Устройство прецизионного измерения электрической мощности

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ПРЕЦИЗИОННОГО 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) 1. Устройство прецизионного измерения электрической мощности, содержащее два магнитопровода, выполненных, например, из магнитомягкого феррита с высокой магнитной проницаемостью, первый из которых охватывает токопроводящую шину, подключенную к нагрузке, а второй содержит многовитковую обмотку, подключенную через высокоомный резистор параллельно нагрузке, и компенсационную обмотку, подключенную через резистор к выходу генератора компенсационного тока, два датчика Холла, каждый из которых размещен в соответствующем зазоре магнитопровода, масштабирующий усилитель выходного сигнала и блок питания, гальванически развязанный с цепью нагрузки, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит микропроцессор, Фиг. 1 29152006.08.30 второй генератор компенсационного тока и второй масштабирующий усилитель, а первый магнитопровод выполнен замкнутым в виде двух ферритовых колец с неравными внутренними радиусами, но одинаковой толщины, размещенных в одной плоскости, так чтобы расстояние между центрами колец было равно сумме внутренних радиусов колец и толщины магнитопровода, причем магнитопровод в месте стыка колец содержит узкий зазор вдоль линии, соединяющей центры колец, в котором размещен один из датчиков Холла,при этом на одно из колец первого магнитопровода намотана многовитковая компенсационная обмотка, подключенная через резистор к выходу второго генератора компенсационного тока, а токопроводящая шина включается в разрыв цепи нагрузки и неподвижно закреплена в магнитопроводе, выполнена петлеобразной и проходит два раза через первый магнитопровод по одному разу через каждое из ферритовых колец первого магнитопровода таким образом, что токи в участках шины, проходящей через ферритовые кольца первого магнитопровода, имеют одинаковое направление. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отношение внутреннего радиуса меньшего ферритового кольца к большему первого магнитопровода находится в диапазоне от 0,9 до 0,95.(56) 1. Безикович А.Я., Шапиро Е.З. Измерение электрической мощности в звуковом диапазоне частот. - Л. Энергия, Ленинградское отделение, 1980. - С. 168. 2. Вайсс Г. Физика гальваномагнитных полупроводниковых приборов и их применение / Пер. с немецкого. - М. Энергия, 1974. - С. 384. 3. Патент Японии 2004108882, МПК 01 21/08,01 15/20 (прототип). Устройство относится к измерительной технике, а именно к измерению электрической мощности, и может использоваться для контроля силовых цепей электротранспорта, преимущественно в тиристорно-импульсной системе электропривода троллейбуса. Известно устройство для измерения электрической мощности на эффекте Холла 1. В 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 (в тиристорно-импульсной системе электропривода троллейбуса) 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 так же, как и в 1, является перемножающим элементом и генерирует ЭДС, которая пропорциональная 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,2 29152006.08.30 вызванного импульсами проходящего тока. Ударный (аварийный) ток в цепи нагрузки тиристорно-импульсной системы электропривода троллейбуса может достигать 6000 А, 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,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 А, протекающих через нагрузку, магнитопровод, охватывающий токовую шину, входит в насыщение, следовательно, зависимость ЭДС датчика Холла, размещенного в нем, от тока нагрузки становиться нелинейной. Кроме того, отсутствие компенсационной обмотки на этом магнитопроводе приводит к гистерезису, что дополнительно снижает точность измерения мощности. В предложенной нами полезной модели магнитопровод, охватывающий токовую шину,выполнен замкнутым в виде двух ферритовых колец с неравными внутренними радиусами,но одинаковой толщины, размещенных в одной плоскости, так чтобы расстояние между центрами колец было равно сумме внутренних радиусов колец и толщины магнитопровода. Магнитопровод в месте стыка колец содержит узкий зазор вдоль линии, соединяяющей центры колец, в котором размещен один из двух датчиков Холла. Токопроводящая шина включается в разрыв цепи нагрузки и неподвижно закреплена в магнитопроводе, выполнена петлеобразной и проходит два раза через первый магнитопровод по одному разу через каждое из ферритовых колец этого магнитопровода таким образом, что токи в участках шины, проходящей через ферритовые кольца магнитопровода, имеют одинаковое направление. Магнитные потоки в ферритовых кольцах, создаваемые проходящим через петлю током в месте расположения датчика Холла вычитаются, и тем самым обеспечивается значительное его снижение (обеспечивается режим грубой компенсации магнитной индукции). Если бы кольца имели равные радиусы, то происходила бы полная автокомпенсация магнитного потока, вследствие симметрии магнитопровода, и ЭДС датчика Холла была бы тождественно равна нулю при любом токе, поэтому невозможно было бы судить о величине проходящего тока. При неравных радиусах ферритовых колец разностный магнитный поток или индукция в месте расположения датчика Холла пропорциональна току нагрузки(измеряемому току). На одно из ферритовых колец намотана компенсационная обмотка, подключенная к генератору тока, которая создает дополнительный магнитный поток, противоположного направления разностному потоку, а датчик Холла функционирует в режиме нуль-органа. Таким образом, величина тока, проходящего через компенсационную обмотку, прямо пропорциональна току нагрузки . При этом магнитная индукция в магнитопроводе поддерживается равной нулю, следовательно, исключаются нелинейность по измеряемому току и гистерезис. Положительным фактом является то, что требуется пропускать ток через компенсационную обмотку значительно меньшей величины, поскольку компенсируется только разностный магнитный поток. Следовательно, осуществляется возможность компенсации 3 29152006.08.30 магнитного потока в случае сверхбольших его величин (ударный или аварийный ток, например, при резком торможении троллейбуса) и устройство обеспечивает расширение пределов измерения тока нагрузки и, следовательно, мощности. Таким образом, при любых перепадах мощности в нагрузке осуществляется точное ее измерение (повышение точности измерений), вследствие исключения нелинейности по измеряемому току и гистерезиса. Дополнительным фактором, способствующим повышению точности измерений электрической мощности, произвольно зависящей от времени, является использование микропроцессора, который обеспечивает более точное перемножение сигналов, пропорциональных току нагрузки и разности потенциалов на нагрузке. В прототипе 3 эту функцию исполняет один из датчиков Холла, что вносит дополнительную погрешность в точность измерений. Следует дополнительно заметить, что компенсационный принцип построения датчиков мощности с использованием эффекта Холла позволяет разрабатывать высокоточные устройства для работы в тиристорно-импульсной системе электропривода троллейбуса,однако при больших токах потребления, например в аварийном режиме, скомпенсировать большие амплитуды тока с помощью компенсационной обмотки представляется затруднительным. Необходим мощный генератор тока для компенсационной обмотки, и, как следствие, в датчике рассеивается значительная мощность. Поэтому было предложено устройство, в котором грубая компенсация магнитного потока в магнитопроводе, вызванного током нагрузки, осуществляется за счет конструкции магнитопровода и специальной компенсационной токонесущей шины, подключаемой в разрыв токовой шины нагрузки. При этом тонкая компенсация осуществляется компенсационной обмоткой. Для этого достаточно компенсировать 1/10 часть магнитного потока, что значительно снижает рассеиваемую внутри датчика мощность и расширяет область фиксации тока, а значит, и точность. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности измерений электрической мощности, в том числе при больших ее перепадах и в условиях экстремально больших величин токов, 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, выполненных, например, из магнитомягкого феррита с высокой магнитной проницаемостью, первый из которых охватывает токопроводящую шину, подключенную к нагрузке, а второй содержит многовитковую обмотку, подключенную через высокоомный резистор параллельно нагрузке, и компенсационную обмотку, подключенную через резистор к выходу генератора компенсационного тока, два датчика Холла, каждый из которых размещен в соответствующем зазоре магнитопровода, масштабирующий усилитель выходного сигнала и блок питания, гальванически развязанный с цепью нагрузки, введены отличающиеся элементы, а именно, устройство дополнительно содержит микропроцессор, второй генератор компенсационного тока и второй масштабирующий усилитель, а первый магнитопровод выполнен замкнутым в виде двух ферритовых колец с неравными внутренними радиусами, но одинаковой толщины, размещенных в одной плоскости, так чтобы расстояние между центрами колец было равно сумме внутренних радиусов колец и толщины магнитопровода, причем магнитопровод в месте стыка колец содержит узкий зазор вдоль линии, соединяющей центры колец, в котором размещен один из датчиков Холла, при этом на одно из колец первого магнитопровода намотана компенсационная обмотка, подключенная через резистор к выходу второго генератора компенсационного тока, а токопроводящая шина включается в разрыв цепи нагрузки и неподвижно закреплена в магнитопроводе, выполнена петлеобразной и проходит два раза через первый магнитопровод по одному разу через каждое из ферритовых колец первого магнитопровода таким образом, что токи в участках шины, проходящей через ферритовые кольца первого магнитопровода, имеют одинаковое направление. 