HU229697B1 - Dual-rated current transformer circuit - Google Patents

Description

Kétfokozatú áramtranszformáló áramkör

A találmány tárgya kétfokozatú áramtranszformálő áramkör, különösen védőrelékben használt, miniatűr, kétfokozatú áramtranszformáló áramkor.

Az áramköri megszakítóknál vagy más elektromos berendezéseknél használt védörelék jói Ismertek, a szakmában. Á relék általában valamilyen áramkön jelenség érzékelését követően olyan jelet állítanak elő, amelynek segítségével például egy kis áramerősségü, ipari áramköri megszakító kioldótekercsét működtetik, A kioldótekercs működéséhez szükséges megfelelő áramerősség előállításához áramtranszformátort használnak. Az áramköri megszakítóban egyetlen trsnszformáformag van elhelyezve, amely elegendően nagy áramot és üzemi teljesítményt biztosít a kapcsolóegység áramköre számára, különböző áramerősségek mellett.

Az áramtranszformátor mérete az áramerősség széles tartományának meghagyása mellett úgy csökkenthető, hogy rögzített méretű transzformátort és rögzített menetszámú szekunder tekercselést alkalmaznak. A primer tekercs menetszámát az áramkör áramerősségével fordított arányban változtatják, ilyen áramkört mutat be például az US 5,015,983 sz. szabadalmi leírás. Az áramtranszformálő áramkörben a primer tekercs menetszámának változtatása azonban nem teszi lehetővé, hogy különböző bemeneti áramerősségek mellett azonos áramerősséget állítsunk elő a primer tekercsben.

Az 138 5,015,983 sz. szabadalmi leírás olyan egyfázisú többfokozatú áramtranszformátort ismertet, amelynek legalább két különböző áramfokozata vagy kimeneti szintje van, melyeket a kivezetések megfelelő huzalozása révén, a rendszer főáramkörébe történő beavatkozás nélkül képes biztosítani. Az áramtranszformátor tartalmaz egy első áramvezetéket egy első áram továbbításához, valamint egy, az első áramvezetékhez kapcsolt transzformátort.

Az ipari vagy egyéb alkalmazásokban használt, nagyobb méretű megszakítók általában olyan védőreléket használnak, amelyeknek saját tokjuk van, A védőreléket nem az a tápegység működteti, ami az áramtranszformátorokat, A védörelék beavatkozó szerve általában olyan érintkező vagy félvezefőeszköz, amely a kíoldőtekerosef egy, a relétől független csatlakoztatja. Ezekben az alkalmazásokban az áramtranszformátorokat a bemeneti áram megkettőzésére és leválasztására a bemeneti áram 1-5 A értéket vehet fel. Az.

áramtranszformátornak rendkívül nagy áramerősség-tartományban kell üzemelnie, vagyis egyrészt működnie kell zárlati áram esetén, amely lényegesen nagyobb, mint a védelemhez és méréshez használt, szabályozott áramerősség, másrészt működnie kell mérőáram esetén is, amely kisebb lehet az üzemi áramnál. Egy tipikus, 1 A névleges bemeneti áramerősséggel rendelkező áramtranszformátornak általában egy 20-menetes primer tekercse, valamint egy különálló 5 A névleges bemeneti áramerősséggel rendelkező tekercse van, amely általában 4-menetes.

Gazdaságossági szempontból szükség van tehát olyan, kétfokozatú áramtranszformálő áramkörre, amelynek segítségével a transzformátort legalább két különböző értékű névleges bemeneti árammal lehet táplálni. További célunk olyan áramkör megvalósítása, amely miniatürizálható,

A találmánnyal további célunk még olyan kétfokozatú áramtranszformátő áramkör megvalósítása, amely az eddigieknél kisebb méretű transzformátort tartalmaz.

A találmánnyal szintén célunk olyan áramtranszformálo áramkor megvalósítása, amely megfelel azon alkalmazások követelményeinek, amelyek viszonylag kis költségű, széles körben elterjedt mágneses anyagot használnak. A mágneses anyagtól, illetve az alkalmazástől függően a menetek száma változó lehet,

A találmánnyal célunk olyan áramtranszformálo áramkör megvalósítása is, amely azonos kimeneti áramerősséget állít elő egy első bemeneti áramerősség és egy második bemeneti áramerősség esetén.

