Датчик тока в силовой шине

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Датчик тока в силовой шине, содержащий корпус, установленную в корпусе датчика калибровочную токопроводящую шину, жестко соединенную с шиной силового тока, и закрепленный в корпусе датчика ферромагнитный сердечник, содержащий узкий воздушный зазор, в котором размещен преобразователь Холла, выход которого соединен с входом операционного усилителя, электрические источники питания преобразователя Холла и усилителя, отличающийся тем, что калибровочная токопроводящая шина охватывает 53902009.06.30 своими витками ферромагнитный сердечник, установленный соосно виткам, изготовленный из феррита в виде двух стержней с двумя заостренными концами, обращенными к преобразователю Холла, причем часть калибровочной токопроводящей шины, содержащей витки, размещена внутри многослойного электрически заземленного экрана, выполненного в виде полого закрытого цилиндра с закругленными краями и с чередующимися ферромагнитными и неферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью.(56) 1. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений Учеб. пособие для вузов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. - . 53-56. 2. Патент ЕР 1746426, МПК 01 15/20,01 15/14, 2007. 3. Патент 2057654, МПК 60 15/08,01 19/00, 1996 (прототип). 4. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 196. Полезная модель относится к электроизмерительному оборудованию электрического транспорта, в частности к датчикам силового тока. Датчик может использоваться для измерения силового (сотни - тысячи ампер) тока. Известны датчики тока 1, функционирующие на эффекте Холла. В таких датчиках один или несколько преобразователей Холла размещаются в зазоре или зазорах магнитопровода, охватывающего шину с протекающим по ней током. Магнитопровод обычно изготавливается из магнитомягкого феррита или электротехнической стали. Датчики такого исполнения, рассчитанные на малые токи (десятки ампер), обладают хорошей помехозащищенностью от внешних магнитных полей, которые создаются другими близко расположенными шинами с током, потому что имеют малые зазоры, а магнитопровод выполняет роль ферромагнитного интегрирующего контура. Для измерения больших токов, чтобы избежать насыщения магнитопровода, при котором датчик практически не работоспособен, приходится значительно увеличивать зазоры или отказываться от охватывающего интегрирующего ферромагнитного контура и использовать концентратор магнитного потока, который состоит из двух ферромагнитных стержней, вытянутых в линию 2. В узком зазоре между стержнями располагается хотя бы один преобразователь Холла. При таких изменениях конструкции датчики обладают низкой помехозащищенностью от внешних магнитных полей, т.е. реагируют на магнитные поля, создаваемые не только измеряемым током, но и близко расположенными проводниками с током, что в итоге ухудшает точность измерений. Задача повышения помехозащищенности датчиков силового тока особенно актуальна для электроизмерительного оборудования электрического транспорта, поскольку для электротранспорта характерна высокая плотность расположения жгутов, содержащих провода с током. Для измерения больших токов известен датчик тока в силовой шине 3 (прототип),который содержит установленную в корпусе датчика калибровочную токопроводящую шину, жестко соединенную с шиной силового тока, и закрепленный в корпусе датчика на строго заданном расстоянии от калибровочной токопроводящей шины ферромагнитный сердечник замкнутой формы с двумя воздушными зазорами, в которых размещены ферритовая прокладка и преобразователь Холла. Выход преобразователя Холла соединен через операционный усилитель и источник тока с обмоткой обратной связи, размещенной на сердечнике. Датчик функционирует в режиме магнитного компаратора. Основным недостатком этого датчика является слабая помехозащищенность от внешних электромагнитных полей, обусловленная отсутствием электромагнитных экранов и 2 53902009.06.30 значительной разнесенностью в пространстве источников магнитного поля и чувствительного органа. Задачей, решаемой в настоящей предложенной полезной модели, является повышение помехозащищенности датчика от внешних электромагнитных полей. Решение поставленной задачи достигается тем, что датчик тока содержит корпус, установленную в корпусе датчика калибровочную токопроводящую шину, жестко соединенную с шиной силового тока, и закрепленный в корпусе датчика ферромагнитный сердечник, содержащий узкий воздушный зазор, в котором размещен преобразователь Холла, выход которого соединен с входом операционного усилителя, электрические источники питания преобразователя Холла и усилителя, и отличается тем, что калибровочная токопроводящая шина охватывает своими витками ферромагнитный сердечник, установленный соосно виткам, изготовленный из феррита в виде двух стержней с двумя заостренными концами, обращенными к преобразователю Холла, причем часть калибровочной токопроводящей шины, содержащей витки, размещена внутри многослойного электрически