PL206303B1 - Elektromagnetyczny przetwornik pomiarowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy elektromagnetycznego przetwornika pomiarowego. Omawiany przetwornik pomiarowy służy do porównywania natężenia prądu płynącego poprzez przewód z prądem odniesienia i do sterowania prądu płynącego przez ten przewód.

Wynalazek oparty jest na znanym układzie, w którym przetwornik pomiarowy zawiera obwód magnetyczny, utworzony przez toroidalny rdzeń, przewód, poprzez który przepływa mierzony prąd i który jest otoczony tym toroidalnym rdzeniem, na którym umieszczone jest uzwojenie wtórne, zaś w szczelinie rdzenia znajduje się element mierzący natężenie pola magnetycznego, który jest wraż liwy na pole magnetyczne w tej szczelinie.

Przetwornik pomiarowy tego rodzaju znany jest z opisu patentowego EP 0 194 225. W przypadku tego przetwornika wzmocniony sygnał wyjściowy z elementu Halla, który służy jako element mierzący strumień magnetyczny, podawany jest na uzwojenie wtórne. Kierunek nawinięcia tego uzwojenia jest wybrany tak, że wytworzone pole magnetyczne ma przeciwny zwrot niż pole magnetyczne otaczające przewód, poprzez który przepływa prąd. Uzwojenie wtórne jest zasilane przez wzmacniacz w taki sposób, ż e próbuje sprowadzić do zera natężenie pola magnetycznego wytwarzanego przez przewód. Natężenie prądu płynącego przez uzwojenie wtórne jest wykorzystywane jako miara natężenia prądu płynącego w przewodzie, czyli sygnał wyjściowy uzwojenia wtórnego wyznacza wartość bezwzględną chwilowego natężenia prądu.

Inny przetwornik pomiarowy omawianego rodzaju znany jest z Elektronik Industrie 8-2001, s. 49 i 51. W tym przetworniku pomiarowym wokół toroidalnego rdzenia jest nawinięte uzwojenie, w którym prąd płynący poprzez przewód indukuje prąd. Ten indukowany prąd podlega superpozycji z ewentualnym odchyleniem wykrytym przez element Halla, a zatem daje wartość bezwzględną stanowiącą miarę natężenia prądu płynącego w przewodzie. Należy jednak zauważyć, że w przypadku tego przetwornika pomiarowego znów główna składowa indukowanego prądu przepływa przez uzwojenie wtórne. Połączenie elementu Halla i wzmacniacza wykrywa odpowiednią część prądu płynącego w przewodzie, której nie moż e wykryć uzwojenie wtórne na rdzeniu toroidalnym.

Przetwornik pomiarowy omawianego rodzaju jest również znany z opisów patentowych EP 0 580 473 A1, EP 0 157 054. Publikacje te opisują wyłącznik zabezpieczają cy przed prą dem uszkodzeniowym. Na toroidalnym rdzeniu umieszczone są dwa uzwojenia. Zastosowano komparator do porównywania napięcia wyjściowego elementu Halla umieszczonego w szczelnie toroidalnego rdzenia z napięciem odniesienia. Wyłącznik ten jest nastę pnie sterowany przez napię cie wyjściowe z komparatora.

Artykuł A Digital Current Sensor for PWM inverters, Ogasawara i inni, Proceedings of the Industry Applications Society Annual Meeting, Houston, 4 października 1992, Nowy Jork, USA, wol. 1, 4 października 1992, s. 949-955, na fig. 2, opisuje inny przetwornik pomiarowy do pr ądów analogowych, który w przybliżeniu odpowiada przetwornikowi pomiarowemu znanemu z EP 0 194 225.

Znany przetwornik pomiarowy przedstawiono schematycznie na fig. 1. Na jej podstawie wyjaśnić można zasadę działania przetwornika pomiarowego, znanego z EP 0 194 225. Ten znany przetwornik pomiarowy ma toroidalny rdzeń 10 z materiału ferromagnetycznego, przez który przebiega przewód 16, w którym przepływa mierzony prąd. Element Halla 12 umieszczony jest w powietrznej szczelinie 11 tego toroidalnego rdzenia 10. Pole magnetyczne wytwarzane przez prąd płynący w przewodzie 16, powoduje powstanie strumienia magnetycznego w toroidalnym rdzeniu 10, a więc również w elemencie Halla 12. Sygnał wyjściowy elementu Halla 12 jest podawany na wzmacniacz 14, którego wyjście jest dołączone do uzwojenia wtórnego 18 nawiniętego wokół toroidalnego rdzenia 10.

