Устройство измерения электрической мощности

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Ярмолович Вячеслав Алексеевич Драпезо Александр Петрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство измерения электрической мощности, содержащее два магнитопровода,первый из которых охватывает токопроводящую шину, подключенную к нагрузке, а второй содержит многовитковую обмотку, подключенную через резистор параллельно нагрузке, два датчика Холла, каждый из которых размещен в соответствующем магнитопроводе, выполненную с использованием датчика Холла электрическую схему перемножения сигналов, пропорциональных току нагрузки и электрической разности потенциалов на нагрузке, масштабирующий усилитель выходного сигнала и блок питания, Фиг. 1 28262006.06.30 гальванически развязанный с цепью нагрузки, компенсационную обмотку, отличающееся тем, что каждый магнитопровод выполнен замкнутым, с внутренним П-образным надрезом так, чтобы толщина стенки магнитопровода в месте надреза составляла 0,1-0,2 от толщины магнитопровода, причем первый магнитопровод содержит многовитковую компенсационную обмотку, подключенную к генератору компенсационного тока, а выход масштабирующего усилителя соединен с генератором выходного тока.(56) 1. Безикович А.Я., Шапиро Е.З. Измерение электрической мощности в звуковом диапазоне частот. - Л. Энергия, Ленинградское отделение, 1980. - С. 168. 2. Вайсе Г. Физика гальваномагнитных полупроводниковых приборов и их применение / Перевод с немецкого. - . Энергия, 1974. - С. 384. 3. Патент Японии 2004108882 (прототип),-, МКИ 01 21/08,01 15/20,2004-04-08, сайт в интернете // Устройство относится к измерительной технике, а именно к измерению электрической мощности, и может использоваться для контроля силовых цепей электротранспорта, например, в тиристорно-импульсной системе электропривода троллейбуса. Известно устройство для измерения электрической мощности на эффекте Холла 1.нем ток, протекающий через датчик Холла, пропорционален падению напряжения на нагрузке и ограничивается добавочным резистором, включенным последовательно с датчиком Холла. Обмотка подключена последовательно с нагрузкой. Величина индукции магнитного поля в обмотке пропорциональна току нагрузки. Следовательно в датчике Холла, размещенном в магнитном поле обмотки, генерируется ЭДС, пропорциональная произведению тока нагрузки и разности потенциалов на нагрузке, т.е. измеряемой мощности. Недостатком такого устройства является отсутствие гальванической развязки с цепью нагрузки. При больших колебаниях мощности на нагрузке это устройство не работоспособно из-за сгорания датчика Холла, вызванного двумя причинами импульсами напряжения, скорость нарастания которого в рабочем состоянии нагрузки до 70 В/мкс, и генерированием дополнительной ЭДС в датчике Холла из-за резкого изменения индукции в обмотке от времени. Известно устройство 2, в основу функционирования которого также положен эффект Холла. В нем величина индукции магнитного поля в обмотке пропорциональна разности потенциалов на нагрузке. А ток, протекающий через датчик Холла, является частью тока нагрузки. Датчик Холла, также как и в 1, является перемножающим элементом и генерирует ЭДС, которая пропорциональна произведению тока нагрузки и разности потенциалов на нагрузке, т.е. измеряемой мощности. Недостатком такого устройства является также отсутствие гальванической развязки с цепью нагрузки. При больших колебаниях мощности на нагрузке это устройство не работоспособно из-за сгорания датчика Холла, вызванного импульсами проходящего тока. Ударный (аварийный) ток в цепи нагрузки тиристорноимпульсной системе электропривода троллейбуса может достигать 6000 Ампер, следовательно превышение тока через указанный датчик Холла может десятикратно превышать его номинальный ток. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство 3(прототип). В нем осуществлена гальваническая развязка с цепью нагрузки. Устройство содержит два магнитопровода, первый из которых охватывает токопроводящую шину,подключенную к нагрузке, а второй содержит многовитковую обмотку, подключенную через резистор параллельно нагрузке, и компенсационную обмотку, два датчика Холла,2 28262006.06.30 каждый из которых размещен в соответствующем магнитопроводе, выполненную с использованием датчика Холла электрическую схему перемножения сигналов, пропорциональных току нагрузки и электрической разности потенциалов на нагрузке,масштабирующий усилитель выходного сигнала и блок питания, гальванически развязанный с цепью нагрузки. Данное устройство работоспособно при больших колебаниях мощности и может использоваться, например, в тиристорно-импульсной системе электропривода троллейбуса. Недостатком указанного устройства 3 является низкая точность измерения мощности, особенно при больших ее значениях. Это обусловлено тем, что при больших величинах тока, превышающих 200-300 Ампер, протекающих через нагрузку,магнитопровод, охватывающий