходу (одно из требований к применению этого типа датчиков), которые в первую очередь являются источниками сравнительно высокого собственного потребления энергии (2 – 3 вт), выделяющейся в виде тепла, ограничены по максимуму проходящего через полезную нагрузку тока и, кроме того, конструктивно сложны, что повышает их стоимость.
Другие наиболее применяемые датчики тока – измерительные шунты и шинные аппликации. Но из-за влияния контактных присоединений и электромагнитных полей в сильноточных электрических цепях такие датчики имеют высокую погрешность при преобразовании тока потребления в выходное напряжение.
В качестве вторичных приборов чаще всего используются приборы магнито-электрической системы – амперметры, вольтметры, ваттметры, частотомеры, измерители сдвига фаз и индукционные счётчики расхода активной и реактивной энергии, которые сами по себе являются потребителями электрической энергии (порядка 0,5 – 3 вт).
Из-за чего, учитывая, что в каждой отдельно взятой стране в системах энергоснабжения используются сотни и сотни миллионов первичных и вторичных приборов, не учитываемый расход электрической энергии от их использования оказывается огромным. В связи с чем предлагаются к практическому применению датчики тока, выполненные в виде проходных конденсаторов, которые практически не имеют собственного энергопотребления, и построенные с их применением электронные вторичные приборы с весьма ограниченным собственным энергопотреблением.
На рис.1 представлена структурная схема датчиков тока и напряжения и их подключения к измерительной схеме.
Где: ДТ – датчик тока – цилиндрический проходной конденсатор в примере конструктивно выполнен в виде цилиндрического токового проводника 1 из меди, никеля и т. п., боковая поверхность которого образует первую обкладку конденсатора, второй цилиндрической обкладки 2 конденсатора, которая изолирована от первой обкладки высокоомным резистом 3, нанесённым на первую обкладку высокотехнологичным способом, и металлического экрана 4, который электрически соединён с токовым проводником 1 через контакты «а» и «в» и изолирован высокоомным резистом 3 от второй цилиндрической обкладки 2.
Ёмкость такого проходного конденсатора – датчика тока измеряется в единицах – десятках пикофарад. Силовой вход конденсатора по току нагрузки может быть неограничен.
Прочие обозначения на рис. 1:
Uс – переменное напряжение электрической сети.
(«Ф» – фаза, «О» – ноль (заземлён).
Н – нагрузка (активная R, индуктивная L, ёмкостная C).
ДН – датчик напряжения.
СИ – система измерения и документирования параметров тока, напряжения, активной и реактивной мощности, фазового угла между током потребления и напряжением электрической сети, Cos Y, частоты переменного напряжения и расхода активной и реактивной энергии в электрической цепи.
ПК – проходной конденсатор – отделитель высокочастотных (ВЧ) сигналов управления, например, для переключения измерителя расхода активной энергии во временном диапазоне на задаваемый тариф. В некоторых примерах изготовления измерительных приборов проходной конденсатор ПК может быть применён для устранения влияния на параметры измерений сетевых высокочастотных помех.
ИВЧ – измеритель высокочастотных составляющих электрической цепи (соединён выходом с входом с системы измерения и документирования измеряемых параметров СИ).
Датчик тока – цилиндрический проходной конденсатор может быть также выполнен с применением обкладок из тонкой металлической фольги. Причём первая обкладка контактно присоединяется к токовому проводнику, а вторая обкладка является свободной. Обе обкладки с диэлектриком между ними (например, это может быть пропитанная изоляционным раствором бумага) сворачиваются в спираль на токовом проводнике, которая изолируется снаружи. Изолированная спираль охватывается металлическим экраном, который соединяется с одним (любым) концом токового проводника. Силовой вход такого датчика тока образуют концы токового проводника, а измерительный выход – токовый проводник и свободная обкладка конденсатора. Ёмкость такого проходного конденсатора может измеряться в единицах микрофарад (что необходимо, если входное сопротивление вторичного прибора выбрано в значении до 10 мгом). Пример конструктивного выполнения такого типа датчиков тока на рисунке не показан.