Prąd przepływający przez uzwojenie wtórne 18 również wytwarza pole magnetyczne. W związku z tym kierunek nawinięcia uzwojenia wtórnego 18 jest wybrany tak, że odpowiednie pole magnetyczne ma kierunek przeciwny do kierunku pola magnetycznego wokół przewodu 16. To powoduje, że te dwa pola magnetyczne wzajemnie znoszą się, czyli nie ma żadnego strumienia magnetycznego w toroidalnym rdzeniu 10 i w konsekwencji element Halla 12 nie wytwarza sygnału, kiedy oba pola magnetyczne mają jednakową wartość. Ponieważ uzwojenie wtórne 18 jest znane, przepływający prąd jest miarą pola magnetycznego wytwarzanego przez przewód 16, a zatem miarą prądu płynącego w przewodzie 16. Można zatem wykrywać na wyjściu 20 uzwojenia wtórnego 18 sygnał, będący miarą natężenia prądu płynącego w przewodzie 16.

Sygnał wyjściowy na wyjściu 20 może być poddawany dalszemu przetwarzaniu w dowolny żądany sposób, ponieważ wyznacza on wartość bezwzględną chwilowego natężenia prądu. Za pomocą

PL 206 303 B1 dołączonego na wyjściu komparatora (nie pokazano) wartość ta może być porównywana np. z wartością odniesienia, aby wytwarzać z niej np. sygnały sterujące falownik, z którego prąd jest dostarczany za pomocą przewodu 16.

Ponieważ natężenie prądu w przewodzie 16 może osiągać wartość kilkuset amperów, uzwojenie wtórne 18 musi odznaczać się odpowiednio dużą liczbą amperozwojów. Czyli im mniejsze będzie natężenie prądu płynącego poprzez uzwojenie wtórne 18 tym odpowiednio większa musi być liczba zwojów. Poważna wada takiej konstrukcji polega również na tym, że istnienie induktancji powoduje powstanie stałej czasu, a więc ogranicza możliwe sposoby szybko następujących po sobie wahań wysokiej częstotliwości prądu płynącego w przewodzie 16. Inny aspekt zwiększający tu tę trudność polega na tym, że indukcyjność samego uzwojenia wtórnego 18 w związku z jego typowo indukcyjnym zachowaniem się, uniemożliwia szybkie zmiany sygnału.

W przypadku tych znanych przetworników pomiarowych odpowiedni sygnał wyjściowy jest poddawany dalszemu przetwarzaniu w dowolny sposób, ponieważ uzyskuje się z przetwornika wartość bezwzględną chwilowego natężenia prądu płynącego przez przewód. Za pomocą komparatora dołączonego na wyjściu wartość ta może być porównywana np. z wartością odniesienia lub wartością zadaną, aby wytworzyć z nich sygnały sterujące np. falownikiem, z którego prąd jest dostarczany przez omawiany wyżej przewód. Ponieważ natężenie tego prądu może łatwo osiągnąć wartość kilkuset amperów (chwilowe wartości szczytowe dość często osiągają około 750 A), uzwojenie wtórne musi mieć odpowiednio dużą liczbę amperozwojów. W takim przypadku im mniejszy prąd ma przepływać przez uzwojenie wtórne, tym odpowiednio większa musi być liczba zwojów.

Jest to jednak również poważną wadą znanych konstrukcji. Induktancja zawsze powoduje powstanie stałej czasu, a więc ogranicza możliwe sposoby szybkiego śledzenia wahań prądu płynącego w przewodzie. Dalszą wadą jest to, że induktancja samego uzwojenia wtórnego, na skutek jego typowego indukcyjnego zachowania się, uniemożliwia szybkie zmiany sygnału.

Powstała zatem potrzeba opracowania przetwornika pomiarowego, który byłby ulepszony z uwagi na wskazane wyżej wady, aby można było łatwo wykrywać nawet wysokoczęstotliwościowe odchylenia od wartości odniesienia i zastosować do elektrowni wiatrowej, zwłaszcza w połączeniu z falownikiem.

