PL211473B1 - Układ przekładnika napięciowego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ przekładnika napięciowego do pomiaru napięcia przemiennego do 1000V w zakresie częstotliwości od 16 i 2/3 do 2kHz. Przekładniki należą do klasy narzędzi pomiarowych nazywanych przetwornikami. Są stosowane w systemach pomiarowych i systemach zabezpieczeń sieci przesyłowych. W energetycznych systemach pomiarowych umożliwiają pomiary prądów i napięć o dużych wartościach i skojarzonej z nimi mocy i energii za pomocą standardowych przyrządów pomiarowych lub elektronicznych systemów pomiarowych.

Przekładniki w systemach pomiarowych, stanowią ważne ogniwo łańcucha pomiarowego. Stąd też błędy przekładników i dokładność przetwarzania napięć i prądów tych narzędzi pomiarowych powinny być adekwatne do pełnionych przez nie zadań pomiarowych.

Przekładniki dzieli się na dwie grupy: przekładniki standardowe i przekładniki wspomagane układami elektronicznymi. W przekładnikach standardowych wyróżnia się dwie klasy przekładników: przekładniki jednordzeniowe i przekładniki dwurdzeniowe. Przekładniki dwurdzeniowe zawierają dwa magneto wody i dwa uzwojenia pierwotne połączone równolegle. Ich błędy w porównaniu z przekładnikami jednordzeniowymi są o rząd mniejsze. Przekładniki wspomagane układami elektronicznymi w porównaniu z przekładnikami jednordzeniowymi wyróżniają się tym, że zawierają wzmacniacz, uzwojenie detekcyjne, a niekiedy drugi magnetowód z uzwojeniami. Błędy przekładników wspomaganych układami elektronicznymi w porównaniu z błędami przekładników jednordzeniowych są o dwa rzędy mniejsze. Przekładniki wspomagane układami elektronicznymi mają budowę różniącą się od przekładnika standardowego, tak że nie można dołączyć bezpośrednio do niego wymienionego wyżej wzmacniacza w celu zmniejszenia błędów.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 186287 wnętrzowy przekładnik prądowonapięciowy wysokiego napięcia, przeznaczony do instalowania w energetycznych rozdzielnicach wnętrzowych, który zawiera zestawione ze sobą przekładnik prądowy i przekładnik napięciowy tworzące wzajemną konfigurację geometryczną, zamocowane do wspólnej podstawy poziomej. Rdzeń przekładnika napięciowego jest umieszczony pod rdzeniami przekładnika prądowego z uzwojeniami wtórnymi, a zawierająca zaciski wtórne przekładnika prądowego i przekładnika napięciowego skrzynka zaciskowa jest zamocowana również do podstawy w pobliżu kolumny wsporczej przekładnika prądowego.

Znany jest z polskiego opisu patentowego m 174202 przekładnik prądowo-napięciowy, który ma ferromagnetyczny rdzeń bez szczeliny powietrznej oraz dwa karkasy, w których są usytuowane pierwotne prądowe uzwojenia wejściowe i wtórne napięciowe uzwojenie wyjściowe. Jeden z karkasów stanowi materiał przewodzący, tworząc wokół rdzenia wtórny obwód prądowy o współczynniku wypełnienia okna równym jedności. Karkas z materiału przewodzącego tworzy także ekran tłumiący pasożytnicze sprzężenia pomiędzy wejściowym uzwojeniem oraz wyjściowym uzwojeniem.

Napowietrzny przekładnik napięciowy wysokiego napięcia znany jest z polskiego opisu patentowego nr 184784, w którym cewki wysokiego napięcia uzwojenia pierwotnego są nawinięte na rurze izolacyjnej, która jest osadzona współśrodkowo w rurze izolacyjnej z nawiniętym na niej uzwojeniem wtórnym, osadzonej na jarzmie przeciętego rdzenia zwijanego umieszczonego w metalowym zbiorniku stanowiącym obudowę. Metalowy zbiornik jest wyposażony w przyłącze połączone z końcami uzwojenia wtórnego, a w okuciach pokrywy metalowego zbiornika są umieszczone przepusty izolacyjne stanowiące wyprowadzenia wysokiego napięcia.

