PL207941B1 - Sposób pomiaru wyższych harmonicznych, zwłaszcza prądu elektrycznego i czujnik do pomiaru wyższych harmonicznych, zwłaszcza prądu elektrycznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru wyższych harmonicznych, zwłaszcza prądu elektrycznego i czujnik do pomiaru wyższych harmonicznych, zwłaszcza prądu elektrycznego, przeznaczony do stosowania w różnego rodzaju układach pomiarowych wyższych harmonicznych, w szczególności w układach elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 169 205 sposób i układ do pomiaru składowych ortogonalnych oraz modułu wektora impedancji pętli zwarciowej z eliminacją wpływu wybranych harmonicznych na wynik pomiaru. Układ ma człon obciążenia pomiarowego, który składa się z połączonych szeregowo wyłącznika sterowanego i rezystora obciążeniowego, przyłączony jest do zacisków wejściowych, do których dołączone jest również wejście główne przetwornika analogowo-cyfrowego, którego wyjście dołączone jest do wejścia pomiarowego jednostki arytmetycznej wyjściu dołączonym do wskaźnika wyniku pomiaru dołączonego równolegle również do zacisków wejściowych. Wejście zasilania jednostki dołączone jest równolegle do zacisków wejściowych, ponadto równolegle do zacisków wejściowych dołączone jest również wejście układu sterującego, którego wyjścia sterujące dołączone są do wejść sterujących wyłącznika, przetwornika analogowo-cyfrowego, jednostki arytmetycznej i wskaźnika, zaś jego wyjście startowe połączone jest z przyciskiem pomiarowym.

Znane ze stosowania układy pomiarowe wyższych harmonicznych wykorzystujące szybką transformatę Fouriera FFT, charakteryzują się tym, że pobierają sygnał pomiarowy bądź z bocznika prądowego włączonego w obwód prądowy, bądź z obwodu wtórnego przekładnika prądowego, bądź z przetwornika Halla.

Istota sposobu, według wynalazku, polega na tym, że przewód z analizowanym prądem wytwarzający zmienne pole magnetyczne, umieszcza się w oknie cewki Rogowskiego, w której zmienne pole magnetyczne przetwarza się na sygnał napięciowy o wzmocnionych amplitudach wyższych harmonicznych stanowiący sygnał pomiarowy.

Istota czujnika, według wynalazku, polega na tym, że do zacisków układu pomiarowego przyłączona jest cewka Rogowskiego, przy czym cewka Rogowskiego obejmuje przewód prądowy.

Zaletą sposobu, według wynalazku, jest pomiar zawartości wyższych harmonicznych prądu dokonywany w sygnale wyjściowym cewki Rogowskiego, przez okno której przepływa badany prąd, a nie bezpośrednio w samym przebiegu tego prądu, a odfiltrowana z sygnału cewki Rogowskiego, określona harmoniczna prądu stanowi wielkość kryterialną działania układów elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej. Ponadto zaletą sposobu, jest pomiar z liniowo wzmacnianymi wyższymi harmonicznymi prądu. Wzmocnienie kolejnych harmonicznych wzrasta liniowo wraz z rzędem danej harmonicznej.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy cewki Rogowskiego, a fig. 2 - czujnik do pomiaru wyższych harmonicznych prądu elektrycznego.

Sposób pomiaru wyższych harmonicznych, polegający na tym, że przewód 1 z analizowanym prądem wytwarzający zmienne pole magnetyczne, umieszcza się w oknie cewki Rogowskiego 2, w której zmienne pole magnetyczne przetwarza się na sygnał napięciowy o wzmocnionych amplitudach wyższych harmonicznych stanowiący sygnał pomiarowy prądu elektrycznego, o czym sygnał pomiarowy prądu elektrycznego mierzy się za pomocą znanych metod pomiarowych.

Czujnik do pomiaru wyższych harmonicznych ma przewód prądowy 1 umieszczony w oknie cewki Rogowskiego 2, która jest do przyłączona do zacisków znanego układu pomiarowego 3.