Według wynalazku elektromagnetyczny przetwornik pomiarowy do porównywania natężenia prądu płynącego przez przewód z prądem odniesienia, zawierający obwód magnetyczny utworzony przez toroidalny rdzeń, przewód, przez który przepływa prąd i który jest otoczony przez ten toroidalny rdzeń, na którym umieszczone jest uzwojenie wtórne, zaś w szczelinie rdzenia znajduje się element mierzący natężenie pola magnetycznego, który jest wrażliwy na pole magnetyczne w tej szczelinie, a do wyjścia elementu mierzącego strumień magnetyczny dołączony jest wzmacniacz, charakteryzuje się tym, że zawiera zespół zadawania prądu odniesienia do ustawiania zadanego prądu odniesienia w uzwojeniu wtórnym skorelowanego z prądem, który ma płynąć w przewodzie, przy czym zespół zadawania prądu odniesienia połączony jest z uzwojeniem wtórnym toroidalnego rdzenia, zaś element mierzący strumień magnetyczny połączony jest z wejściem wzmacniacza wzmacniającego sygnał różnicowy reprezentujący różnicę pomiędzy prądem odniesienia a prądem płynącym w przewodzie.

Według wynalazku inna wersja elektromagnetycznego przetwornika pomiarowego do porównywania natężenia prądu płynącego przez przewód z prądem odniesienia, zawierającego obwód magnetyczny utworzony przez toroidalny rdzeń, przewód, przez który przepływa prąd i który jest otoczony przez ten toroidalny rdzeń, na którym umieszczone jest uzwojenie wtórne, zaś w szczelinie rdzenia znajduje się element mierzący natężenie pola magnetycznego, który jest wrażliwy na pole magnetyczne w tej szczelinie, a do wyjścia elementu mierzącego strumień magnetyczny dołączony jest wzmacniacz, charakteryzuje się tym, że zawiera zespół zadawania prądu odniesienia do ustawiania zadanego prądu odniesienia w uzwojeniu wtórnym skorelowanego z prądem, który ma płynąć w przewodzie, oraz zawiera zespół sterujący do sterowania natężenia prądu płynącego przez przewód, przy czym z jednym wyjściem zespołu zadawania prądu odniesienia połączony jest jeden koniec uzwojenia wtórnego toroidalnego rdzenia, zaś drugie wyjście zespołu zadawania prądu odniesienia połączone jest z jednym wejściem zespołu sterującego, którego drugie wejście połączone jest z wyjściem wzmacniacza, którego wejście połączone jest z elementem mierzącym strumień magnetyczny reprezentujący różnicę pomiędzy prądem odniesienia a prądem płynącym w przewodzie.

Element mierzący strumień magnetyczny korzystnie zawiera element Halla.

Korzystnie za wzmacniaczem umieszczony jest stopień sumujący sygnał wyjściowy wzmacniacza z prądem odniesienia, w celu utworzenia wartości bezwzględnej prądu mierzonego.

PL 206 303 B1

W odróż nieniu od sytuacji wystę pują cej w znanych konstrukcjach uzwojenie wtórne nie jest dołączone do wyjścia elementu mierzącego strumień magnetyczny albo do dołączonego do niego wzmacniacza. Zamiast tego do uzwojenia wtórnego doprowadzany jest prąd odniesienia. Według wynalazku wyjście elementu mierzącego strumień magnetyczny lub wzmacniacza dołączonego do niego w korzystnym przykładzie wykonania jest dostępne jako wyjście sygnału. W idealnej sytuacji natężenie prądu płynącego w przewodzie odpowiada prądowi odniesienia, który jest doprowadzany do uzwojenia wtórnego, tak że wynikowy strumień magnetyczny w toroidalnym rdzeniu i sygnał na wyjściu elementu mierzącego strumień magnetyczny są zerowe.

Jeżeli natężenie prądu w przewodzie różni się od wartości odniesienia, powoduje to powstanie strumienia magnetycznego w toroidalnym rdzeniu i odpowiedniego sygnału na wyjściu elementu mierzącego strumień magnetyczny. Sygnał ten jest miarą odchylenia prądu w przewodzie od wartości odniesienia prądu płynącego poprzez uzwojenie wtórne. Ponieważ nie ma żadnej indukcyjności w gałęzi wyjściowej pomiędzy elementem mierzącym strumień magnetyczny a wyjściem sygnału, nawet wysokoczęstotliwościowe odchylenia od wartości odniesienia prądu mogą być łatwo wykrywane, ewentualnie wzmacniane i podawane na wyjście. Możliwe jest również otrzymanie szybko reagujących sygnałów sterujących lub regulujących dla falownika, np. w elektrowni wiatrowej, z sygnału wyjściowego, aby zbliżać wartość rzeczywistą do wartości odniesienia prądu możliwie szybko i w najlepszy możliwy sposób.