4 29152006.08.30 Устройство отличается тем, что отношение внутреннего радиуса меньшего ферритового кольца к большему первого магнитопровода находится в диапазоне от 0,9 до 0,95. 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 - 3. На фиг. 1 представлена общая структурная схема функционирования устройства на фиг. 2 - расположение элементов в первом магнитопроводе на фиг. 3 - зависимость измеряемой мощности при различных токахи разности потенциаловна нагрузке (линии 1, 2, 3,4 соответствуютв 200 В, 400 В, 600 В, 800 В). Устройство содержит два магнитопровода 1 и 2 (фиг. 1), первый из которых 1 имеет компенсационную обмотку 3 и охватывает токопроводящую шину 4, подключенную к нагрузке 5, а другой магнитопровод 2 содержит многовитковую обмотку 6, подключенную через высокоомный резистор 7 параллельно нагрузке 5 два датчика Холла 8 и 9 размещены в зазорах магнитопроводов 1 и 2 соответственно, как представлено на фиг. 2. Магнитопровод 2 содержит компенсационную обмотку 10, подключенную к выходу генератора компенсационного тока 11 через резистор 12. При этом выходной сигнал с датчика Холла 9 через усилитель 11 подается на выход генератора компенсационного тока 11. Разность потенциалов на резисторе 12 поступает на вход масштабирующего усилителя 14, выход которого связан с микропроцессором (обычно -процессор), который на фиг. 1 не изображен. Блок питания, гальванически развязанный с цепью нагрузки, и его подключение к входам датчиков Холла 8, 9 и усилителям также не изображено, поскольку является стандартным и широко известным. Первый магнитопровод 1 выполнен замкнутым в виде двух ферритовых колец с неравными внутренними радиусами, но одинаковой толщины, размещенных в одной плоскости, так чтобы расстояние между центрами колец было равно сумме внутренних радиусов колец и толщины магнитопровода, причем магнитопровод в месте стыка колец содержит узкий зазор вдоль линии, соединяющей центры колец, в котором размещен один из датчиков Холла 8 (фиг. 2), при этом на одно из колец магнитопровода 1 намотана компенсационная обмотка 3, подключенная к выходу второго генератора компенсационного тока 15 через резистор 16. Токопроводящая шина 4 включается в разрыв цепи нагрузки н и неподвижно закреплена в магнитопроводе 1 (крепления не изображены), выполнена петлеобразной и проходит два раза через первый магнитопровод по одному разу через каждое из ферритовых колец магнитопровода 1 таким образом, что токи в участках шины, проходящей через ферритовые кольца магнитопровода, имеют одинаковое направление. Выходной сигнал с датчика Холла 8 через усилитель 17 подается на выход генератора компенсационного тока 15. Разность потенциалов на резисторе 16 поступает на вход масштабирующего усилителя 18, выход которого связан с микропроцессором. Устройство работает следующим образом. Разность потенциалов , приложенная к нагрузке , вызывает прохождение тока небольшой величины через высокоомное электросопротивление 7 и обмотку 6. В магнитопроводе 2 индуцируется магнитный поток, пропорциональный , и соответственно в датчике Холла 9 возникает ЭДС Холла, которая усиливается усилителем 13 и подается на вход генератора компенсационного тока 11. Генератор компенсационного тока 11 вырабатывает ток, проходящий через электросопротивление 12 и компенсационную обмотку 10,магнитопровода 2. Этот компенсационный ток наводит в магнитопроводе 2 магнитный поток противоположной полярности. Таким образом датчик Холла 9 функционирует в режиме нуль-органа, а схема поддерживает индукцию магнитного поля в месте расположения датчика 9 равной нулю. При этом разность потенциалов на электросопротивлении 12, вызванная протекающим компенсационным током, пропорциональна , она масштабирует 5 29152006.08.30 ся операционным усилителем 14 и подается на микропроцессор. Таким образом, на вход микропроцессора подается сигнал, прямо пропорциональный величине разности потенциаловна нагрузке. Для формирования на входе микропроцессора второго сигнала,пропорционального величине измеряемого тока, используется следующий принцип. Токопроводящая шина 4 включается в разрыв цепи нагрузки н, выполнена петлеобразной и проходит два раза через магнитопровод 1 по одному разу через каждое из ферритовых колец магнитопровода таким образом, что токи в участках шины, проходящей через ферритовые кольца магнитопровода, имеют одинаковое направление (фиг. 2). За счет того,что ферритовые кольца имеют разные радиусы, происходит частичная компенсация магнитных потоков в месте расположения датчика Холла 8. Если бы радиусы колец были одинаковые, то происходила бы их полная компенсация, но устройство было бы не работоспособно. Рассмотрим подробно эффект частичной компенсации магнитных потоков,вызванных прохождением измеряемого тока нагрузки . Проведем контуры с радиусами(1/2) и (2/2) соответственно в ферритовых кольцах с внутренними радиусами 1 и 2. Здесь- толщина колец. В соответствии с фиг. 2 средние величины индукций магнитного поля на уровне этих контуров обозначим 1 и В 2, а в узком воздушном зазоре, где располагается датчик Холла 8, - В 0. Легко видеть, что направления 1 и В 2 противоположны. Если пренебречь краевыми эффектами в воздушном зазоре, т.