3A kitűzött célokat olyan kétfokozatú áramtranszformáló áramkör magvalósításával érjük el amely egy bemeneti vezetékkel rendelkező transzformátort, a bemeneti vezetékkel összeköttetésben álló és egy első áramot fogadó első áramkört; és a bemeneti vezetékkel szintén összeköttetésben álló és egy, az első áramtól eltérő második áramot fogadó második áramkört tartalmaz, ahol az első áramkör és a második áramkör egy azonos harmadik áramot továbbít az említett bemeneti vezetékhez, amely harmadik áram értéke független attól, hogy azt az első áramkör vagy a második áramkör közül melyik állítja elő.

A találmányt a továbbiakban a rajz alapján ismertetjük részletesen, A rajzon;

- az 1. ábra a találmány szerinti, kétfokozatú áramtranszformáló áramkör első kiviteli alakjának kapcsolási rajza;

- a 2. ábra a találmány szerinti, kétfokozatú áramtranszformálő áramkör második kiviteli alakjának kapcsolási rajza;

- a 3. ábra a találmány szerinti, kétfokozatú áramtranszformálő áramkör harmadik kiviteli alakjának kapcsolási rajza; és

- a 4. ábra a találmány szerinti áramkörben használt transzformátor oldalnézete.

A találmány szerinti, kétfokozatú áramtranszformálő áramkör és az abban kialakított miniatűr transzformátor az eddigieknél kisebb méretű védőrelék megvalósítását teszi lehetővé. Nyilvánvaló, hogy a találmány szerinti áramkör nem korlátozódik védörelékben történő felhasználásra, és számos más célra ís felhasználható.

Az 1. ábrán olyan, kétfokozatú áramtranszformáló 10 áramkör látható, amely sorba kapcsolt R<, Rj és Rs ellenállásokat tartalmaz. A 10 áramkör 12 és 14 vezetékén első I_A áramot, illetve az első l_A áramtól eltérő, második lg áramot táplálunk be. Az U és lg áram összege S_c áram formájában folyik ki.

Mind az U áram, mind pedig az lg áram átfolyik egy 20 áramtranszformátoron. A 20 áramfranszformátor olyan, kétfokozatú transzformátor, amelynek primer tekercsében az eltérő U és lg áram azonos

4áramerősséget, hoz létre. Ily módon a 20 éramfranszformátcr az U és fe áram erősségével arányos áramerőssége fe áramot állít elő.

A 20 transzformátornak primer 22 tekercse és szekunder 24 tekercse van. A 20 áramtranszformátor megvalósítható például ferromáoneses maggal rendelkező transzformátorként. A primer 22 tekercsnek egyetlen menete van, míg a szekunder 24 tekercsnek több menete, például 13000 menete van. A szekunder 24 tekercs fotranszfonmált fe árama arányos a primer 22 tekercs fe áramával, amely lp áram nagysága megegyezik az fe áram és az lg áram esetén. A találmány szerinti áramkör az fe áram és az fe áram szempontjából úgy van kialakítva, hogy szabványos transzformátort lehessen használni a reléknél leggyakrabban alkalmazott bemeneti áramok esetén.

A szekunder 24 tekercs úgy van kialakítva, hogy kis reflektált ellenállást jelentsen a primer 22 tekercs számára, és kis terhelést jelentsen a transzformátor számára. A szekunder 24 tekercs R~s ellenállással rendelkezik. A pnmer 22 tekercs ellenállásainak a szekunder 24 tekercs R4 ellenállása és R~s ellenállása felel meg. A primer 22 tekercs polaritását 26 pólus, míg a szekunder 24 tekercs polaritását 28 pólus jelzi, A kis kimeneti terhelés révén minimálisra csökkenthető a transzformátor mérete. A kimeneti terhelésnek kisebbnek kell lenni, mint a transzformátor szekunder körében lévő Rys ellenállás értéke.