токовую шину, входит в насыщение, следовательно зависимость ЭДС датчика Холла, размещенного в нем, от тока нагрузки становится нелинейной. Кроме того, отсутствие компенсационной обмотки на этом магнитопроводе приводит к гистерезису, что дополнительно снижает точность измерения мощности. В предложенной нами полезной модели на магнитопровод, охватывающий токовую шину, намотана компенсационная обмотка, подключенная к генератору тока, которая создает магнитный поток противоположного направления, а датчик Холла функционирует в режиме нуль-органа. Таким образом, магнитная индукция в магнитопроводе поддерживается равной нулю, следовательно исключаются нелинейность по измеряемому току и гистерезис. Кроме того, магнитопровод выполнен замкнутым, с глубоким узким внутренним П-образным надрезом, что значительно снижает влияние внешних электромагнитных помех, обусловленных близкорасположенными токонесущими проводниками и намагниченными ферромагнетиками. Тем самым дополнительно улучшается точность измерений. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности измерений электрической мощности, произвольно зависящей от времени, за счет исключения гистерезисных эффектов магнитопровода и нелинейности преобразования величины тока нагрузки в полезный сигнал. Решение указанной задачи достигается тем, что в известном устройстве, содержащем два магнитопровода, первый из которых охватывает токопроводящую шину, подключенную к нагрузке, а второй содержит многовитковую обмотку, подключенную через резистор параллельно нагрузке, два датчика Холла, каждый из которых размещен в соответствующем магнитопроводе, выполненную с использованием датчика Холла электрическую схему перемножения сигналов, пропорциональных току нагрузки и электрической разности потенциалов на нагрузке, масштабирующий усилитель выходного сигнала и блок питания, гальванически развязанный с цепью нагрузки, компенсационную обмотку, имеются отличающиеся элементы, а именно каждый магнитопровод выполнен замкнутым, с глубоким узким внутренним П-образным надрезом, так чтобы толщина стенки магнитопровода в месте надреза составляла 0,1-0,2 от толщины магнитопровода, причем первый магнитопровод содержит многовитковую компенсационную обмотку, подключенную к генератору компенсационного тока, а выход масштабирующего усилителя соединен с генератором выходного тока. Оптимальное соотношение между толщиной стенки магнитопровода в месте надреза и толщиной магнитопровода было рассчитано с учетом размеров магнитопровода из феррита с магнитной проницаемостью не менее 1000, позволяющего охватывать токовую шину и содержащего многовитковую компенсационную обмотку с числом витков не менее 2000, минимально возможного размера по высоте датчика Холла и в соответствии с патентом РБ 5116 Датчик тока на эффекте Холла. При этом выполнение надреза с внутренней стороны магнитопровода не только увеличивает чувствительность датчика Холла к протекающему току, но и обеспечивает снижение влияния внешних электромагнитных помех, обусловленных близкорасположенными токонесущими проводниками и намагниченными ферромагнетиками. 28262006.06.30 Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемой полезной модели, показал, что заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Сущность заявляемого технического решения поясняется на фиг. 1 - фиг. 3. На фиг. 1 представлена общая структурная схема функционирования устройства на фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема на фиг. 3 - зависимость измеряемой мощности при различных токах и напряжениях на нагрузке (разности потенциалов). Устройство содержит два замкнутых магнитопровода 1 и 2 (фиг. 1), первый из которых 1 имеет многовитковую компенсационную обмотку 1 и охватывает токопроводящую шину, подключенную к нагрузке н, а другой 2 содержит многовитковую обмотку 2,подключенную через резисторы 1-4 и 5-8 параллельно нагрузке два датчика Холла ПХ 1 и П 2 размещены в глубоких узких внутренних П-образных надрезах магнитопроводов 1 и 2 соответственно, максимально близко к их стенкам. Магнитопроводы целесообразно выполнять из магнитомягкого феррита с большой величиной магнитной проницаемости, например марки 1000 , в форме колец или тороидов, а число витков каждой из обмоток должно находиться в пределах от 2000 до 3000. Толщина стенки магнитопровода в месте надреза должна составлять 0,1-0,2 от толщины магнитопровода. Устройство также содержит блок питания 3, генератор компенсационного тока 4, на вход которого поступает разность потенциалов, сформированная при помощи датчика Холла П 1, к выходу 4 одним концом подключена компенсационная обмотка 1, а второй конец 1 функционально связан с токовыми электродами датчика Холла ПХ 2. Генератор компенсационного тока 4 является источником питания для второго датчика Холла П 2, который (датчик) выполняет функцию перемножения сигналов, пропорциональных току нагрузки и электрической разности потенциалов нагрузки. ЭДС датчика ПХ 2 поступает на вход масштабирующего усилителя 5, выход которого соединен с генератором выходного тока 6. На блок питания 3 от бортовой сети может подаваться нестабилизированное питание плюс 24 В, на выходе которого оно становится стабилизированным 18. В блоке 3 диод 1 (фиг. 2) служит защитой от несанкционированного изменения полярности, а варистор 1 для защиты от выбросов ЭДС помехи по цепи питания. 