е. рассеянием индукции в зазоре, то В 2-1 В 0. Это можно сделать, поскольку длина воздушного зазорамного меньше радиусов ферритовых колец. Величины напряженностей магнитного поля, соответствующие индукциям 1, В 2, В 0 обозначим с теми же индексами 1, Н 2, Н 0. В соответствии с уравнением Максквелла циркуляция напряженности магнитного поля вдоль замкнутого контура равна сумме токов, охватываемых данным контуром. Для первого и второго контура эти уравнения с учетом направления обхода имеют следующий вид(1) 12 (1/2) -0,(2) Н 22 (2/2) - ) - Н 0. Для соответствующих значений индукции магнитного поля в зазоре В 0 и в ферритовых кольцах 1 и В 2 можно написать уравнения связи с учетом наличия ферромагнетика с относительной магнитной проницаемостьюв виде 10 1, В 20 2, В 0 0 Н 0,где 04 10-7 Гн/м. Тогда уравнения (1) и (2) преобразуются(5) Поскольку зазор под датчик Холла узкий, он на два порядка меньше длины контуров,т.е.2 (1/2) и 2 (2/2), то система уравнений принимает вид Таким образом,(9) 00,50 (1 - 2) / (1/2) (2/2) -(12). Чтобы эффективно компенсировать магнитные потоки, наводимые током нагрузки ,необходимо условие малого различия в радиусах 1 и 2 соответственно. Оценим слагаемые знаменателя выражения (9) для ферритовых колец марки 2000 НН (2000) с внутренними радиусами 232,5 мм и 129,2 мм при 8 мм и зазоре для датчика Холла 0,5 мм, т.е. при различиях в радиусах в 10 . Расчет показывает, что(12) 6 29152006.08.30 превышает выражение (1/2) (2/2) более чем в 18 раз, поэтому при целесообразно выбранных радиусах ферритовых колец и зазорах формулу (9) можно приближенно записать в виде(10) 00,50 (2 - 1) /(12). Из формулы (10) следует, что уровень индукции магнитного поля в месте расположения датчика Холла, наводимого током нагрузкипри использовании магнитомягких ферритов с высокой магнитной проницаемостью, определяется разностью их радиусов и,следовательно, может быть уменьшен на порядки, по сравнению с использованием одного ферритового кольца с этим же зазором. Если учесть, что технологическая точность поддержания геометрических размеров ферритовых изделий порядка 1 , то для значительного уменьшения В 0 (например в 20-10 раз) за счет разных радиусов магнитопровода 1 следует использовать ферритовые кольца, внутренние радиусы которых отличаются не более чем на (5-10) . Для реализации измерения тока нагрузкив датчике мощности используется следующее функционирование схемы. В датчике Холла 8 наводится ЭДС Холла, пропорциональная В 0 в соответствии с формулой (10), а значит, пропорциональная току нагрузки , которая усиливается усилителем 17 и подается на вход генератора компенсационного тока 15. Генератор компенсационного тока 15 вырабатывает ток, проходящий через электросопротивление 16 и компенсационную обмотку 3, магнитопровода 1. Этот компенсационный ток наводит в магнитопроводе 1 магнитный поток противоположной полярности, таким образом осуществляя тонкую компенсацию небольшим по величине током. При этом генератор компенсационного тока можно выполнять маломощным, т.к. основная компенсация магнитного потока была осуществлена за счет специфического выполнения конструкции магнитопровода 1 и токонесущей шины. Таким образом датчик Холла 8 функционирует в режиме нуль-органа, а схема поддерживает индукцию магнитного поля в месте расположения датчика 8 равной нулю. При этом разность потенциалов на электросопротивлении 16, вызванная протекающим компенсационным током, пропорциональна , она масштабируется операционным усилителем 18 и подается на микропроцессор. Таким образом, на вход микропроцессора подаются два сигнала с выхода усилителей 14 и 18, прямо пропорциональные величине разности потенциаловна нагрузке и величине тока нагрузкисоответственно. Следовательно, микропроцессор вырабатывает сигнал, соответствующий их произведению, т.е. мощности, потребляемой нагрузкой. На фиг. 3 представлена зависимость измеряемой мощности при различных токах и разности потенциалов на нагрузке. В диапазоне резких изменений мощности (0-1000) 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 ниже изложенной 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. 8