eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2023.229.8.74.78
В связи с перебоями поставок датчиков тока компании LEM группе разработчиков ООО «НТЦ АКТОР» была поставлена задача спроектировать измерительные преобразователи для их замены. В статье рассмотрены ключевые особенности гальванически изолированных измерительных преобразователей тока серии ДТК, разработанных «НТЦ АКТОР».
В связи с перебоями поставок датчиков тока компании LEM группе разработчиков ООО «НТЦ АКТОР» была поставлена задача спроектировать измерительные преобразователи для их замены. В статье рассмотрены ключевые особенности гальванически изолированных измерительных преобразователей тока серии ДТК, разработанных «НТЦ АКТОР».
Теги: current sensor dynamic characteristics hall effect isolated current transducer датчик тока динамические характеристики изолированный измерительный преобразователь тока эффект холла
Изолированные измерительные преобразователи тока
В. Масалов, к. ф-м. н .
ООО «НТЦ АКТОР» специализируется на разработке и производстве источников электропитания переменного и постоянного тока, регистраторов электрических величин, а также испытательного оборудования, воспроизводящего виды и значения параметров качества электроэнергии различных систем электроснабжения. В связи с перебоями поставок датчиков тока компании LEM группе разработчиков предприятия была поставлена задача спроектировать измерительные преобразователи для их замены. Изолированные измерительные преобразователи тока широко применяются в различных отраслях промышленности, в частности в электроприводах, источниках бесперебойного питания, накопителях электрической энергии, системах контроля АКБ и др. В статье рассмотрены ключевые особенности гальванически изолированных измерительных преобразователей тока серии ДТК, разработанных «НТЦ АКТОР».
В качестве аналогов были выбраны датчики компании LEM, рассчитанные на токи 100 и 500 А, как самые применяемые в продукции, выпускаемой «НТЦ АКТОР». Разработанные устройства полностью аналогичны датчикам LEM, а по некоторым параметрам превосходят их. Они позволяют проводить измерения тока как на проводе, так и на силовой шине в широком диапазоне. Преобразователи могут использоваться для работы как с переменными, так и с постоянными токами в диапазоне от десятков ампер до нескольких тысяч ампер. В настоящее время компания успешно освоила производство преобразователей серии ДТК.
В измерительных преобразователях тока серии ДTK применяются датчики на основе эффекта Холла. Магнитное поле, создаваемое первичным током Iр, компенсируется таким же магнитным полем, создаваемым током во вторичной обмотке. Вторичный (компенсирующий) ток генерируется с помощью элемента Холла и электроники датчика. Этот ток является пропорциональной копией первичного тока. Магнитный поток во встроенном магнитопроводе близок к нулю, что позволяет получить линейность преобразования измеряемого тока в широком динамическом диапазоне. Компенсирующий вторичный ток прикладывается к внешнему нагрузочному резистору, что позволяет преобразовать измеряемый ток Iр в выходное напряжение. Изменяя величину нагрузочного резистора можно подобрать коэффициент преобразования, необходимый для применения преобразователей ДТК в конкретном устройстве.
Основные характеристики датчиков тока серии ДТК представлены в табл. 1, а внешний вид, габаритные размеры и схемы преобразователей – на рис. 1 и 2.
Дополнительно были исследованы рабочие характеристики преобразователей ДТК‑500-1А в режиме измерения постоянного тока и в динамическом режиме.
Данные измерений статических передаточных характеристик в рабочем диапазоне 0–1 000 А преобразователя ДТК‑500 приведены на рис. 3. Нелинейность преобразования в рабочем диапазоне 50–1 000 А не превышает 1% и увеличивается до 2% при снижении минимального рабочего тока до 2 А.
Также были проведены измерения динамических характеристик ДТК‑500 в режиме большого сигнала (рис. 4). Входной ток Iin подавался на токовую обмотку, состоящую из 100 витков. Индуктивность обмотки составляла 0,65 мГн.