Датчик тока (см. рис. 2) также может быть выполнен в виде пластинчатого проходного конденсатора с токовым проводником 1, свободной пластинчатой обкладкой 2, пластинчатой обкладкой 3, которая соединена электрически с токовым проводником 1, и промежуточной между обкладками 2, 3 средой 4, например, кроме воздуха, из феррита с высокими магнитной проницаемостью и электрическим сопротивлением. Обе обкладки 2, 3 конденсатора изолированно охвачены металлическим экраном (на рис. не показан), который контактно соединён с одним из концов токового проводника 1.
Датчик напряжения ДН (см. рис. 1) может быть выполнен с применением активного высокоомного делителя напряжения (на активных сопротивлениях).
Если выходное напряжение с датчика тока (см. рис.1) снимать с клемм «c» и «d», то оно будет пропорционально току нагрузки, длине цилиндров – обкладок и частоте сети и обратно пропорционально расстоянию между обкладками.
Если выходное напряжение снимать с клемм «d» и «e», то оно будет пропорционально току нагрузки, магнитной проницаемости металла токового проводника и обратно пропорционально сечению токового проводника и расстоянию между обкладками проходного конденсатора.
Переменное выходное напряжение с датчика тока, структурная схема которого представлена на рис. 2, прямо пропорционально току в токовом проводнике, площади пластин – обкладок, магнитной проницаемости высокорезистивного материала – феррита между обкладками и расстоянию между обкладками конденсатора.
Реально создаваемые датчики тока (рис. 1 и 2) имеет коэффициент преобразования тока в напряжение порядка 10-4 – 10-7 В/А нагрузочного тока. Но они практически не имеют собственного энергопотребления, могут использоваться при измерении токов как в доли ампера, так и в сотни – тысячи ампер. Выходное напряжение датчиков тока находится в фазе с током. Очень низкий коэффициент преобразования тока в напряжение датчиком тока обеспечивает возможность применения в измерительном устройстве источника низкого напряжения и малое собственное энергопотребление самого источника, так как он может быть выполнен в виде ёмкостного делителя напряжения, двухполупериодного выпрямителя и подключённого на его выходе интегрирующего звена. В измерительном устройстве может быть несколько таких источников напряжения, почти не имеющих собственного энергопотребления.
Датчики тока обозначенных конструкций наиболее применимы в электронных приборах – амперметрах, ваттметрах, счётчиках активной и реактивной энергии, приборах для измерения фазового угла между током потребления и напряжением электрической сети, в приборах измерения частоты тока. При этом сами эти приборы обладают в 10 – 100 и более раз меньшим собственным энергопотреблением по сравнению с энергопотреблением аналогичных приборов, применяемых в быту и в промышленности.
Датчик тока, дополненный на выходе потенциальным усилителем тока, может быть установлен на подстанции, где потребление тока составляет тысячи ампер. Напряжение с усилителя тока может быть передано по проводам на несколько километров к центральной координирующей системе, собирающей данные с каждого потребителя энергии.
Примером конструирования электронных приборов с использованием датчика тока по составным частям может служить счетчик электрической энергии, структурная схема которого представлена на рис. 3.
Обозначения на рисунке 3:
С — сеть (переменное напряжение, например, 220 в).
Н — нагрузка (потребитель тока).
ДТ — датчик тока (проходной конденсатор).
УТ — потенциальный усилитель тока с входом установки коэффициента усиления, например, до 200000.
ДН — датчик напряжения (высокоомный делитель напряжения).
УН — потенциальный усилитель напряжения с заданным коэффициентом усиления.
КУ — кодирующее устройство.
ЗУ — запоминающее устройство.
АУ — арифметическое устройство.
УУ — устройство управления.
К — клавиатура устройства управления.
ДУ — документирующее устройство.
Если токовый проводник проходного конденсатора выбран из меди с радиусом сечения 0,25 см, с длиной внешнего цилиндра конденсатора 5,1 см, расстоянием между обкладками – цилиндрами 0,01 см, диэлектрической проницаемостью изолирующего вещества между обкладками примерно равной 1, с площадью поверхности внутреннего цилиндра 8 см2 и объемом конденсатора 1 см3, то ёмкость конденсатора составит 72 пф, допустимый ток через токовый проводник конденсатора 125 а. Таким образом, счетчик активной энергии может быть использован на номинальный ток 100 а (100 – амперный счетчик, 22 квт).