Z innego polskiego opisu patentowego nr 196382 znany jest napięciowy przekładnik indukcyjny, pozwalający na współpracę z szybkimi układami zabezpieczeń. Przekładnik ten charakteryzuje się tym, że zacisk uziemiony obwodu pierwotnego transformatora jest połączony szeregowo z bocznikiem, którego zaciski wyjściowe połączone są z wejściem pierwszym układu sumującego, zaś drugie wejście układu sumującego jest połączone z wyjściem obwodu wtórnego transformatora, przy czym wyjścia układu sumującego stanowią wyjścia przekładnika indukcyjnego.

Istota układu przekładnika napięciowego według wynalazku polega na tym, że pomiędzy obwód pierwotny transformatora a uziemienie, jest włączony konwerter ujemnej impedancji zasilany separowanym galwanicznie zasilaczem.

Korzystnie, konwerter ujemnej impedancji ma wzmacniacz operacyjny, którego wejście odwracające jest połączone z zaciskiem obwodu pierwotnego transformatora, a wejście nieodwracające jest połączone poprzez element impedancyjny z uziemieniem, natomiast wyjście wzmacniacza operacyjnego jest połączone poprzez rezystory z wejściem odwracającym oraz z wejściem nieodwracającym.

PL 211 473 B1

Korzystnym jest, gdy pomiędzy warstwami uzwojenia pierwotnego transformatora jest umieszczony element rezystancyjny włączony jako element impedancyjny.

Korzystnie, elementem rezystancyjnym jest termistor o współczynniku temperaturowym +0,4%/°C

Zaletą nowego układu przekładnika napięciowego jest zmniejszenie błędów bez potrzeby jego zmian konstrukcyjnych. Wymaga tylko zastosowania wzmacniacza operacyjnego zasilanego separowanym galwanicznie zasilaczem. Ponadto konwerter ujemnej impedancji nadaje się do bezpośredniego podłączenia do przekładnika standardowego.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy przekładnika napięciowego z konwerterem ujemnej impedancji, fig. 2a schemat ideowy przekładnika napięciowego z konwerterem ujemnej impedancji, a fig. 2b - schemat zastępczy przekładnika napięciowego z konwerterem ujemnej impedancji.

P r z y k ł a d 1

Układ przekładnika napięciowego wyposażony jest w transformator T, który ma pomiędzy obwód pierwotny a uziemienie, włączony konwerter ujemnej impedancji KU zasilany separowanym galwanicznie zasilaczem ZS. Konwerter KU ma wzmacniacz operacyjny W, którego wejście odwracające jest połączone z zaciskiem obwodu pierwotnego transformatora T, a wejście nieodwracające jest połączone poprzez element impedancyjny Z, z uziemieniem. Wyjście wzmacniacza operacyjnego W jest połączone poprzez dwa rezystory R z wejściem odwracającym oraz z wejściem nieodwracającym.

P r z y k ł a d 2

Układ przekładnika napięciowego wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że pomiędzy warstwami uzwojenia pierwotnego transformatora T jest umieszczony element rezystancyjny R1 włączony jako element impedancyjny Z, przy czym elementem rezystancyjnym jest termistor o współczynniku temperaturowym +0,4%/°C.

Zmniejszenie błędów w układzie przekładnika napięciowego nie wymaga zmian konstrukcyjnych, a zatem na podstawie schematu zastępczego układu przekładnika, przy założeniu, że w obwodzie wyjściowym brak jest obciążenia i nie ma spadku napięcia na wyjściowej reaktancji gałęzi podłużnej przekładnika X'r2 i rezystancji uzwojenia wtórnego R'Cu2, błąd przekładnika określa zależność:

δυ_Ρ =

Δυ = E - U_P U_P = U_P ^RCU1 + ^jXr1 ^RCU₁ + ^jXr, + ⁽Fe||j^X μ) gdzie: R_Fe jX_p to połączona równolegle rezystancja gałęzi poprzecznej przekładnika z reaktancją gałęzi poprzecznej przekładnika X...