W cewce Rogowskiego 2 o liczbie zwojów z, sprzężonych z obwodem pierwotnym (stanowiącym jeden zwój) pod wpływem zmian strumienia φ wywołanego przepływającym prądem i(t) w przewodzie prądowym 1 indukuje się siła elektromotoryczna e(t):

,. dφ μ₀ · z · S di ,, di e(t) = z— = --= M—;

dt 2π · r dt dt gdzie:

z - liczba zwojów cewki Rogowskiego, μ0 - przenikalność magnetyczna powietrza,

S - pole przekroju cewki, r - odległość osi cewki od obwodu pierwotnego, M - indukcyjność wzajemna.

PL 207 941 B1

Wzrastająca liczba odbiorników nieliniowych sprawia, że prądy pobierane przez te odbiorniki są odkształcone od sinusoidy i zawierają wyższe harmoniczne.

Rozkładając odkształcony przebieg prądu i(t) w szereg Fouriera można napisać:

i(t) = I₀ + I_m x sin (ωΐ + ψ₁) + l_2m x sin (ωΐ + ψ₂) + l_3m x sin (ωΐ + ψ₃) + ... l_kmx sin (kωt + ψκ), gdzie:

l₀ - składowa stała prądu,

I_km - amplituda k-tej harmonicznej prądu, ψΚ - faza początkowa k-tej harmonicznej prądu.

Przebieg prądu i(t) można wyrazić ogólnym zapisem:

w ^it =Σ ^Ikm · ^{Sin (k} · + ψΩ k=0 a jego pochodną:

di ^w π — = Σ ^Ikm · ^{Sin (k} · + Ψ.. +T) dt k=1 2

Napięcie ek(t) indukowane w cewce Rogowskiego od k-tej harmonicznej prądu można więc zapisać jako:

ek(t)=z ^d9 k = ^μ0 dt ·^z · ^Sdik = M^ik dt

2π · r dt

Napięcie e(t) indukowane w cewce Rogowskiego 2 od wszystkich harmonicznych prądu można zapisać jako sumę napięć poszczególnych harmonicznych indukowanych napięć:

^w _di ^w et = Σ M—- = Σ ^ω ·^M · ^k · ^Tkm · cos (k · ωΐ + Ψ_k), k =1 dt k =1 e(t) = ω · M · k w

Σ^Ikm ·^{cos (k}·^ωΐ + ^Ψk) k=1

Ostatecznie napięcie e(t) indukowane w cewce Rogowskiego 2 od odkształconego prądu i(t) wynosi:

^e(t) = Σ ^Ukm · ^{sin (k} · ^ωΐ + ^Ψk + ^Π) k=1 ² gdzie: Ukm = ω · M · k · Ikm.

Przebiegi poszczególnych harmonicznych napięć cewki 2 są przesunięte w stosunku do indukujących je prądów o kąt π/2, a ich amplitudy są k-krotnie większe od amplitud odpowiednich prądów. O ile amplitudy Ikm poszczególnych harmonicznych prądu maleją ze wzrostem rzędu k harmonicznej, o tyle amplitudy poszczególnych harmonicznych napięcia maleją ale każda z nich zostaje wzmocniona k-krotnie w stosunku do harmonicznych prądu. Poprzez pomiar napięcia cewki Rogowskiego 2 uzyskuje się znacznie wzmocnienie harmonicznych, a tym samym zwiększa się dokładność.

Claims (2)

1. Sposób pomiaru wyższych harmonicznych, zwłaszcza prądu elektrycznego, w którym sygnał pomiarowy mierzy się za pomocą znanych metod pomiarowych, znamienny tym, że przewód z anali4

PL 207 941 B1 zowanym prądem wytwarzający zmienne pole magnetyczne, umieszcza się w oknie cewki Rogowskiego, w której zmienne pole magnetyczne przetwarza się na sygnał napięciowy o wzmocnionych amplitudach wyższych harmonicznych stanowiący sygnał pomiarowy.

2. Czujnik do pomiaru wyższych harmonicznych, zwłaszcza prądu elektrycznego, wyposażony w układ pomiarowy, znamienny tym, że do zacisków układu pomiarowego (3) przyłączona jest cewka Rogowskiego (1), przy czym cewka Rogowskiego (1) obejmuje przewód prądowy.