Измерение тока в первичной цепи проводилось с использованием токового трансформатора DS1100L. Вторичная цепь токового трансформатора нагружалась на резистор 100 Ом. Таким образом, с учетом коэффициента трансформации, равного 1 000, и 100 витков токовой обмотки, выходной сигнал токового трансформатора составил 1 В на Iin = 1 000 А (ток, приведенный ко входу ДТК‑500). Токовый выход ДТК‑100 был нагружен на резистор 5 Ом. Таким образом, с учетом коэффициента преобразования 5 000, амплитуда выходного сигнала ДТК‑500 составила Vout = 1 В на Iin = 1 000 А.
На рис. 4а амплитуда входного тока (нижняя осциллограмма) Iin ≈ 1 700 А, а время нарастания выходного тока Iout ≈ 300 мкс (увеличение времени нарастания вызвано влиянием индуктивности первичной цепи). Амплитуда выходного напряжения ДТК‑500 Vout (верхняя осциллограмма) составила 1,6–1,7 В, что соответствует измеренному току Iin, равному 1600–1700A. При этом искажение формы выходного нарастающего сигнала на периоде нарастания входного тока визуально не наблюдалось.
На рис. 4б (амплитуда тока такая же, как на рис. 4а) можно наблюдать затягивание спада выходного сигнала (верхняя осциллограмма) после выключения входного тока (нижняя осциллограмма). Время спада выходного сигнала по уровню 0,5 составило порядка 1,5 мс.
Аналогичные результаты можно увидеть на осциллограммах рис. 4в (нарастание входного тока) и рис. 4г (выключение входного тока) при амплитуде входного тока до Iin ≈ 2 000 A. Ограничения и искажения формы нарастания выходного сигнала не наблюдаются при входных токах до 2 000 А. Таким образом датчик тока ДТК‑500 в данном конструктиве можно использовать для работы в диапазоне токов до 2000 А.
Исследование динамических характеристик ДТК‑500 также проводилось в режиме малого сигнала (рис. 5). Ток Iin подавался на токовую обмотку, состоящую из одного витка. Следовательно, амплитуда выходного сигнала токового трансформатора составила 1 В на Iin = 10 А. Амплитуда выходного сигнала ДТК‑500 по-прежнему составляла 1 В на 1 000 А.
На рис. 5 амплитуда входного тока (нижняя осциллограмма) Iin ≈ 140 А, а время нарастания входного тока – порядка 40 мкс. Амплитуда выходного напряжения ДТК‑500 (верхняя осциллограмма) Vout составила 0,13 В, что соответствует измеренному току (140 А). При этом искажение формы выходного сигнала на периоде нарастания входного тока визуально не наблюдалось. Также на рис. 5 можно заметить затягивание спада выходного сигнала после выключения входного тока. Время спада выходного сигнала по уровню 0,5 составило порядка 20 мкс, что существенно меньше времени спада при максимальном входном токе (1,5 мс).
Дополнительно были проведены сравнительные измерения динамических характеристик измерительных преобразователей ДПС‑100 и датчиков тока LA 100-P от компании LEM при максимальных рабочих токах (рис. 6). На вход датчиков прикладывался импульсный ток Iin ≈ 150 А на один виток. Паспортное значение максимального (RMS) тока датчиков составляет 100 А, что соответствует максимальному пиковому току Iin ≈ 150 А. На выходе датчиков наблюдалось нарастание тока до уровня Iout ≈ 150 А с небольшим запаздыванием порядка 10 мкс и спадом по уровню 0,5 за время 20 мкс (см. рис. 6). Переходные характеристики датчиков ДПС‑100 и LA 100 практически не различались, поэтому можно сделать заключение о применимости преобразователей ДПС в частотном диапазоне до 10–15 кГц.
Характеристики измерительных преобразователей разработки «НТЦ АКТОР» аналогичны датчикам компании LEM, а по некоторым характеристикам их превосходят. Датчики обладают малой погрешностью преобразования (погрешность преобразования номинального синусоидального входного тока частотой 50 Гц не превышает 0,3%), хорошей линейностью, малым температурным дрейфом (в диапазоне 25…85 °C не более 0,25 мА), широкой полосой пропускания, отсутствием вносимых потерь в первичную цепь, высокой устойчивостью к внешним помехам и возможностью работать со значительной перегрузкой по току в первичной (силовой) цепи. Указанные достоинства измерительного преобразователя достигаются за счет применения схемы обработки компенсационного типа с замкнутым контуром управления. Выходной сигнал такого прибора представляет собой ток, пропорциональный первичному, измеряемому току. В качестве элемента сравнения в контуре управления используется датчик на основе эффекта Холла. В настоящее время «НТЦ АКТОР» расширяет линейку измерительных преобразователей. Проводятся работы по расширению рабочего диапазона датчиков, создаются преобразователи с переключаемыми диапазонами и минимальной остаточной намагниченностью. ●
В. Масалов, к. ф-м. н .