Точно такой же проходной конденсатор ПК на 72 пф может быть использован для закорачивания высокочастотных составляющих электрической сети (см. рис. 1), например, для устранения сетевых высокочастотных помех (и- или для приема закодированных ВЧ сигналов). Для устранения сетевых высокочастотных помех также могут использоваться серийно выпускаемые промышленностью проходные конденсаторы.
Выходное напряжение датчика тока ДТ может быть снято (см. рис. 1) с клемм «с» и «d» или «d» и «е» и подано (см. рис. 3) на потенциальный усилитель тока УТ с входным сопротивлением порядка 100 мгом и с возможностью ручной установки коэффициента усиления до 105 и более.
Выходное напряжение датчика напряжения ДН (см. рис. 1) снимается с выхода второго сопротивления R2 резистивного делителя напряжения и подается на потенциальный усилитель напряжения УН с фиксированным коэффициентом усиления (см. рис. 3).
Выходы усилителей УТ и УН подключены к входам кодирующего устройства КУ (рис. 3).
Кодирующее устройство КУ по каналу датчика тока ДТ своей схемой выборки аналогового сигнала с частотой, например,
4 – 8 раз в миллисекунду, сначала преобразует сигнал усилителя тока УТ (от датчика ДТ – тока) в амплитудно-модулированные сигналы. Процесс выборки аналогового сигнала дает последовательность импульсов, высота каждого из которых соответствует амплитуде сигнала в момент выборки.
Для системы выборки сигнал датчика ДТ – тока, предварительно очищенный от высокочастотных помех фильтром нижних частот – проходным конденсатором ПК (см. рис. 1) и фильтром нижних частот, встроенным в усилитель тока УТ, усиливается усилителем тока УТ (см. рис. 3) до уровня, необходимого для производства выборки. Схема выборки в кодирующем устройстве КУ преобразует поступающий сигнал в последовательность
импульсов, промодулированных по амплитуде в соответствии с величиной аналогового сигнала-тока нагрузки в каждый из моментов выборки (примечание: в схемах выборки часто используют генератор линейно – изменяющегося напряжения – ГЛИН и компаратор с высокоомным входным сопротивлением, с возможностью работы последнего от нулевого уровня входного сигнала).
Затем со схемы выборки каждый из моментов выборки поступает в аналого-цифровой преобразователь АЦП кодирующего устройства КУ, имеющий одну входную линию, на которую поступают выборки аналогового сигнала, и, например, восемь выходных линий (8 бит). Этот 8-битовый выходной сигнал АЦП используется для последовательного ввода данных в ячейки оперативного запоминающего устройства ОЗУ.
Выборка аналогового сигнала и преобразование его в цифровую форму производится не в течение полупериода переменного тока нагрузки, а до выявления максимума тока нагрузки, т. е. чуть-чуть больше, чем половина полупериода тока нагрузки, на длительность одной выборки. Оставшееся
время длительности полупериода тока используется на последующую обработку информации. Неполные полупериоды тока (при включении и отключении потребителя) не используются при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму.
Для того, чтобы выделить максимум тока нагрузки, кодирующее устройство КУ содержит схему сравнения амплитудных моментов выборки, например, в кодовой форме, выполненную, в т. ч. с применением двух ячеек памяти ОЗУ и работающую под управлением устройства управления УУ. Сначала по амплитудным приращениям сигнала значение первой выборки вносится в первую ячейку памяти ОЗУ, затем значение второй выборки вносится во вторую ячейку памяти, при этом если оно больше первого, то значение в первой ячейке памяти сбрасывается на ноль и в первую ячейку вносится уже следующее значение выборки, предназначенное для сравнения, и т. д. Но как только амплитудное значение выборки становится убывающим до нуля, процесс выборки заканчивается и предпоследняя выборка амплитудного тока нагрузки, т. е. максимума тока, вносится в память ОЗУ. Значение максимума тока нагрузки, записанное в память ОЗУ, равно К1∙Jмах. Где K1-коэффициент пропорциональности. Произведение К1∙Jмах при надобности может быть преобразовано в действующее значение тока и передано на устройство индикации (амперметр).