Aby otrzymać wartość bezwzględną natężenia prądu płynącego w przewodzie, prąd odniesienia można nałożyć na sygnał wyjściowy elementu mierzącego strumień magnetyczny lub dołączonego za nim wzmacniacza, co jest korzystnie przeprowadzane w stopniu dołączonym za wyjściem sygnałowym.

Wynalazek jest opisany bardziej szczegółowo w przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, na którym fig. 2 jest schematycznym widokiem przetwornika pomiarowego według korzystnego wykonania wynalazku.

Przetwornik pomiarowy ma toroidalny rdzeń 10, zawierający materiał ferromagnetyczny ze szczeliną powietrzną 11, w której umieszczony jest element mierzący strumień magnetyczny, np. element Halla 12. Do wyjścia elementu Halla dołączony jest wzmacniacz 14 wzmacniający elektryczny sygnał wyjściowy elementu Halla. Podobnie jak w znanym przetworniku pomiarowym przewód 16, przez który przepływa mierzony prąd, przebiega przez toroidalny rdzeń 10.

W odróżnieniu od znanego przetwornika pomiarowego przedstawionego na fig. 1 uzwojenie wtórne 18 nie jest dołączone do wyjścia wzmacniacza 14. Zamiast tego uzwojenie wtórne 18 ma zacisk wejściowy 22 i jest dołączone swym drugim końcem do ziemi. Na wyjściu 24 wzmacniacza 14 odbierany jest sygnał wyjściowy.

Podczas gdy w znanym przetworniku pomiarowym w uzwojeniu wtórnym 18 indukuje się prąd, który dąży do kompensowania pola magnetycznego przewodu 16, a zatem stanowi miarę natężenia prądu płynącego w przewodzie 16, według wynalazku w uzwojeniu wtórnym 18 płynie zadany prąd odniesienia. Jest on doprowadzany do zacisku wejściowego 22 przez zespół zadawania 26 prądu odniesienia. W idealnym przypadku prąd płynący w przewodzie 16 odpowiada temu zadanemu prądowi odniesienia, tak że wynikowy strumień magnetyczny w toroidalnym rdzeniu 10 jest równy zero, sygnał z elementu Halla 12 jest równy zero, a więc nie ma również sygnału na wyjściu 24.

Jeżeli prąd w przewodzie 16 odchyla się od wartości odniesienia, pojawia się wynikowy strumień magnetyczny w toroidalnym rdzeniu 10 i odpowiedni sygnał z elementu Halla 12, który jest po wzmocnieniu przez wzmacniacz 14 podawany na wyjście 24. Ten sygnał wyjściowy jest miarą odchylenia natężenia prądu w przewodzie 16 od wartości odniesienia natężenia prądu, który płynie przez uzwojenie wtórne 18.

Wtedy, gdy przetwornik pomiarowy według wynalazku jest używany do mierzenia natężenia prądu wyjściowego falownika i jest to prąd płynący przez przewód 16, prąd odniesienia ma częstotliwość 50 Hz. Powoduje to dość powolną zmianę prądu w uzwojeniu wtórnym 18. W związku z tym, induktancja uzwojenia wtórnego 18 odgrywa podrzędną rolę.

Należy zauważyć, że wahania natężenia prądu w przewodzie 16 mogą mieć wysoką częstotliwość ze względu na oddziaływania zewnętrzne, takie jak reakcje sieci. Ponieważ jednak według wynalazku w gałęzi złożonej z elementu Halla 12, wzmacniacza 14 i wyjścia 24 nie ma induktancji, nawet wysokoczęstotliwościowe odchylenia od natężenia prądu odniesienia mogą być niezawodnie wykrywane, wzmacniane i podawane na wyjście 24. Możliwe jest również wytwarzanie szybko reagujących

PL 206 303 B1 sygnałów sterujących lub regulujących dla falownika (nie pokazano) z sygnału na wyjściu 24 za pomocą zespołu sterującego 28, aby możliwie szybko zbliżyć wartość rzeczywistą do wartości odniesienia.

W odróżnieniu od sytuacji w znanej konstrukcji, w której komparator musi być dołączony za przetwornikiem pomiarowym, aby umożliwić porównywanie wartości odniesienia z wartością rzeczywistą, porównanie takie w konstrukcji według wynalazku jest już realizowane w przetworniku pomiarowym. Toroidalny rdzeń 10 można tu wraz z elementem Halla 12 traktować jako komparator, ponieważ element Halla 12 wytwarza ciągle tylko różnicowy sygnał pomiędzy wartością odniesienia a wartością rzeczywistą.

