RO131913B1 - Transformator de curent de bandă largă, cu sensibilitate variabilă în funcţie de frecvenţa semnalului măsurat - Google Patents

Description

Invenția se referă la un transformator de curent de bandă largă, cu sensibilitate variabilă în funcție de frecvența semnalului măsurat, capabil să funcționeze într-o bandă largă de frecvențe de la câțiva Hz până la zeci de MHz, în circuite electrice în care sunt prezenți simultan curenți de joasă frecvență și curenți de înaltă frecvență, respectiv impulsuri de curent cu amplitudini mult diferite.

în numeroase aplicații din electronica de putere, tehnica acceleratoarelor de particule, compatibilitatea electromagnetică, ingineria electrică etc. este necesară măsurarea unor curenți periodici de diferite forme sau frecvențe și a unor impulsuri de curent bipolare sau unipolare cu durate de ordinul ns. De multe ori, semnalele de înaltă frecvență (impulsuri de scurtă durată) care sunt importante pentru stabilirea regimurilor de funcționare ale componentelor de comutație statică sau pentru detectarea descărcărilor electrice parțiale care determină durata de viață a echipamentelor folosite în rețelele electrice de distribuție sau de transport a energiei electrice sunt suprapuse peste un semnal purtător de joasă frecvență (uzual frecvența industrială). Pentru determinarea globală a acestor semnale complexe, sunt folosite în prezent transformatoare de curent de bandă largă (TCBL). TCBL sunt senzori de curent inductivi de tip curent-tensiune, cu miez feri- sau feromagnetic care, printr-o dimensionare specială, în sine cunoscută, pot acoperi o bandă largă de frecvențe de trei până la cel puțin șase decade.

TCBL este realizat în mod obișnuit pe un miez magnetic toroidal în care primarul, de tip monospiră, este conductorul parcurs de curentul de măsurat plasat pe axa toroidului, iar secundarul este o înfășurare distribuită, închisă pe o rezistență fixă, integrată în construcție; acesta se comportă ca un filtru trece-bandă, iar principalele progrese recente sunt legate atât de materialele magnetice utilizate, cât și de metodele folosite pentru extinderea limitei superioare a benzii de frecvență.

Astfel, US 3146417 propune pentru prima dată folosirea unei rezistențe de sarcină repartizate pe înfășurarea secundară. în US 3629693 se prezintă o altă soluție pentru conectarea rezistenței repartizate, iar în US 5764123 se propun circuite de corecție pentru evitarea supracreșterilor la măsurarea impulsurilor cu timpi de creștere foarte mici. Prin aceste metode și altele similare, se obține în practică un TCBL cu sensibilitate constantă în banda de frecvență de funcționare.

în practica inginerească curentă, se întâlnesc numeroase situații în care componenta de joasă frecvență a semnalului complex are o astfel de amplitudine încât conduce la saturația circuitului magnetic și la erori de măsurare în întreaga bandă de frecvență a TCBL, ceea ce face ca acesta să nu poată fi folosit în astfel de cazuri.

Nu este cunoscută o metodă generală pentru eliminarea saturației cauzate de semnale de joasă frecvență, cu menținerea sensibilității nominale a TCBL la frecvențe înalte.

în cele ce urmează, se face o analiză a regimului de funcționare în bandă largă.

Un TCBL este, în principal, caracterizat prin sensibilitatea S care înlocuiește raportul de transformare N de la transformatoarele de curent de joasă frecvență TC. Sensibilitatea S se definește ca raport dintre tensiunea de ieșire pe rezistența de sarcină integrată R₂ și curentul primar, și se exprimă în V/A sau echivalentul în ohmi. La un TCBL de bună calitate, S are o valoare constantă în întreaga bandă de frecvență de măsurare dată în catalog; aceasta se determină la mijlocul benzii de frecvență acolo unde eroarea de fază este zero. După calcule simple, pentru un primar monospiră, se ajunge la relația:

S = R₂/n (1) unde R₂ este reperul 3 în fig. 1, 2, 4, 8 și 9 și n este numărul de spire al înfășurării secundare.