Az R-._s R₂ és Ffe ellenállásokat tartalmazó ellenállás-hálózat olyan, egymástól eltérő, bemeneti fe áramot és fe áramot biztosít, amely a transzformátor primer 22 tekercse számára az fe áramnál kisebb áramerősséget eredményez. Amint az 1. ábrán látható, egy 14 vezeték mentén fe áramot továbbítunk 30 csomópontba, amely az áramkör söntölóse következtében a transzformátor primer 22 tekercsében fe áramot állít elő. A bemeneti fe áram a 30 csomópontba 12 vezeték mentén folyik be, és az .fe áram is fe áramot állít elő, Az fe áram hatására az ellenálláson eső feszültség a következő képlet alapián számítható:

Í,R,(SrR₃) R. + R,+fi₃

-5Az tp áram az l_A áramból az alábbi egyenlet alapján számítható:

(2)

Az előbbi számításokhoz hasonlóan az R3 eílenálíáson eső feszültség és az Ip áram meghatározható a bemeneti b áramból az alábbi képletek segítségévek ^-/_S(a+R₂)R₃/R_?+/2,+¾ (3) 4-14,/^,^(^+/2,)/^+^,+¾

A (2) és (3) egyenlet felhasználásával kiszámítható az Ra és ellenállás arányai

Í_A -/,(£,+ R, )!R,

A+hA+AM = < + Rj/R, (4) FUR,.f.lk-1

A találmány szerinti kétfokozatú áramfranszformálő áramkör paraméterei például a következők tehetnek:

U - 5 A; b “ 1 A;

Ip * 0,45 A;

R_TS = 40Ó0 Ω;

Fó - 2000 Ω:

V_Q 0,0692 V, szabályozott bemeneti áram esetén;

N_P-1;

ahol Np a transzformátor primer 22 tekercsének menetszáma, N§_; pedig a transzformátor szekunder 24 tekercsének menetszáma. Mivel a primer áramkörben lévő áramhurkbk számának meg kell egyeznie a szekunder körben lévő áramhurkok számával, a szekunder 24 tekercs menetszáma az alábbi módon számítható:

(5) /4-/44¾

Az Ohm-törvény miatt:

y/. ahol Vq az R„< ellenálláson eső feszültség.

6~ így V₃

AC -M< 0,46-2000/0,0692 £5· ’

Ay - /3006

Az (5) egyenletből következik, hogy:

A/_$/_s - A/p/p

A_;A -vV~,/A/_s

V_s -{Rjs + Rj/_S, ahol Vs a szekunder 24 tekercsen -esőfeszültség.

így a primer 22 tekercsen eső Vp feszültség:

(8) V_O-V_S«N_P/M_S

Legyen Rp a primer áramkör eredő ellenállásé a szekunder áramkör felöl nézve, ekkor:

RJp -(/% + r₄)/₅n_p/a?_s R_p -(R_rs +RjíVW_sMAC //*}

R, iRrs+KimGIrHN,,//.)

R-, + = (í / í3006f (4000 + 2000}

Re - 30,5 xW^s a

Mivel a primer áramkörbe reflektálódó feszültség áramot indít meg, az R-; + R₂ * Rs ellenállásnak lényegesen nagyobbnak kell lennie 35,5 x íö'⁵ Ωnái. Tegyük fel, hogy:

fVR, 4-^-3,05^0^0

Ekkor a (2) egyenletből következik, hogy: r, -Ma 4.¾+/?,}//,

- 0,45- 3,55- /0 ³/5 R_? - 320 >ffr^eQ

A (4) egyenletből következik, hogy;

320 4Ö⁶ (5/ί ···?)

A (2) egyenletből következik, hogy:

L -/_ar. zr,+r₂ ~r₅

- (5 · (320 - ír*}/ 0,45) - (320 W« +1,28 - W³)

R, -105· W³Ü

Mivel az L áram és 1$ áram olyan villamos rendszer áramtranszformátorától származik, amelynek bemeneti impedanciája tipikusan nagyobb, mint 100 Ω, ezért olyan impedanciával rendelkeznek, amely legalább két nagyságrenddel nagyobb, mint az Rí + R₂ + R₃ ellenállás értéke.