Точно такие же действия параллельно производятся по каналу датчика напряжения ДН. И если ток нагрузки и напряжение сети совпадают по фазе (активная нагрузка), то значения максимумов тока нагрузки и напряжения сети в кодовой форме вносятся в ячейки памяти ОЗУ одновременно. Значение максимума напряжения сети в памяти ОЗУ равно К2∙Uмах и при надобности оно может быть преобразовано в действующее значение напряжения и передано на свое устройство индикации (например, с применением жидкокристаллического индикатора). – Это вольтметр.
Нагрузка может носить смешанный характер, т. е. содержать ешё и реактивные составляющие тока (ёмкостную и индуктивную). При больше ёмкостном характере нагрузки ток нагрузки опережает напряжение сети, максимум тока находится справа от максимума напряжения сети. При более индуктивном характере нагрузки максимум тока нагрузки отстаёт от максимума напряжения сети, т. е. находится слева от максимума напряжения сети. Практически в бытовых и промышленных условиях ток нагрузки либо совпадает по фазе с напряжением сети, либо отстаёт от напряжения сети, т. е. во временном положении максимум тока нагрузки находится слева от максимума напряжения сети.
Для определения действующего угла сдвига по фазе между током нагрузки и напряжением сети в примере в кодирующее устройство КУ вводится схема выборки угла фазового сдвига, которая содержит формирователи импульсов в каналах тока и напряжения, триггер на два входа управления, ключ коммутации, генератор импульсов и счетчик импульсов до заданного числа. Как только в ячейки памяти ОЗУ вводятся конечные сигналы импульсно-кодовой модуляции канала тока и канала напряжения, формирователи импульсов формируют короткодействующие импульсы заданной амплитуды. Импульс формирователя импульсов канала напряжения по первому входу переводит триггер в новое состояние, при котором ключ коммутации открывается, и импульсы генератора импульсов поступают в счетчик импульсов до заданного числа. Приходящий затем импульс формирователя импульсов канала тока возвращает триггер через второй его вход управления в исходное состояние, ключ коммутации закрывается и в счетчике импульсов оказывается записанным в кодовой форме число импульсов, пропорциональное углу фазового сдвига. Если импульсы формирователей импульсов приходят на входы триггера одновременного, то он не срабатывает – угол сдвига фаз тока и напряжения равен нулю. При надобности этот угол может быть преобразован с применением арифметического устройства в истинное значение CosY (этот прибор – измеритель CosY).
На электростанции следят за тем, чтобы частота тока в сети была равна 50 гц, однако при перегрузах станции частота тока может быть и меньше 50 гц, например, 45 гц. При этом длительность полупериода тока уже не равна 0,01 с, а равна 0,01111 с. Если не учитывать такое увеличение длительности полупериода тока, то показания счетчика электрической энергии окажутся неточными.
Для определения действующей длительности полупериода напряжения в канале напряжения к выходу усилителя напряжения УН в кодирующем устройстве КУ, например, подключается триггер Шмидта, который срабатывает, как только напряжение сети едва превысит нулевое значение, и переходит в исходное состояние, когда напряжение сети в обратной полярности едва перейдёт за нулевой уровень. Таким образом триггер Шмидта выделяет временной интервал длительности полупериода напряжения. Триггер Шмидта открывает и закрывает ключ коммутации, и импульсы генератора импульсов уходят в свой счетчик импульсов, число которых в кодовой форме оказывается пропорциональным длительности полупериода напряжения сети. Используя две ячейки памяти ОЗУ, устройство управления УУ переводит код счетчика импульсов первого полупериода в первую ячейку памяти, устанавливает счетчик в нулевое положение и дает разрешение на принятие счетных импульсов счетчиком импульсов при втором полупериоде напряжения. Выборку значения длительности полупериода напряжения устройство управления УУ обеспечивает из той ячейки памяти ОЗУ в кодирующем устройстве КУ, которая хранит информацию.