RO 131913 Β1 în afară de S, la TCBL se definesc doi parametri importanți legați de limitarea 1 efectului de saturație magnetică: raportul l/f exprimat în A_vâr/Hz pentru întreg domeniul de frecvențe de lucru, atunci când se măsoară curenți periodici sinusoidali sau nesinusoidali și 3 produsul Ixt exprimat în A-s definit pentru cazul când se măsoară impulsuri de curent unipolare.5

Legea inducției electromagnetice conduce la o relație simplă (de proporționalitate inversă) între valoarea maximă a inducției din circuitul magnetic al TCBL și frecvența 7 semnalului de măsurat:

B_max = K-R₂/f = K-S-n/f(2) unde K este o constantă pentru un circuit magnetic dat.13

Relația arată că inducția este mult mai mare la frecvențe joase decât la frecvențe înalte, motiv pentru care, la un TCBL dat, cu circuit magnetic închis, raportul de amplitudini 15 dintre curentul de impuls și curentul de joasă frecvență poate fi cuprins între 100 și 1000. De exemplu, un TCBL poate măsura impulsuri de înaltă frecvență de 100 kA și curenți de joasă 17 frecvență cu amplitudinea de numai 100 A. Ca urmare, limitele de funcționare liniară fără saturație ale unui TCBL la joasă frecvență sunt destul de restrânse. Prin reducerea 19 sensibilității, scade inducția magnetică în miez și crește raportul l/f, dar, în același timp, se reduce posibilitatea de măsurare a curenților de înaltă frecvență în alte numeroase aplicații. 21 O soluție folosită uzual pentru mărirea raportului l/f este introducerea unui întrefier în circuitul magnetic care conduce la reducerea inducției remanente, liniarizarea 23 caracteristicii de magnetizare însoțită de reducerea efectivă a permeabilității circuitului magnetic. Metoda este eficientă și se aplică la miezurile magnetice din ferită care sunt ușor 25 de secționat fără modificarea proprietăților magnetice (de exemplu, prin tăiere cu jet de apă sub presiune înaltă), însă conduce la micșorarea sensibilității de măsurare cauzată de 27 reducerea permeabilității magnetice echivalente a circuitului magnetic. Această metodă este folosită și la miezurile magnetice realizate din benzi înfășurate din tablă de FeSi pentru TC 29 de joasă frecvență pentru protecția rețelelor electrice. Se poate evita folosirea întrefierului ca în US 4214199, prin conectarea unei inductivități externe la bornele uneia din înfășurările 31 secundare în scopul reducerii fluxului remanent în miezul magnetic și mărirea curentului primar la care apare saturația. Dezavantajul acestei soluții este că acea inductivitate rămâne 33 permanent conectată la TC și modifică parametrii funcționali și erorile de măsurare ale acestuia. 35

Kuraishi et al. propune măsurarea cu TCBL a impulsurilor produse de descărcările parțiale în prezența unor curenți alternativi de joasă frecvență importanți, specifici încercării 37 condensatoarelor de putere, prin crearea unui divizor de curent. Această soluție are dezavantajul că reduce nu numai valoarea curentului de joasă frecvență, dar și valoarea 39 curentului de înaltă frecvență de măsurat (produs în acest caz de descărcările parțiale) ceea ce modifică sensibilitatea nominală a TCBL și este dificil de aplicat în cazul curenților mari 41 de joasă frecvență din cauza dimensiunilor reduse ale TCBL.

Odată cu dezvoltarea și utilizarea pe scară largă la TCBL a materialelor magnetice 43 nanocristaline dedicate folosirii într-un domeniu larg de frecvențe cu pierderi mici, înaltă permeabilitate, inducție remanentă redusă și caracteristică de magnetizare liniară, se poate 45 obține o sensibilitate S constantă a TCBL până la frecvențe de câțiva Hz. în acest caz, datorită dificultăților tehnologice de realizare a unui întrefier, devine și mai importantă găsirea 47 unei soluții pentru reducerea selectivă a sensibilității numai la frecvențe joase.

RO 131913 Β1

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în modificarea sensibilității unui transformator de curent de bandă largă în funcție de frecvența semnalului de măsurat.

Această problemă tehnică se rezolvă printr-un transformator de curent de bandă largă cu sensibilitate variabilă în funcție de frecvența semnalului măsurat care, conform invenției, pentru a măsura curenții din circuitul primar cu frecvențe, forme și amplitudini diferite, fără să se satureze atunci când acești curenți au componente mari de frecvențe joase, conține, conectat la ieșirea acestuia, un circuit dipol cu impedanță dependentă de frecvență, pasiv, care scade sensibilitatea transformatorului de curent la frecvențe joase, iar la frecvențe înalte nu o modifică.