5 - стабилизатор напряжения, а конденсаторы С 1-С 3 служат для фильтрации пульсаций стабилизированного напряжения. Блок 4 - генератор компенсационного тока содержит дифференциальные усилители 1, 2 и усилители мощности на транзисторах 1-2 и 3-4 соответственно. Масштабирующий усилитель 5 выполнен неинвертирующим на микросхеме 3,выход которой через резистор 23 подключен к блоку 6. Все микросхемы 1, 2,3, 4 - марки ОР 7. Блок 6 - генератор выходного тока выполнен на транзисторе 5,операционном усилителе 4 и предназначен для формирования выходного электрического напряжения вых в диапазоне (0-4)В на резисторе 26200 Ом. Устройство работает следующим образом. Через токовые электроды датчика Холла П 1 проходит ток, равный 1 пит/(910 П 1),где пит 18 В, П 1 - входное электросопротивление датчика Холла П 1. ЭДС Холла датчика П 1 через сопротивления 11 и 12 поступает на входы дифференциального усилителя 2. Выходной сигнал 2 усиливается по мощности транзисторами 3-4 и подается на один из концов обмотки 1. Другой конец обмотки 1 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 1 и через резистор 21 к выходу усилителя мощности на транзисторах 1-2, предназначенного для усиления по мощности выходного сигнала операционного усилителя 1. На второй, неинвертирующий, вход усилителя 1 подается опорный сигнал со стабилизатора напряжения, выполненного на 4 28262006.06.30 микросхеме 6. Это же опорное напряжение через резистор 15 подается на неинвертирующий вход операционного усилителя 2. Выходное напряжение усилителя мощности на транзисторах 1-2 поступает через резистор 14 на токовые электроды датчика Холла ПХ 2 и определяет ток, протекающий через переменный резистор 13, П 2 и 14. Таким образом ток нагрузки н (измеряемый ток) создает в магнитопроводе 1, а следовательно и в месте расположения датчика Холла П 1 магнитный поток Ф, прямопропорциональный величине проходящего тока н через нагрузку н. Магнитная индукция вызывает в датчике П 1 ЭДС Е 1, пропорциональную магнитному потоку. 1 усиливается усилителем 2 и 3-4, создавая в обмотке 1, ток 1, равный н/ (где- число витков обмотки 1), создающий в магнитопроводе 1 магнитный поток Ф 1, той же величины, но противоположного направления. Следовательно, суммарный магнитный поток поддерживается равным нулю. Датчик Холла П 1 функционирует в режиме нуль-органа. Ток в обмотке 1 создает на резисторе 21 разность потенциалов, которая приложена к цепи последовательно включенных резисторов 13, 14 и П 2, где П 2 - входное электросопротивление датчика Холла П 2. Таким образом ток через датчик Холла ПХ 2 пропорционален току нагрузки н. ЭДС датчика П 2 формируется пропорционально произведению тока нагрузки н и магнитного потока в обмотке 2. Магнитный поток в магнитопроводе 2 определяется током, проходящим в 2. Ток через 2 равен 2 2 изм/(123456782),где 2 - электросопротивление катушки 2. Значит индукция магнитного поля в месте расположения датчика Холла П 2 пропорциональна разности потенциалов изм, приложенной к нагрузке н. Следовательно ЭДС датчика Холла ПХ 2 пропорциональна произведению тока нагрузки и электрическому напряжению на нагрузке, т.е. мощности. Следовательно на датчике Холла П 2 собрана схема перемножения величин сигналов,пропорциональных току нагрузки и электрической разности потенциалов нагрузки. ЭДС датчика Холла П 2, пропорциональная измеряемой мощности, усиливается масштабирующим усилителем 3 (блоком 5). Сигнал с 3 преобразуется в выходной ток (0-20) мА генератором тока 6 на операционном усилителе 4 и транзисторе 5. Выходное напряжение вых, пропорциональное мощности, выделяемой на нагрузке, снимается с резистора 26. На фиг. 3 представлена зависимость измеряемой мощности при различных токах и разности потенциалов на нагрузке. В диапазоне резких изменений мощности (0-450) кВт обеспечивается работоспособность устройства и высокая точность измерений, что предопределяет эффективность его использования для контроля силовых цепей электротранспорта, например, в тиристорно-импульсной системе электропривода троллейбуса. Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий средство, воплощающее заявленную полезную модель, при ее осуществлении, предназначено для использования в измерительной технике и устройствах автоматики для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в нижеизложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов средство, воплощающее заявленное, при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6