A primer 22 tekercsen eső feszültség az alábbi képlet segítségével számítható:

- (0,45 · 6000)/(13,005 -13,008}

V_p 15 ,96 -10 ⁶ V

Legyen az + R₂ * Rs ellenálláson átfolyó áram lp_C, amely levonodlk az Ip áramból. Ekkor,

15,96-10^/3,55-10~³ f_PC =4,50 -10 ³ A

Így az t_PC áram megközelítőleg 1%-a az I» áramnak, ezáltal könnyen korrigálható a szekunder menetszám csökkentésével,

A találmány szerinti áramkör 1. ábrán látható kapcsolási rajzának egyik módosított változata a 2. ábrán látható. A 2. ábra olyan 20 áramfranszformáiort mutat, amelynek első primer 22 tekercse és második primer 34 tekercse van. Az első primer 22 tekercsen U? áram, míg a második primer 34 tekercsen W áram folyik. Ha az 1. ábrán látható R$ ellenállás értéke nulla, az U áram

-8erőssége megegyezik az 1. ábrán látható primer 22 tekercs Í_P áramával ahogy ez a (3) képlet alapján nyilvánvaló. Mivel ez lg érem és ez lc érem csomópontjai között ellenállás van, az áram a második primer 34 tekercsen folyik át, A második primer 34 tekercs vége az lc áramhoz 36 csomópontban csatlakozik, amely 36 csomóponthoz ez R< ellenállás Is csatlakozik. Ezzel megakadályozzuk, hogy az R? ellenállással sorba kapcsolt R-_; ellenálláson áram folyjon keresztül. Az ipp árammal megegyező erősségű b áram a második primer 34 tekercsen folyik át, majd lc áramként folyik ki az áramkörből. Az Rí ellenálláson eső feszültség az alábbi képlet segítségével számítható;

' ’ O ' £?

fi?

Az Ohm-törvény miatt:

így az U» áram az alábbi képlet segítségével számítható kí az i_A áramból:

Ha « 1 A és l_A ~ S A, továbbá i_8P ~ U® ~ í®, akkor az Rá{R«*R₂} ellenállásarány a képlet alapján számítható:

+ íy=ö3i

Az iménti bemutatott példa arra a speciális esetre vonatkozik, amikor l_s « i_Sp, azaz két, egyetlen menettel rendelkező primer tekercs nem befolyásolja a relé kialakítását.

A 3. ábrán a találmány szerinti áramkör egy harmadik lehetséges kapcsolási rajza látható, amelyen a 20 transzformátor feszültségterheiését körülbelül az Rí ellenálláson eső feszültség értékével csökkentjük oly módon, hogy az áramkört ínvertáló 40 erősítővel egészítjük kí. A 40 erősítőnek ínvertálé 42 bemenet®, nem-lnveriálő 44 bemenet© és 46 kímenete van. Az áramkör olyan szekunder 24 tekercset tartalmaz, melynek polaritását 32 pólus jelzi.

Mivel a 40 erősítő invertáló 42 bemenetére eső feszültség megközelítőleg nulla, az Is áram az R$ ellenálláson keresztül folyik, és az 1. ábrán látható V_o feszültséggel megegyező kimeneti feszültséget állít elő, miközben ugyanakkora áram folyik át azon. Mivel a 40 erősítő invertáló, a szekunder 24 tekercs polaritását ellentétesre kell változtatni annak érdekében, hogy ugyanazt a V_o feszültséget kapjuk, mint az 1, ábrán látható áramkörben,

A transzformátor számára nem látható az FU ellenállás által képviselt terhelés, ezért nagyobb bemeneti áramerősség alkalmazható. Mível a terhelés lecsökkent, a transzformátor mérete szintén csökkenthető a bemeneti áramerősség meghagyása mellett.

A 4, ábrán a találmány szerinti áramkör részét képező 20 transzformátor oldalnézete látható, A 20 transzformátor 52, 54, 56 karimával rendelkező 50 tekercstartőt tartalmaz. Az 50 tekercstartönak első tekercselési 53 területe van az 54 és 56 karimák között, valamint második tekercselési 60 területe van az 62 és 54 karimák között, A második tekercselési 80 terület lényegesen nagyobb, mint az első 58 terület, A primer 22 tekercsnek legalább egy menete van az 50 tekercstartö 58 területe köré csévélve, míg a szekunder 24 tekercs a nagyobb 80 terület köré van csévélve, ily módon a 20 transzformátor tekercselésének nagy részét a szekunder tekercselés adja, amely kis ellenállású. Ily módon lecsökken az 50 tekercstartót körülvevő 62 mágneses anyag fluxusingadozása és áramgegesztése. A 62 mágneses anyag célszerűen kis térerősséggel gerjeszthetö anyag. Mivel a tekercselési terület nagy részét a szekunder tekercseléshez használjuk, és mágneses anyagként kis térerősséggel gerjeszthető anyagot használunk, az eddigieknél kisebb méretű transzformátor valósítható meg.