Należy zauważyć, że sygnał różnicowy na wyjściu 24 obwodu według wynalazku można łatwo albo poddawać dalszemu przetwarzaniu w postaci sygnału analogowego, albo przykładowo przetwarzać go za pomocą przerzutnika Schmitta w cyfrowe sygnały sterujące falownikiem.

Wartość bezwzględną natężenia prądu płynącego w przewodzie uzyskuje się za pomocą przetwornika pomiarowego według wynalazku, jeżeli sygnał odniesienia nałoży się na sygnał wyjściowy wzmacniacza 14. Sygnał po takiej superpozycji nie jest jednak doprowadzany do uzwojenia wtórnego 18. Superpozycja ta będzie korzystnie przeprowadzana przez sumowanie w stopniu dołączonym za wzmacniaczem 14.

Przetwornik pomiarowy według wynalazku jest korzystnie stosowany w elektrowni wiatrowej do mierzenia natężenia prądu wyjściowego falownika, najkorzystniej dla każdej fazy falownika stosowany jest oddzielny przetwornik pomiarowy.

Claims (6)

1. Elektromagnetyczny przetwornik pomiarowy do porównywania natężenia prądu płynącego przez przewód z prądem odniesienia, zawierający obwód magnetyczny utworzony przez toroidalny rdzeń, przewód, przez który przepływa prąd i który jest otoczony przez ten toroidalny rdzeń, na którym umieszczone jest uzwojenie wtórne, zaś w szczelinie rdzenia znajduje się element mierzący natężenie pola magnetycznego, który jest wrażliwy na pole magnetyczne w tej szczelinie, a do wyjścia elementu mierzącego strumień magnetyczny dołączony jest wzmacniacz, znamienny tym, że zawiera zespół zadawania (26) prądu odniesienia do ustawiania zadanego prądu odniesienia w uzwojeniu wtórnym (18) skorelowanego z prądem, który ma płynąć w przewodzie (16), przy czym zespół zadawania (26) prądu odniesienia połączony jest z uzwojeniem wtórnym (18) toroidalnego rdzenia (10), zaś element (12) mierzący strumień magnetyczny połączony jest z wejściem wzmacniacza (14) wzmacniającego sygnał różnicowy reprezentujący różnicę pomiędzy prądem odniesienia a prądem płynącym w przewodzie (16).

2. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że element mierzący strumień magnetyczny zawiera element Halla (12).

3. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że za wzmacniaczem (14) umieszczony jest stopień sumujący sygnał wyjściowy wzmacniacza (14) z prądem odniesienia, w celu utworzenia wartości bezwzględnej prądu mierzonego.

4. Elektromagnetyczny przetwornik pomiarowy do porównywania natężenia prądu płynącego przez przewód z prądem odniesienia, zawierający obwód magnetyczny utworzony przez toroidalny rdzeń, przewód, przez który przepływa prąd i który jest otoczony przez ten toroidalny rdzeń, na którym umieszczone jest uzwojenie wtórne, zaś w szczelinie rdzenia znajduje się element mierzący natężenie pola magnetycznego, który jest wrażliwy na pole magnetyczne w tej szczelinie, a do wyjścia elementu mierzącego strumień magnetyczny dołączony jest wzmacniacz, znamienny tym, że zawiera zespół zadawania (26) prądu odniesienia do ustawiania zadanego prądu odniesienia w uzwojeniu wtórnym (18) skorelowanego z prądem, który ma płynąć w przewodzie (16), oraz zawiera zespół sterujący (28) do sterowania natężenia prądu płynącego przez przewód (16), przy czym z jednym wyjściem zespołu zadawania (26) prądu odniesienia połączony jest jeden koniec uzwojenia wtórnego (18) toroidalnego rdzenia (10), zaś drugie wyjście zespołu zadawania (26) prądu odniesienia połączone jest z jednym wejściem zespołu sterującego (28), którego drugie wejście połączone jest z wyjściem (24) wzmacniacza (14), którego wejście połączone jest z elementem (12) mierzącym strumień magnetyczny reprezentujący różnicę pomiędzy prądem odniesienia a prądem płynącym w przewodzie (16).

PL 206 303 B1

5. Przetwornik według zastrz. 4, znamienny tym, że element mierzący strumień magnetyczny zawiera element Halla (12).

6. Przetwornik według zastrz. 4, znamienny tym, że za wzmacniaczem (14) umieszczony jest stopień sumujący sygnał wyjściowy wzmacniacza (14) z prądem odniesienia, w celu utworzenia wartości bezwzględnej prądu mierzonego.