ООО «НТЦ АКТОР» специализируется на разработке и производстве источников электропитания переменного и постоянного тока, регистраторов электрических величин, а также испытательного оборудования, воспроизводящего виды и значения параметров качества электроэнергии различных систем электроснабжения. В связи с перебоями поставок датчиков тока компании LEM группе разработчиков предприятия была поставлена задача спроектировать измерительные преобразователи для их замены. Изолированные измерительные преобразователи тока широко применяются в различных отраслях промышленности, в частности в электроприводах, источниках бесперебойного питания, накопителях электрической энергии, системах контроля АКБ и др. В статье рассмотрены ключевые особенности гальванически изолированных измерительных преобразователей тока серии ДТК, разработанных «НТЦ АКТОР».
В качестве аналогов были выбраны датчики компании LEM, рассчитанные на токи 100 и 500 А, как самые применяемые в продукции, выпускаемой «НТЦ АКТОР». Разработанные устройства полностью аналогичны датчикам LEM, а по некоторым параметрам превосходят их. Они позволяют проводить измерения тока как на проводе, так и на силовой шине в широком диапазоне. Преобразователи могут использоваться для работы как с переменными, так и с постоянными токами в диапазоне от десятков ампер до нескольких тысяч ампер. В настоящее время компания успешно освоила производство преобразователей серии ДТК.
В измерительных преобразователях тока серии ДTK применяются датчики на основе эффекта Холла. Магнитное поле, создаваемое первичным током Iр, компенсируется таким же магнитным полем, создаваемым током во вторичной обмотке. Вторичный (компенсирующий) ток генерируется с помощью элемента Холла и электроники датчика. Этот ток является пропорциональной копией первичного тока. Магнитный поток во встроенном магнитопроводе близок к нулю, что позволяет получить линейность преобразования измеряемого тока в широком динамическом диапазоне. Компенсирующий вторичный ток прикладывается к внешнему нагрузочному резистору, что позволяет преобразовать измеряемый ток Iр в выходное напряжение. Изменяя величину нагрузочного резистора можно подобрать коэффициент преобразования, необходимый для применения преобразователей ДТК в конкретном устройстве.
Основные характеристики датчиков тока серии ДТК представлены в табл. 1, а внешний вид, габаритные размеры и схемы преобразователей – на рис. 1 и 2.
Дополнительно были исследованы рабочие характеристики преобразователей ДТК‑500-1А в режиме измерения постоянного тока и в динамическом режиме.
Данные измерений статических передаточных характеристик в рабочем диапазоне 0–1 000 А преобразователя ДТК‑500 приведены на рис. 3. Нелинейность преобразования в рабочем диапазоне 50–1 000 А не превышает 1% и увеличивается до 2% при снижении минимального рабочего тока до 2 А.
Также были проведены измерения динамических характеристик ДТК‑500 в режиме большого сигнала (рис. 4). Входной ток Iin подавался на токовую обмотку, состоящую из 100 витков. Индуктивность обмотки составляла 0,65 мГн.
Измерение тока в первичной цепи проводилось с использованием токового трансформатора DS1100L. Вторичная цепь токового трансформатора нагружалась на резистор 100 Ом. Таким образом, с учетом коэффициента трансформации, равного 1 000, и 100 витков токовой обмотки, выходной сигнал токового трансформатора составил 1 В на Iin = 1 000 А (ток, приведенный ко входу ДТК‑500). Токовый выход ДТК‑100 был нагружен на резистор 5 Ом. Таким образом, с учетом коэффициента преобразования 5 000, амплитуда выходного сигнала ДТК‑500 составила Vout = 1 В на Iin = 1 000 А.