Powyższe relacje wskazują, że błąd przekładnika można zminimalizować poprzez zmniejszenie spadku napięcia ΔU w gałęzi podłużnej schematu zastępczego układu i/lub zwiększenie spadku napięcia E w gałęzi poprzecznej schematu zastępczego przekładnika.

Natomiast błąd przekładnika z konwerterem ujemnej impedancji, w którym jako impedancję Z zastosowano rezystor R1 o wartości rezystancji równej rezystancji uzwojenia pierwotnego przekładnika, wynosi

5U_P jXr1 jx,1 +(Rf4jx_m) i został w znaczący sposób zmniejszony w porównaniu z błędem przekładnika standardowego. Powyższy wzór jest spełniony dla określonej temperatury uzwojenia pierwotnego przekładnika, gdy zmieni się jego temperatura to nastąpi zmiana rezystancji uzwojenia, którą uwzględnia się w zależności na błąd przekładnika.

Błąd dodatkowy spowodowany zmianami temperatury można zmniejszyć stosując jako impedancję Z termistor o współczynniku temperaturowym +0,4%/°C umieszczony między warstwami uzwojenia pierwotnego przekładnika.

Pomiary przeprowadzone dla modelowego przekładnika wykazały, że dla ustalonej wartości temperatury uzwojeń przekładnika jego błąd z konwerterem ujemnej impedancji maleje około 30 razy w porównaniu z błędem przekładnika standardowego, natomiast dla temperatury wyższej o 20°C - błąd maleje około 10 razy. Błędy przekładnika wyznaczone za pomocą układu kompensacyjno-różnicowego są zmierzone w układzie pomiarowym składającym się z dzielnika rezystancyjnego utworzonego z rezystorów R1d, R2d i kompensatora w układzie o współrzędnych prostokątnych. Dzielnik rezystancyjny ma klasę 0,001 a kompensator klasę 1. Różnica napięć, napięcia wtórnego przekładnika napięcia

PL 211 473 B1

U_S i napięcia wzorcowego U_R jest równoważona za pomocą kompensatora. Nastawy na potencjometrach kompensatora określają dwa błędy przekładnika: błąd napięciowy δθ i błąd kątowy γ.

W układzie kompensacyjno-różnicowym niedokładność pomiaru błędu przekładnika w pierwszym rzędzie zależy od klasy dzielnika napięcia utworzonego z rezystorów R1d i R2d. Udział błędu wnoszonego przez kompensator w układzie o współrzędnych prostokątnych jest znacznie zredukowany ponieważ kompensator mierzy różnicę napięć między napięciem wtórnym U_S przekładnika, a napięciem U_R z dzielnika rezystancyjnego. Niedokładność pomiaru błędu napięciowego przekładnika określa wzór )=±^(kiD_N|)+5=00^.

gdzie: klDN - wskaźnik klasy dzielnika napięcia, klk - wskaźnik klasy kompensatora w układzie współrzędnych prostokątnych, δθ - błąd napięciowy badanego przekładnika. Podobny wzór opisuje niedokładność pomiaru błędu kątowego przekładnika.

Modelowy przekładnik zawiera magnetowód złożony z blach z permaloju P-50 (50%Ni) o grubości 0,2 mm i wykroju M-42. Pakiet blach ma grubość 12 mm, a kolumna środkowa ma powierzchnię s = 144 mm². Napięcia znamionowe przekładnika wynoszą: uzwojenia pierwotnego Upn = 100 V i wtórnego USn = 1 V.