A leírásban olyan, kétfokozatú áramíranszformálö áramkört mutattunk be, amely lehetővé teszi a transzformátor két különböző erősségű árammal történő táplálását. Ezenkívül az áramkör miniatürizálható a transzformátort ellátó bemeneti áramok csökkentése, valamint a transzformátor újszerű kialakítása révén.

. 10Sár a Jeten leírásban a találmány szerinti áramkörnek csak bizonyos kiviteli alakjait Ismertettük, a szakmában jártas szakemberek számára nyilvánvaló, hogy a találmány nem korlátozódik ezekre a kiviteli alakokra, és tetszőlegesen módosítható az igénypontok által meghatározott oltalmi körön belül.

Claims (9)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK / .......

   1, Kétfokozatú áramtranszformáló áramkör (10),(azzal jellemezve, hogy ) tartalmaz ......--.......................................... ^: egy bemeneti vezetékkel rendelkező transzformátort (20): a bemeneti vezetékkel összeköttetésben álló és egy első áramot (U) fogadó első áramkört; és a bemeneti vezetékkel szintén összeköttetésben álló és egy, az első i áramtól (l_A) eltérő második áramot (l_B) fogadó második áramkört; I

   -ahöfaz első áramkör és a második áramkor egy azonos harmadik áramot (Ic) | továbbít az említett bemeneti vezetékhez, amely harmadik áram (fo) értéke j független attól, hogy azt az első áramkör vagy a második áramkör közöl melyik i állítja elő. ./
2. 2. Az 1. igénypont szerinti áramkör (10), azzal jellemezve, hogy az első áramkörnek és a második áramkörnek közös visszáramvezetöke van.
3. 3, Az 1, igénypont szerinti áramkör (1 ö), azzal jellemezve, hogy az első áramkör és a második áramkör közül legalább az egyik ellenállásokat tartalmaz.
4. 4. Az 1, igénypont szerinti áramkör (ÍÖ), azzal jellemezve, hogy a transzformátor (20) egy kimeneti vezetéken letranszíormáit áramot szolgáltat.
5. 5. Az 1. igénypont szerinti áramkör (10), azzal jellemezve, hogy a transzformátornak (20) primer tekercse (22) és szekunder tekercse (24) van, ahol a szekunder tekercs (24) kis reflektált impedanciával rendelkezik a primer tekercs (22) felé.
6. 8. Az 1. igénypont szerinti áramkör (10), azzal jellemezve, hogy a transzformátor {2ö)X'primer tekercsé (22) és ,á szekunder tekercsé (24) köré tekercselt mágneses anyagot tartalmaz.

   * 9#Α« «»«« ν « ·*Χ· χ «*♦ »' » » ♦ * * ♦ ♦ ·' * ♦ *Α X» ·♦ *« * * *

   - 12 7. Α 8. igénypont szerinti áramkor (10), azzal jellemezve, hogy a mágneses anyag kis térerősséggel gegesztbető anyag,

   8. A 1. igénypont szerinti áramkör (10), azzal jellemezve, hegy a transzformátornak (29) primer tekercse (22) és szekunder tekercse (24) van, ahol a szekunder tekercs (24) kis ellenállást reflektál a primer tekercs (22) felé és kis terhelést biztosit a transzformátor (20) számára,
7. 9. A 1. igénypont szerinti áramkör (10), azzal jellemezve, hogy a transzformátor (20) egynél több primer tekercset (22) tartalmaz,
8. 10. A 9, igénypont szerinti áramkör (10), azzal jellemezve, hogy mindegyik primer tekercsnek (22) egyetlen menete van,
9. 11. A 1. igénypont szerinti áramkör -(1-0), azzal jellemezve, hogy a transzformátorhoz (20) kapcsolt műveleti erősítőt (40) tartalmaz.