FI90142C - Enligt kompensationsprincip fungerande maetomvandlare foer stroem - Google Patents

Description

1 9 Π1 4 2

Kompensointiperiaatteella toimiva virran mittamuunnin Tämän hakemuksen kohteena on kompensointiperiaatteella toimiva virran mittamuunnin käsittäen 5 ensimmäisen ikkunallisen magneettisydämen, jolle on käämitty ensimmäinen käämitys mitattavaa virtaa varten ja toinen käämitys kompensointivirtaa varten, toisen ikkunallisen magneettisydämen, jota ensimmäinen käämitys ja toinen käämitys myös ympäröivät, 10 välineet kompensointivirran suuruuden asettelemi- seksi siten, että sen ensimmäiseen magneettisydämeen synnyttämä magneettivuo kompensoi mitattavan virran siihen synnyttämän magneettivuon, jolloin näihin kompensointivirran asetteluvälineisiin sisältyy ensimmäistä sydäntä mag-15 netointivirralla magnetoimaan sovitettu kolmas käämitys, neljännen käämityksen käämittynä ensimmäiselle mag-neettisydämelle, ja viidennen käämityksen käämittynä toiselle magneet-tisydämelle, neljännen ja viidennen käämityksen ollessa 20 kierrosluvuiltaan yhtäsuuret ja kytkettyinä keskenään sarjaan suljetuksi silmukaksi impedanssin välityksellä, joka on magnetointivirran taajuudella niin pieni, että viidennen käämityksen toiseen magneettisydämeen aiheuttama magneettivuo on ainakin lähes yhtä suuri mutta vastakkais-25 suuntainen kuin ensimmäisessä magneettisydämessä vaikuttava magneettivuo.

Tasa- ja vaihtovirran mittaamiseen tarkoitetuissa mittamuuntimissa käytetään usein kompensointiperiaatetta, missä ensiökäämityksessä kulkevan virran magneettisydämeen 30 aiheuttama vuo kompensoidaan toisiokäämitykseen syötetyllä virralla. Toisiovirran ohjaamiseksi on magneettipiiriin sijoitettu anturi tai muu ilmaisin, joka havainnoi sydämen vuon nollakohtaa. Sydämessä vallitsee nollavuo, kun toi-siokäämiin syötetty virta kompensoi ensiökäämin virran 35 aiheuttaman vuon. Korkeammilla taajuuksilla virtamuunnin 2 ') r» 1 / 2 voi toimia passiivisena virtamuuntajana, joten toisiokää-missä kulkeva virta on laajalla taajuusalueella suoraan verrannollinen mitattavaan ensiökäämissä kulkevaan virtaan .

5 Johdantokappaleessa kuvatun kaltainen virran mitta- muunnin tunnetaan esimerkiksi US-patenttijulkaisusta 4 482 862. Siinä ilmaisimena toimii suurella taajuudella magne-toitava ikkunallinen magneettisydän, jonka avulla nollavuo ilmaistaan tarkkailemalla sydämen magnetointivirran käyrä-10 muotoa. Suurtaajuisen magnetointivirran sydämeen synnyttämä magneettivuo pyrkii kuitenkin indusoimaan häiriöjännitteitä sekä mitattavalle virralle tarkoitettuun käämitykseen että kompensointivirralle tarkoitettuun käämitykseen. Näiden häiriöjännitteiden kompensoimiseksi mittamuuntimeen 15 on otettu toinen ikkunallinen magneettisydämen ja sekä tälle toiselle että myös ensimmäiselle magneettisydämelle on molemmille sovitettu kierrosluvuiltaan yhtäsuuret käämitykset, jotka on kytketty keskenään sarjaan suljetuksi silmukaksi. Mitattavaa virtaa varten tarkoitettu käämitys 20 ja kompensointivirralle tarkoitettu käämitys ympäröivät myös tätä toista magneettisydäntä. Tällöin toisen magneet-tisydämen ympärille käämityn käämityksen tähän sydämeen aiheuttama magneettivuo on yhtä suuri mutta vastakkaisuun-tainen kuin ensimmäisessä magneettisydämessä vaikuttava 25 magneettivuo ja magnetointivirran aiheuttamien häiriöjän-nitteiden syntyminen estyy. Suurilla taajuuksilla suljetuksi silmukaksi kytketyissä käämityksissä kuitenkin kulkee virta, joka kasvaa mitattavan virran taajuuden kasvaessa ja estää tällöin ensimmäisen ja toisen magneettisydä-30 men ja niille käämittyjen sekä mitattavalle virralle että kompensointivirralle tarkoitettujen käämitysten muodostaman magneettipiirin toiminnan passiivisena virtamuuntajana. Jotta kyseinen virran mittamuunnin saataisiin toimimaan myös suurilla taajuuksilla, on siihen liitetty vielä 35 kolmas ikkunallinen magneettisydän, josta saadaan keski-

II

3 c) n i δ 2 taajuinen virhesignaali summattavaksi matalia taajuuksia edustavaan virhesignaaliin. Näin kompensointivirta saadaan aseteltua oikean suuruiseksi myös mitattavan virran sisältäessä keskitaajuisia komponentteja.