заземленного экрана, выполненного в виде полого закрытого цилиндра с закругленными краями и с чередующимися ферромагнитными и неферромагнитными слоями,обладающими соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью. Анализ элементов датчика, приведенных в отличительной части, показывает, что некоторые из них могут встречаться по отдельности в различных аналогах технических решений. Однако в совокупности набор этих элементов не известен, поэтому является новым. Кроме того, совокупность этих элементов придает устройству новое качество функционирования и обеспечивает полное решение поставленной задачи. Поэтому заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Дополнительно следует отметить, что предлагаемый датчик тока имеет два способа подключения к силовой шине, по которой проходит измеряемый ток. При уровнях измеряемых токов до 1 кА целесообразным является включение в разрыв силовой шины, а при уровнях токов в десятки кА целесообразным является подключение калибровочной токопроводящей шины непосредственно своими клеммами к силовой шине без ее разрыва, аналогично, как в прототипе. На фиг. 1 представлен общий вид датчика тока в разрезе вдоль оси симметрии экрана(калибровочная токопроводящая шина изображена неразрезанной), на фиг. 2 - вариант подключения датчика тока в разрыв силовой шины, на фиг. 3 - вариант подключения датчика тока без разрыва силовой шины. Датчик тока в силовой шине содержит диэлектрический корпус 1, установленную в корпусе датчика калибровочную токопроводящую шину 2, жестко соединенную с шиной силового тока 3, и закрепленный в корпусе датчика ферромагнитный сердечник 4, содержащий узкий воздушный зазор, в котором размещен преобразователь Холла 5, фиксированный в воздушном зазоре сердечника компаундом 6. Выход преобразователя Холла 5 соединен с входом операционного усилителя (аналогично, как в прототипе, но операционный усилитель не изображен), электрические источники питания преобразователя Холла и усилителя (схемы подключения являются широко известными, поэтому не изображены). Калибровочная токопроводящая шина 2 охватывает своими витками (число витковцелесообразно выбирать из диапазона 3-10) ферромагнитный сердечник 4, установленный соосно виткам, изготовленный из магнитомягкого феррита, например, марки 2000 НМ в виде двух стержней с двумя заостренными концами, обращенными к преобразователю Холла, как показано на фиг. 1. Заостренные ферритовые стержни выполняют роль концентратора магнитного потока и устанавливаются под микроскопом строго в непосредственной близости к перекрестию (чувствительной области) преобразователя Холла, которая в современных пленочных преобразователях Холла выполняется миниатюрной с размерами, не превышающими 0,1 на 0,1 мм. Воздушный зазор сердечни 3 53902009.06.30 ка устанавливается минимальным и ограничен только толщиной преобразователя Холла. Многослойный экран, содержащий слои 7, 8, 9, 10 и др. (число слоев не менее четырех и ограничено только технологией нанесения), выполнен в виде полого закрытого цилиндра с закругленными краями, причем содержит чередующиеся ферромагнитный 7, 9 и неферромагнитный 8, 10 слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью, 7, 9 и высокой электрической проводимостью 8, 10. На фиг. 1 изображено только 4 слоя, хотя их число может быть значительно больше. Внутренний слой экрана 7 является каркасом экрана, поэтому его целесообразно изготавливать из магнитомягкого феррита,например, марки 2000 НМ или 3000 НМ, толщиной не менее 5 мм, исходя из требований жесткости оболочки. Следующий немагнитный слой 8 - слой с высокой электрической проводимостью, может быть выполнен из медной фольги. Остальные чередующиеся слои легко изготавливаются электролитическим осаждением, например, из пермаллоя состава 80 - 20(слой 9) и(слой 10) и т.д. толщиной не менее 0,1 мм. Выбор материалов чередующихся слоев магнитный - немагнитный может быть и другим, но он ограничивается требованием гальванической совместимости материалов и их адгезионной прочностью. Экран выполняется составным из двух составных частей с целью размещения внутри его калибровочной токопроводящей шины 2, ферромагнитного сердечника 4 с преобразователем Холла 5 и крепежной пластиной 11. Металлическое кольцо 12 обеспечивает механическое крепление частей экрана и электрический контакт между ними. Для уменьшения физической неоднородности соединения кольцо 12 крепится к наружному слою экрана однородной пайкой по всему контуру. Экран выполнен электрически заземленным и охватывает ту часть калибровочной токопроводящей шины, которая содержит витки, что представлено на фиг. 1. Изоляционные прокладки 13 служат для фиксации калибровочной токопроводящей шины с витками 2 в многослойном экране. Выводы калибровочной токопроводящей шины 2 жестко прикреплены к корпусу 1 и имеют клеммные крепежные приспособления 14 для жесткой фиксации 2 с силовой шиной 3, которая может осуществляться двумя вариантами, изображенными на фиг. 2 и фиг. 3. Датчик тока в силовой шине работает следующим образом. В случае подключения