На рис. 4а амплитуда входного тока (нижняя осциллограмма) Iin ≈ 1 700 А, а время нарастания выходного тока Iout ≈ 300 мкс (увеличение времени нарастания вызвано влиянием индуктивности первичной цепи). Амплитуда выходного напряжения ДТК‑500 Vout (верхняя осциллограмма) составила 1,6–1,7 В, что соответствует измеренному току Iin, равному 1600–1700A. При этом искажение формы выходного нарастающего сигнала на периоде нарастания входного тока визуально не наблюдалось.
На рис. 4б (амплитуда тока такая же, как на рис. 4а) можно наблюдать затягивание спада выходного сигнала (верхняя осциллограмма) после выключения входного тока (нижняя осциллограмма). Время спада выходного сигнала по уровню 0,5 составило порядка 1,5 мс.
Аналогичные результаты можно увидеть на осциллограммах рис. 4в (нарастание входного тока) и рис. 4г (выключение входного тока) при амплитуде входного тока до Iin ≈ 2 000 A. Ограничения и искажения формы нарастания выходного сигнала не наблюдаются при входных токах до 2 000 А. Таким образом датчик тока ДТК‑500 в данном конструктиве можно использовать для работы в диапазоне токов до 2000 А.
Исследование динамических характеристик ДТК‑500 также проводилось в режиме малого сигнала (рис. 5). Ток Iin подавался на токовую обмотку, состоящую из одного витка. Следовательно, амплитуда выходного сигнала токового трансформатора составила 1 В на Iin = 10 А. Амплитуда выходного сигнала ДТК‑500 по-прежнему составляла 1 В на 1 000 А.
На рис. 5 амплитуда входного тока (нижняя осциллограмма) Iin ≈ 140 А, а время нарастания входного тока – порядка 40 мкс. Амплитуда выходного напряжения ДТК‑500 (верхняя осциллограмма) Vout составила 0,13 В, что соответствует измеренному току (140 А). При этом искажение формы выходного сигнала на периоде нарастания входного тока визуально не наблюдалось. Также на рис. 5 можно заметить затягивание спада выходного сигнала после выключения входного тока. Время спада выходного сигнала по уровню 0,5 составило порядка 20 мкс, что существенно меньше времени спада при максимальном входном токе (1,5 мс).
Дополнительно были проведены сравнительные измерения динамических характеристик измерительных преобразователей ДПС‑100 и датчиков тока LA 100-P от компании LEM при максимальных рабочих токах (рис. 6). На вход датчиков прикладывался импульсный ток Iin ≈ 150 А на один виток. Паспортное значение максимального (RMS) тока датчиков составляет 100 А, что соответствует максимальному пиковому току Iin ≈ 150 А. На выходе датчиков наблюдалось нарастание тока до уровня Iout ≈ 150 А с небольшим запаздыванием порядка 10 мкс и спадом по уровню 0,5 за время 20 мкс (см. рис. 6). Переходные характеристики датчиков ДПС‑100 и LA 100 практически не различались, поэтому можно сделать заключение о применимости преобразователей ДПС в частотном диапазоне до 10–15 кГц.
Характеристики измерительных преобразователей разработки «НТЦ АКТОР» аналогичны датчикам компании LEM, а по некоторым характеристикам их превосходят. Датчики обладают малой погрешностью преобразования (погрешность преобразования номинального синусоидального входного тока частотой 50 Гц не превышает 0,3%), хорошей линейностью, малым температурным дрейфом (в диапазоне 25…85 °C не более 0,25 мА), широкой полосой пропускания, отсутствием вносимых потерь в первичную цепь, высокой устойчивостью к внешним помехам и возможностью работать со значительной перегрузкой по току в первичной (силовой) цепи. Указанные достоинства измерительного преобразователя достигаются за счет применения схемы обработки компенсационного типа с замкнутым контуром управления. Выходной сигнал такого прибора представляет собой ток, пропорциональный первичному, измеряемому току. В качестве элемента сравнения в контуре управления используется датчик на основе эффекта Холла. В настоящее время «НТЦ АКТОР» расширяет линейку измерительных преобразователей. Проводятся работы по расширению рабочего диапазона датчиков, создаются преобразователи с переключаемыми диапазонами и минимальной остаточной намагниченностью. ●
Отзывы читателей