Таким образом, становится известным число H1 импульсов, соответствующее действующей длительности полупериода напряжения. Известна также частота генератора импульсов, длительность полупериода напряжения сети, равная 0,01 с при частоте напряжения сети 50 гц. Поэтому известно и число импульсов Н2 в кодовой форме, соответствующее 50 гц. Число Н2 и число 50 в кодовой форме вносятся в память постоянного запоминающего устройства ПЗУ. Устройство управления УУ во взаимодействии с арифметическим устройством АУ производят в последовательности арифметическое действие H1∙50/Н2 и тем самым определяют частоту напряжения сети, действующую в данный момент времени, значение которой может быть передано документирующему устройству (этот прибор – частотомер).
При взаимодействии устройства управления УУ с арифметическим устройством АУ также производится вычисление длительности полупериода напряжения в часах. Например, если длительность полупериода напряжения электрической сети составляет 0,01 с, соответствующая 50 гц, то она равна 2,7777∙10-6 час. Это значение в кодовой форме вносится в ячейку запоминающего устройства ОЗУ, где оно периодически обновляется и в дальнейшем используется при обработке информации.
Кроме того, при взаимодействии устройства управления УУ с кодирущим устройством КУ и с арифметическим устройством АУ уставка значения длительности полупериода напряжения при частоте 50 гц делится пополам. Полученное при этом значение числа импульсов в кодовой форме соответствует 90 градусам. Теперь стало известным число импульсов H1 в кодовой форме, соответствующее углу фазового сдвига между током нагрузки и напряжением сети, и число импульсов Н2, соответствующее углу 90 градусов. Число 90 вносится в кодовой форме в память постоянного запоминающего устройства ПЗУ. Перемножив H1 на 90 и разделив результат на Н2, получается значение угла фазового сдвига между током потребления и напряжением сети. Арифметическое устройство АУ по команде устройства управления УУ затем определяет косинус этого угла, а значение косинуса угла вносится в память ОЗУ и при необходимости может быть передано документирующему устройству – измерителю Cos Y.
Теперь мы имеем значения максимального тока К1∙Jмах, максимального напряжения К2∙Uмах, фактическое значение Т длительности полупериода напряжения сети (T = 2,7777∙10-6 час при частоте 50 гц) и значение косинуса угла (косинус угла равен 1, если максимум тока нагрузки совпадает с максимумом напряжения сети).
Действующие значения тока J
и напряжения U, которые действительно необходимо учитывать в расчётах, связаны с максимальными значениями:
J=0,707∙J мах. U=0,707∙U мах. Для того, чтобы получить полную мощность P в Вт, необходимо: P=К1∙Jмах∙0.707∙КЗ ∙ K2 ∙Uмах ∙ 0,707∙К4. Но К1∙Jмах, K2∙Uмах уже определены и их значения находятся в памяти 03У. 0,707 ∙ К3 ∙ 0,707 ∙ К4 возможно представить как К – новый общий коэффициент, который определяется в ходе тарировки счетчика. Тогда полная мощность Р в Квт составит:
Р (Квт) = К1∙Jмах∙К2∙Uмах∙К∙10-3. Новый коэффициент К∙10-3, определенный в ходе тарировки счетчика, через клавиатуру К устройства управления УУ вносится в ячейку постоянного запоминающего устройства ПЗУ.
Если устройство управления УУ последовательным обращением к запоминающим устройствам ЗУ и передачей данных к арифметическому устройству АУ в совместной работе обеспечат перемножение выявленных значений мощности, косинуса угла сдвига фаз между током и напряжением и времени полупериода тока, то полученный результат будет соответствовать расходу электрической энергии за один полупериод переменного тока. Если этот результат раз за разом устройство управления УУ станет адресовать уже не в оперативное ОЗУ, а в постоянное запоминающее устройство ПЗУ с энергонезависимой памятью, то в памяти этого ПЗУ будет суммироваться результат расхода активной электрической энергии в Квт х час (или расхода реактивной энергии, если вместо косинуса угла будет учтен синус угла фазового сдвига между током и напряжением сети). Энергонезависимое суммирующее запоминающее устройство ПЗУ в любое время может быть подключено через дешифратор, например, к жидкокристаллическому индикатору для считывания информации (этот прибор – счётчик электрической энергии).
