PL225077B1 - Przetwornik prądowo-napięciowy - Google Patents

Abstract

Przetwornik prądowo - napięciowy wykonany w technologii obwodów drukowanych w postaci cewki Rogowskiego zawiera n kluczy prądowych, od (K1) do (Kn), zwierających grupy zwojów znajdujące się na wielowarstwowych płytkach drukowanych (GZ1) do (GZn), przy czym n jest liczbą całkowitą równą lub większą od 1.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przetwornik prądowo-napięciowy pracujący na zasadzie cewki Rogowskiego, zwłaszcza do pomiaru prądów w liniach energetycznych w zakresie częstotliwości, na których odbywa się transmisja danych w technologii PLC.

Mianem PLC (ang. Power Line Communication) nazywa się technologie wykorzystujące linie energetyczne do transmisji danych. Linie energetyczne pełnią rolę medium transmisyjnego dla sygnałów o częstotliwościach nośnych od kilku kHz do kilkudziesięciu MHz modulowanych danymi informacyjnymi w różny sposób w zależności od użytej technologii PLC. Technologie PLC dzieli się na wąskopasmowe oraz szerokopasmowe. Wśród wąskopasmowych technologii PLC wyróżnia się technologie o małych prędkościach transmisji wykorzystujące częstotliwości nośne o wartości od 9 do 148,5 kHz oraz technologie o dużych prędkościach transmisji wykorzystujące częstotliwości nośne w zakresie 9-500 kHz.

Szerokopasmowe technologie PLC wykorzystują sygnały nośne o częstotliwościach powyżej

MHz, w zakresie od 1,5 MHz do 50 MHz.

Niezawodność transmisji danych w technologiach PLC zależy w dużym stopniu od poziomu sygnałów zakłócających w paśmie wykorzystywanym do przesyłania danych. Pasmo to jest skupione wokół częstotliwości 60-76 kHz (dla standardu S-FSK) i wokół częstotliwości 35-90 kHz (dla standardu PRIME i G3) dla wąskopasmowej technologii PLC oraz wokół częstotliwości 2-30 MHz dla szerokopasmowej technologii PLC.

Sygnały nośne transmisji danych w technologii PLC wykorzystujące linie energetyczne, charakteryzują się dużo niższym poziomem niż napięcie oraz prąd o częstotliwości podstawowej sieci 50 Hz lub 60 Hz. Sygnały te mogą być zakłócone przez przebiegi o poziomie wielokrotnie niższym niż napięcie o częstotliwości podstawowej sieci, leżące w paśmie transmisji danych w technologii PLC. Do detekcji sygnałów zakłócających należy użyć układów o selektywnej charakterystyce częstotliwościowej sygnału wyjściowego w zależności od wartości mierzonego prądu, zwłaszcza takich, które charakteryzują się dużo większym tłumieniem dla sygnałów o częstotliwości 50 Hz lub 60 Hz niż dla sygnałów o częstotliwości powyżej kilku kHz.

Transformatorowe przekładniki prądowe, które są używane w energetyce do pomiaru prądów, nie nadają się do pomiaru sygnałów o częstotliwości powyżej 9 kHz z kilku powodów. Po pierwsze pasmo ich pracy nie obejmuje częstotliwości powyżej 9 kHz. Po drugie na ich wyjściu pojawia się sygnał prądowy o dużym poziomie i częstotliwości podstawowej sieci.

Inne układy do pomiaru prądu, jak na przykład czujniki Halla, nie posiadają selektywnej charakterystyki częstotliwościowej. Na wyjściu czujnika Halla sygnał pomiarowy częstotliwości nośnej transmisji danych w technologii PLC jest nałożony na sygnał o częstotliwości podstawowej sieci.

Znane przetworniki prądowo-napięciowe pracujące na zasadzie cewki Rogowskiego nie mają możliwości zmiany częstotliwości rezonansowej, a przez to mogą być wykorzystywane do pomiaru prądów jedynie w wąskim zakresie częstotliwości transmisji danych w technologii PLC. Konstrukcja tych przetworników jest opracowana tak, aby zmniejszyć zakłócenia i szumy na wyjściu przetwornika, jak przedstawiono w amerykańskim opisie patentowym nr US 20080106253.

Inne rozwiązanie przetwornika prądowo-napięciowego pracującego na zasadzie cewki Rogowskiego znane z opisu patentowego nr US 20060220774 dotyczy cewki Rogowskiego wykonanej w technologii obwodów drukowanych, przy czym konstrukcja cewki zapewnia precyzyjną kompensację wpływu zewnętrznych pól magnetycznych na pomiar prądu, natomiast nie zapewnia możliwości przestrajania częstotliwości rezonansowej w zakresie transmisji danych w technologii PLC.

Z kolei opis patentowy US 20060176140 przedstawia konstrukcję cewki Rogowskiego umożliwiającą jej precyzyjne wykonanie, a tym samym osiągnięcie powtarzalności parametrów elektrycznych. Wadą jest natomiast wąskie pasmo rezonansowe.

Znana jest ze zgłoszenia P.398526 konstrukcja cewki umożliwiającej uzyskanie wysokiej powtarzalności parametrów. Ze zgłoszenia P.398525 znana jest konstrukcja eliminująca wpływ temperatury na dokładność pomiaru. Jednak żaden ze zgłoszonych wynalazków nie umożliwia selektywnego pomiaru prądu w regulowanym zakresie częstotliwości.