Uzwojenie pierwotne ma Zp = 4000 zwojów a wtórne Zs = 40 zwojów. Między uzwojeniami jest ekran elektrostatyczny, który połączony jest z masą układu i ziemią. Podczas pomiarów przekładnik nie był obciążony. Wyniki pomiarów oraz niedokładności pomiarów podano w tabeli 1.

T a b e l a 1

Lp	Up	δU ± A(ÓU)	γ ± Δ(γ)
V	%	Min
1	20	-0,41 ± 0,01	+ 13,6 ± 0,2
2	40	-0,32 ± 0,01	+8,7 ± 0,1
3	60	-0,29 ± 0,01	+8,4 ± 0,1
4	80	-0,28 ± 0,01	+ 11,1 ± 0,2
5	100	-0,30 ± 0,01	+ 16,4 ± 0,2
6	120	-0,37 ± 0,01	+30,2 ± 0,3
7	140	-0,52 ± 0,01	+47,5 ± 0,5

Wyniki pomiarów błędów napięciowego i kątowego po dołączeniu do przekładnika napięciowego konwertera ujemnej rezystancji zostały zestawione w tabeli 2, przy czym wartość rezystora R1 włączonego w miejsce impedancji Z jest zbliżona do wartości rezystancji uzwojenia pierwotnego Rcul = 1247Ω.

T a b e l a 2

Lp	Up	δU ± A(ÓU)	γ ± Δ(γ)
V	%	Min
1	20	+0,022 ± 0,002	-0,56 ± 0,02
2	40	+0,010 ± 0,002	-0,16 ± 0,02
3	60	+0,010 ± 0,002	-0,04 ± 0,02
4	80	+0,010 ± 0,002	-0,08 ± 0,02
5	100	+0,011 ± 0,002	-0,02 ± 0,02
6	120	+0,013 ± 0,002	-0,01 ± 0,02
7	140	+0,018 ± 0,002	+0,02 ± 0,02

PL 211 473 B1

Natomiast w tabeli 3 przedstawione są wyniki pomiaru błędu napięciowego i kątowego przekładnika z konwertorem ujemnej rezystancji przy założeniu, że temperatura uzwojenia wzrosła o 20°C z dodanym szeregowo do uzwojenia pierwotnego rezystorem R1 o wartości około 100 Ω.

T a b e l a 3

Lp	Up	δυ ± Δ(δυ)	Y ± Δ(Υ)
V	%	Min
1	20	+0,054 ± 0,002	-1,79 ± 0,03
2	40	+0,037 ± 0,002	-0,86 ± 0,02
3	60	+0,028 ± 0,002	-0,66 ± 0,02
4	80	+0,029 ± 0,002	-0,85 ± 0,02
5	100	+0,033 ± 0,002	-1,34 ± 0,03
6	120	+0,039 ± 0,002	-1,88 ± 0,03
7	140	+0,045 ± 0,002	-2,36 ± 0,04

Zastrzeżenia patentowe

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ przekładnika napięciowego wyposażony w transformator, który ma uziemiony zacisk obwodu pierwotnego, znamienny tym, że pomiędzy obwód pierwotny transformatora (T) a uziemienie, jest włączony konwerter ujemnej impedancji (KU) zasilany separowanym galwanicznie zasilaczem (ZS).
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że konwerter ujemnej impedancji (KU) ma wzmacniacz operacyjny (W), którego wejście odwracające jest połączone z zaciskiem obwodu pierwotnego transformatora (T), a wejście nieodwracające jest połączone poprzez element impedancyjny (Z) z uziemieniem, natomiast wyjście wzmacniacza operacyjnego (W) jest połączone poprzez rezystory (R) z wejściem odwracającym oraz z wejściem nieodwracającym.
3. 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy warstwami uzwojenia pierwotnego transformatora (T) jest umieszczony element rezystancyjny włączony jako element impedancyjny (Z).
4. 4. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że elementem rezystancyjnym jest termistor o współczynniku temperaturowym +0,4%/°C.