Счетчик электрической энергии может быть многотарифным, с централизованным (дистанционным) переключением цифровых индикаторов на свои тарифы – путём подачи через конденсатор малой ёмкости модулированного высокочастотного сигнала в фазовый провод линии электроснабжения или использования фазового провода в качестве антенны для приёма модулированных радиоволн. Для чего в счетчик может быть введен измеритель высокой частоты ИВЧ и ключи коммутации цифровых индикаторов.
Вся схема счетчика электрической энергии может быть построена на одном кристалле или же на одном кристалле строится только один измерительный комплекс – тока, напряжения, косинуса угла фазового сдвига между током нагрузки и напряжением электрической сети, частоты тока в сети и т.д.
Счетчик электрической энергии, установленный на каждом фидере электрической подстанции, может быть снабжен цифровыми индикаторами полного тока, действующего напряжения, полной мощности, расхода активной мощности, реактивной мощности, косинуса угла фазового сдвига между током нагрузки и напряжением сети, синуса угла фазового сдвига, частоты сети, расхода активной мощности с косинусом угла фазового сдвига до 0,8 и более 0,8, и т.д.
С применением датчиков тока обозначенных выше конструкций (вместо в абсолютном большинстве применяемых в настоящее время в мире трансформаторов тока) также могут быть изготовлены устройства защитного отключения (УЗО) – быстродействующие защитные выключатели, выполняющие одновременно функции обнаружения дифференциального (разностного) тока в проводах электропитания, измерения и сравнения его величины с заданной величиной – уставкой и отключения защищаемой цепи при отклонении действующих дифференциального тока и напряжения от значений уставок, например, при возникновении тока утечки на землю, при прикосновении человека к токоведущим частям, недопустимом снижении или повышении напряжения электропитания и т.д.
В примере исполнения электронное УЗО может быть выполнено с применением микропроцессора, в конечном итоге воздействующего на магнитоэлектрическое реле – защёлку или же на тиристорное исполнительное устройство и выполняющего, кроме усиления и сравнения сигналов с уставками, самоконтроль исправности электронной схемы и отображение информации о возникшем нарушении контролируемого параметра.
Электронное УЗО, кроме того, снабжается цепью тестирования, искусственно создающей дифференциальный ток, и предназначенной для осуществления периодического контроля исправности УЗО в целом.
Выводы:
Учитывая преимущества датчиков тока, защищенных патентом (но уже утратившим его действие), предлагается специализированным производственным объединениям (организациям), специализирующимся на электронных средствах измерения и защиты, наладить их промышленное производство совместно с прочими электронными приборами, отмеченными выше. Датчики тока следует изготавливать на разные токи преобразования в выходное напряжение, в том числе, с использованием высокотехнологичных способов создания изолирующих покрытий тонкой структуры и проводящих слоев. Проходной конденсатор также может быть промышленно выполнен многообкладочным.
Специалистам в области микроэлектроники должно быть очевидно, что представленная выше технология изготовления электроизмерительных приборов может быть заменена применением уже известных и хорошо зарекомендовавших себя на практике стандартных узлов микропроцессоров и самих микропроцессоров, которые могут работать в сочетании с датчиками тока, выполненными в виде проходных конденсаторов.
Использованная литература:
1. Патент РФ на изобретение № 2190228 “Датчик тока”.
2. Коваль А. В. Радиодетали, радиокомпоненты и их расчёт – М.: Советское радио, 1977, с. 194, 293.
3. Бесплатное ежемесячное информационное обозрение, 1997, (11), Автоматизация и Производство, Проблемы применения устройств защитного отключения (УЗО). Принципы построения, с. 1 – 4, с. 13, рис. 6.
В приложении рис. 1, рис. 2, рис. 3.
Рис. 2
Рис. 3