Przetwornik prądowo-napięciowy według wynalazku jest zbudowany w postaci cewki Rogowskiego wyposażonej w układ zwierania przynajmniej jednego zwoju uzwojenia wtórnego cewki. Cewka Rogowskiego wykonana w technologii wielowarstwowych obwodów drukowanych jest transformatorem bezrdzeniowym, w którym przewód z mierzonym prądem tworzy obwód pierwotny, a obwód wtórPL 225 077 B1 ny tworzy szereg zwojów w postaci druku na płytkach wielowarstwowych umieszczonych wokół uzwojenia pierwotnego.

Przetwornik prądowo-napięciowy zawiera n kluczy prądowych, zwierających grupy zwojów znajdujące się na wielowarstwowych płytkach drukowanych, przy czym n jest liczbą całkowitą równą lub większą od 1.

Napięcie wyjściowe na wyjściu cewki jest proporcjonalne do pochodnej prądu płynącego w obwodzie pierwotnym.

Amplitudowa charakterystyka częstotliwościowa współczynnika przetwarzania przetwornika, definiowanego jako stosunek wartości RMS napięcia na wyjściu przetwornika do wartości RMS prądu sinusoidalnego w obwodzie pierwotnym, rośnie liniowo wraz ze wzrostem częstotliwości prądu wykazując w pewnym zakresie charakter rezonansowy. Powyżej rezonansu częstotliwościowa charakterystyka amplitudowa zaczyna spadać. Wartość częstotliwości fr, dla której współczynnik przetwarzania ma wartość maksymalną wyraża się prostą zależnością (1) gdzie L jest indukcyjnością własną cewki a C pojemnością międzyzwojową.

Cewka Rogowskiego nie posiada rdzenia magnetycznego, stąd jej współczynnik przetwarzania ma wartość maksymalną dla częstotliwości znacznie powyżej 1 kHz. Największy poziom sygnału wyjściowego cewki Rogowskiego uzyskuje się dla częstotliwości f_r. Poniżej oraz powyżej tej częstotliwości sygnał wyjściowy słabnie. Właściwości rezonansowe cewki Rogowskiego powodują, że nadaje się ona do pomiaru, w wąskim zakresie częstotliwości, prądu sinusoidalnego nałożonego na prąd o dużej wartości, lecz paśmie leżącym znacznie poniżej częstotliwości rezonansowej cewki. Taka sytuacja występuje dla transmisji danych w technologii PLC. Ponieważ zakres częstotliwości nośnych dla transmisji danych w technologii PLC jest szeroki, trudno jest za pomocą jednej cewki Rogowskiego zmierzyć, czy w przewodzie energetycznym płyną prądy zakłócające o częstotliwościach leżących w całym paśmie transmisji danych w technologii PLC lub w znacznej jego części.

Układ zwierania przynajmniej jednego zwoju uzwojenia wtórnego cewki służy do przestrajania cewki, dzięki czemu jest możliwa zmiana jej częstotliwości rezonansowej f_r, a tym samym zmiana częstotliwości, dla których poziom sygnału osiąga maksimum.

Indukcyjność własna cewki Rogowskiego, L, zależy w przybliżeniu w sposób kwadratowy od liczby zwojów cewki. Z kolei pojemność międzyzwojowa nie wykazuje dużych zmian w zależności od liczby zwojów. Zwieranie jednego lub więcej zwojów cewki Rogowskiego powoduje zmianę jej indukcyjności własnej L oraz niewielką zmianę pojemności międzyzwojowej C. Zmiana indukcyjności własnej L i pojemności międzyzwojowej C powoduje, zgodnie z wyrażeniem (1), zmianę częstotliwości fr, dla której współczynnik przetwarzania przyjmuje wartość maksymalną. Przez zwieranie zwojów cewki Rogowskiego można za pomocą jednej cewki mierzyć sygnały prądowe leżące w całym paśmie częstotliwości transmisji danych w technologii PLC lub w znacznej jego części.

Zaletą układu według wynalazku jest możliwość pomiaru, za pomocą pojedynczego przetwornika, sygnałów w szerokim paśmie częstotliwości obejmującym zakres częstotliwości nośnych wąskopasmowej transmisji danych w technologii PLC.

Przetwornik według wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku w postaci schematu ideowego.

Przetwornik wykonany w technologii obwodów drukowanych zawiera 16 grup zwojów rozłożonych wokół przewodu z mierzonym prądem I oraz układ kluczy K1, K2, K3 ... Kn zwierających n grup zwojów.

Dla kluczy K1, K2, K3 ... Kn otwartych częstotliwość rezonansowa cewki jest równa:

gdzie L1 jest indukcyjnością własną cewki, a C1 jest pojemnością międzyzwojową przy 16 grupach zwojów.

Po zwarciu klucza K1 cewka zawiera 15 grup zwojów, a ponieważ jej indukcyjność własna jest proporcjonalna do kwadratu liczby zwojów, nowa wartość indukcyjności własnej osiągnie wartość (15/16 )L₁. Częstotliwość rezonansowa f_r zwiększy się o ok. 6%. Zwierając kolejny klucz K2 powodujemy zwiększenie częstotliwości rezonansowej przetwornika o ok. 7%. Zwierając kolejno klucz K3

PL 225 077 B1 zwiększa się częstotliwość rezonansową cewki o 7,7%. Zwierając osiem kluczy zwiększamy częstotliwość rezonansową cewki około 4 razy.

W ten sposób za pomocą jednej cewki można zmierzyć wartości prądów o częstotliwościach leżących w dużej części pasma wąskopasmowej technologii PLC.

Claims (1)

1. Przetwornik prądowo-napięciowy wykonany w technologii obwodów drukowanych w postaci cewki Rogowskiego, znamienny tym, że zawiera n kluczy prądowych, od (K1) do (Kn), zwierających grupy zwojów znajdujące się na wielowarstwowych płytkach drukowanych (GZ1) do (GZn), przy czym n jest liczbą całkowitą równą lub większą od 1.