датчика тока в разрыв силовой шины (фиг. 2) измеряемый ток 0 проходит повиткам калибровочной токопроводящей шины 2, имеющей радиус 0, и наводит по оси симметрии в центре магнитное поле, индукция которого равна 0. Применяя расчетные формулы для обмотки соленоида конечной длины 0 и радиуса 0, индукция магнитного поля в центре соленоида на его оси будет 1/ 2 2(1) 000 / (4 02 ) ,0 где 0 - относительная магнитная проницаемость вакуума (воздуха). Ферритовые стержни сердечника 4 выполняют роль магнитного концентратора и усиливают магнитный поток в месте расположения преобразователя Холла в Ку раз. Коэффициент усиления Ку зависит от длины ферритовых стержней, их радиуса, формы закругления, магнитной проницаемости, величины зазора и может быть определен экспериментальным путем. При токах 0, не вводящих ферромагнитные стержни в насыщение, величина индукции магнитного поля,воздействующая на преобразователь Холла,описывается выражением 1/ 2 2(2)К 0 К 0 0 / (4 02 ) . 0 Магнитная чувствительностьпреобразователя Холла 5 - паспортная величина. На выходе преобразователь Холла генерирует ЭДС Холла , пропорциональную току в силовой шине, которая и подается на вход операционного усилителя 1/ 2 2(3)К 0 0 / (4 020 ) . Выходное напряжение операционного усилителя является линейной функцией измеряемого тока, по которому и определяется величина 0. 53902009.06.30 В случае подключения калибровочной токопроводящей шины непосредственно своими клеммами к силовой шине без ее разрыва (фиг. 3) измеряемый ток 0 разветвляется часть проходит по силовой шине, а часть - 0/ - по виткам калибровочной токопроводящей шины 2. При калибровке датчика определяется коэффициент ослабления тока , который уменьшает соответствующее значение наводимой ЭДС Холла . Таким образом,преобразователь Холла генерирует ЭДС Холла х, тоже пропорциональную величине измеряемого тока(4)/К 0 0 /4 020 . При этом физические принципы функционирования датчика тока остаются прежними, как описано выше. Выходное напряжение операционного усилителя является линейной функцией измеряемого тока, по которому и определяется величина 0. В отличие от прототипа и известных аналогов предлагаемая конструкция датчика тока обладает повышенной помехозащищенностью от внешних магнитных и электромагнитных полей. Рассмотрим причины, лежащие в основе решения поставленной задачи. В соответствии с известными рекомендациями по проектированию экранирующих оболочек и конструкций 4 их необходимо заземлять, что и предусмотрено в предложенной полезной модели, особенно в устройствах с транспортными энергоустановками, так как в противном случае сама оболочка может явиться источником помехонесущего электромагнитного поля нежелательного частотного диапазона (при невозможности заземления осуществляется электрическое соединение с корпусом транспортного средства). Кроме того, высокая помехозащищенность датчика обеспечивается применением многослойного экрана. Известно 4, что при экранировании магнитной напряженности низкочастотных электромагнитных полей большой интенсивности применяются многослойные экраны как с целью повышения эффективности экранирования, так и с целью более рационального их конструирования (уменьшения массы и габаритов экрана). Слои из ферромагнитного и немагнитного материалов выполнены чередующимися, поскольку чередование слоев с разными волновыми сопротивлениями приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному поглощению энергии поля в поперечном сечении стенок. В экране датчика используются немагнитные слои с высокой электрической проводимостью, что обеспечивает высокую эффективность экранирования электромагнитных полей с увеличением их частоты, когда возрастает роль вихревых токов и происходит вытеснение магнитных силовых линий к поверхностному слою, и экран превращается в электромагнитный. Следует отметить, что форма экрана сравнительно мало влияет на его экранирующие функции. Таким образом,применение в датчике тока многослойного экрана, содержащего чередующиеся ферромагнитный и неферромагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, обеспечивает решение поставленной задачи по значительному повышению его помехозащищенности от внешних источников в широком диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля. Следовательно, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий средство, воплощающее заявленную полезную модель, при ее осуществлении, относится к электроизмерительному оборудованию электрического транспорта, в частности к датчикам силового тока, и, например, может использоваться для измерения силового (сотни - тысячи ампер) тока для заявленного датчика 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, поэтому заявляемый датчик соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству 53902009.06.30 средство, воплощающее заявленное, в совокупности своих признаков обладает новизной и при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно повышения помехозащищенности от внешних электромагнитных полей. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6