5 Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin kompensointiperiaatteella toimiva virran mittamuun-nin, jossa on onnistuttu eliminoimaan edellä kuvattuun ratkaisuun liittyvät ongelmat, ja aikaansaada siten virran mittamuunnin, joka yksinkertaisesta rakenteesta huolimatta 10 on tarkka ja laajakaistainen.

Yllämainittu tavoite saavutetaan keksinnön mukaisen mittamuuntimen avulla, jolle on tunnusomaista, että neljännen ja viidennen käämityksen muodostamaan silmukkaan sisältyvä impedanssi on taajuusriippuvainen ja mitattavan 15 virran vaihtokomponentin taajuudella niin suuri, että se estää liian suuren kyseisen taajuisen virran kulun neljännen ja viidennen käämin läpi. Tällöin siis neljännen ja viidennen käämityksen läpi kulkeva virta ei pääse kasvamaan niin suureksi että sen ensimmäisen ja toisen magneet-20 tisydämen ja mitattavalle virralle ja kompensointivirralle tarkoitetun käämityksen muodostamasta magneettipiiristä ottama teho estäisi kyseisen magneettipiirin toiminnan passiivisena virtamuuntajana. Täten keksinnön mukainen mittamuunnin on laajakaistainen ilman US-patenttijulkaisun 25 4,482,862 mukaista kolmatta magneettisydäntä ja siihen liittyvää piiriä.

Seuraavassa keksinnön mukaista virran mittamuunnin-ta kuvataan yksityiskohtaisemmin esimerkinomaisen rakenneratkaisun avulla viitaten oheiseen piirustukseen, jossa 30 kuvio 1 esittää mittamuuntimen periaatteellisen kytkentäkaavion ja kuvio 2 esittää magnetointikäämiin syötettävän jännitteen Um aaltomuodon sekä sen magnetointikäämiin synnyttämän magnetointivirran Im.

35 Kuvion 1 mukainen mittamuunnin koostuu kahdesta 4 opi 42 magneettisydämestä Cl ja C2 ja niille eri tarkoituksissa käämityistä viidestä käämityksestä sekä asianomaisesta elektroniikasta, kuten seuraavassa tullaan lähemmin kuvaamaan. Magneettisydämistä sydän Cl on kyllästyvä ja sydän 5 C2 toimii lineaarisella alueellaan.

Magneettisydäntä Cl magnetoidaan kyllästykseen saakka syöttämällä tämän sydämen 1 ympärille käämittyyn magnetointikäämitykseen Nm vaihtojännitelähteestä AC vaihtojännite Um, jonka positiivisen ja negatiivisen puolijak-10 son aikaintegraalit ovat yhtäsuuret. Mikäli jännite Um on suorakaideaaltoa, ovat kyseisen jännitteen sekä sen magne-tointikäämiin Nm synnyttämän magnetointivirran Im käyrä-muodot kuviossa 2 esitetyn kaltaiset. Magnetointivirta Im mitataan toisesta navastaan maapotentiaaliin kytketyllä 15 vastuksella Rl, jonka yli syntyvä jännite syötetään ilmaisimeen D. Ilmaisimen D lähtöjännite Ue on verrannollinen vastuksen Rl yli syntyvän jännitteen huippuarvojen epäsymmetriaan. Jännite Ue ohjaa puolestaan integroivaa säätövahvistinta IA, joka syöttää molempien magneettisydä-20 mien 1 ja 2 ympärille käämittyyn kompensointikäämitykseen Ns virran Is. Mitattava virta lp kulkee puolestaan molempia magneettisydämiä Cl ja C2 ympäröivässä käämityksessä Np.

Kun magneettisydäntä Cl magnetoivat ampeerikierrok-25 set Nplp ja Nsls (jossa siis merkinnät Np ja Ns vastaavat myös kyseisten käämitysten kierroslukuja) ovat yhtäsuuret, on vastuksen R2, jonka läpi kompensointivirta Is kulkee, ylitse vaikuttava jännite UQut yhtälön

Uout = R2 x *P x Np/Ns 30 mukainen. Tästä yhtälöstä lp voidaan yksinkertaisesti ratkaista.

Jos ampeerikierrokset Nplp ja Nsls ovat erisuuret, poikkeaa magneettisydämen Cl magnetointi mitattavan virran lp taajuudella nollasta, jolloin magneettisydämessä Cl 35 kulkee jäännösmagneettivuo, joka vääristää magnetointivir-

II

5 o f» 1 / 2 ran Im käyrämuotoa muuttaen sen epäsymmetriseksi. Koska ilmaisin D on sovitettu tarkkailemaan virran Im vastuksen Rl ylitse synnyttämän jännitteen huippuarvojen epäsymmetriaa, ilmaisimen D ulostulo Ue saa tällaisessa epäsymmet-5 riatilanteessa arvon, joka on verrannollinen sekä epäsymmetrian suuruuteen että sen suuntaan. Arvo Ue ilmaisee siis myös sen kumpi ampeerikierroksista Nplp ja Nsls on suurempi. Tämän ohjaussisääntulon Ue avulla integroiva säätövahvistin IA kykenee nyt muuttamaan virtaa Is siten, 10 että magnetointivirta Im palautuu symmetriseksi.

Suuritaajuisen magnetointivirran Im magneettisydä-meen Cl synnyttämä magneettivuo pyrkii indusoimaan häiriö jännitteen käämeihin Np ja Ns. Tämän häiriöjännitteen kompensoimiseksi magneettisydämien Cl ja C2 ympärille on 15 sovitettu käämitykset Ncl ja Nc2, joista Ncl on käämitty magneettisydämen Cl ympärille ja Nc2 on käämitty magneet-tisydämen C2 ympärille. Näiden käämitysten Ncl ja Nc2 kierrosluvut ovat keskenään yhtäsuuret. Koska magneet-tisydän C2 on mitoitettu toimimaan lineaarisella alueel-20 laan, se ei oleellisesti vaikuta magneettisydämen Cl mag-netointiin. Käämitykset Ncl ja Nc2 on kytketty toisista erinimisistä navoistaan toisiinsa impedanssin Z kautta niiden toisten erinimisten napojen ollessa kytkettyinä suoraan toisiinsa. Täten käämitysten Ncl ja Nc2 voi sanoa 25 olevan kytketyn keskenään sarjaan suljetuksi silmukaksi, johon impedanssi Z sisältyy. Impedanssi Z on toteutettu siten, että se magnetointivirran Im taajuudella on niin pieni, että käämityksen Nc2 magneettisydämeen C2 synnyttämä magneettivuo on lähes yhtäsuuri, mutta vastakkaissuun-30 täinen kuin magneettivuo, jonka magnetointivirta Im käämityksen Nm kautta synnyttää magneettisydämeen Cl. Tällöin käämitykset Np ja Ns lävistävä kokonaisvuo on lähellä nollaa ja liian suurten häiriöjännitteiden syntyminen estyy.

Käämityksessä Np kulkevan mitattavan virran lp 35 vaihtokomponentti pyrkii kuitenkin myös indusoimaan käämi- 6 ° P 1 Λ 2 tyksiin Ncl ja Nc2 virran. Mikäli tämän virran kulkua ei rajoiteta, estyy taajuuden kasvaessa sydämien Cl ja C2 sekä käämitysten Np ja Ns muodostaman magneettipiirin toiminta passiivisena virtamuuntajana, jolloin virran mitta-5 muuntimen ylärajataajuus jää pieneksi. Tätä ylärajataajuutta voidaan kuitenkin nostaa mitoittamalla käämitysten Ncl ja Nc2 kanssa sarjassa oleva impedanssi Z mitattavan virran lp vaihtokomponentin taajuudella niin suureksi, että liian suurta vaihtokomponentin kanssa samantaajuista 10 virtaa ei pääse kulkemaan käämityksissä Ncl ja Nc2. Käytännössä halutun kaltainen taajuusriippuvainen impedanssi Z voidaan yksinkertaisimmillaan toteuttaa sopivasti mitoitetun kondensaattorin avulla.

Yllä keksinnön mukaista virran mittamuunninta on 15 kuvattu vain yhden esimerkinomaisen suoritusmuodon avulla ja on ymmärrettävää, että alan ammattimies kykenee toteuttamaan useatkin kuvatuista rakenneosista toisin, kuin mitä esitetyssä esimerkissä on tehty, poikkeamatta kuitenkaan oheisten patenttivaatimusten määrittelemästä keksinnön 20 suojapiiristä. Täten erityisesti välineet kompensointivir- ran suuruuden asettelemiseksi eli jännitelähde Um, ilmaisin D ja säätövahvistin IA voidaan toteuttaa myös toisin kuin mitä yllä on esitetty.

Claims (3)

1. 7 Q π A 2 Patenttivaatimus