Circuitul dipol cu impedanță dependentă de frecvență are o tipologie de tip R-L prin care se realizează două sensibilități diferite, de valori constante: sensibilitatea la frecvențe joase, și S₂, sensibilitatea la frecvențe înalte, care sunt separate de o sensibilitate S_o de tranziție cu panta de 20 dB/decadă.

Circuitul dipol cu impedanță dependentă de frecvență poate avea și o tipologie de tip RLC prin care se realizează o sensibilitate S_o de tranziție cu panta de 40...60 dB/decadă.

Un transformator de curent cu o impedanță de ieșire standard de 50 Ω mai poate conține o înfășurare secundară suplimentară care se bobinează pe miezul transformatorului, la bornele căreia se conectează circuitul dipol cu impedanță dependentă de frecvență.

Pentru a se păstra construcția standard a unui transformator de curent, se utilizează un conector coaxial de tip T la care se conectează un circuit dipol cu impedanță dependentă de frecvență, transformatorul de curent propriu-zis, și, respectiv, un aparat de vizualizare a semnalului.

Transformatorul de curent de bandă largă conform invenției înlătură dezavantajele prezentate prin faptul că, pentru mărirea valorii raportului l/f la frecvențe joase, dispune de un circuit cu impedanță variabilă în funcție de frecvența semnalului, montat în paralel pe una din ieșirile în tensiune ale TCBL, prin care se reduce sensibilitatea acestuia pentru un domeniu de frecvențe joase prestabilite, astfel încât sensibilitatea sa nominală la frecvențele înalte din domeniul de măsurare al transformatorului să rămână neschimbată.

Prin aplicarea invenției se obțin următoarele avantaje:

- asigură creșterea raportului l/f și, deci, extinderea domeniului de măsurare a curenților de frecvență joasă a unui TCBL oarecare, fără saturație magnetică, în circuitele unde există simultan curenți de înaltă frecvență și curenți mari de joasă frecvență;

- permite utilizarea la orice TCBL comercial sau la orice prototip experimental fără ca structura internă a acestora, electrică sau magnetică, să fie afectată, prin simpla conectare a unei impedanțe variabile cu frecvența la bornele de ieșire;

- realizează o caracteristică de frecvență cu cel puțin două nivele de sensibilitate: redusă la frecvențe joase și egală cu cea nominală la frecvențe înalte;

- impedanța variabilă se poate dimensiona în funcție de necesități pentru mărirea raportului l/f la anumite frecvențe joase existente în circuitele analizate sau pentru o bandă mai largă de frecvențe joase care să permită determinarea armonicelor de curent din spectrul semnalului respectiv;

- folosește o impedanță variabilă pasivă cu rol de filtru de ordinul întâi sau de ordin superior, dacă este necesară, cu o pantă de tăiere mai mare decât 20 dB/decadă;

- se poate aplica pentru utilizarea TCBL în locul unui TC standard de frecvență industrială, având în același timp posibilitatea de a sesiza eventuale perturbații de înaltă frecvență însoțitoare;

- permite realizarea de construcții noi, economice, cu circuite magnetice feri- sau feromagnetice fără întrefier, indiferent de valoarea raportului între inducția remanentă și cea de saturație B/B^;

RO 131913 Β1

- în scopul evitării saturației magnetice, transformatorul de curent este astfel realizat 1 încât raportul său de transformare sau sensibilitatea se modifică automat în funcție de frecvență.3

Se prezintă, în cele ce urmează, exemple de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1...9, care reprezintă:5

- fig. 1, reprezentare schematică a unui TCBL clasic, cu miez magnetic toroidal și înfășurare secundară închisă pe o rezistență de sarcină de valoare redusă;7

- fig. 2, reprezentare schematică a aceluiași TCBL cu înfășurarea secundară închisă pe aceeași rezistență de sarcină de valoare redusă și rezistență adițională, de adaptare, 9 pentru ieșire standard de 50 Ω;

- fig. 3, caracteristici de frecvență tipice ale unor TCBL uzuale;11

- fig. 4, TCBL conform invenției cu o impedanță variabilă cu frecvența montată în paralel cu rezistența de sarcină;13

- fig. 5, schema unei impedanțe variabile cu frecvența conform invenției;

- fig. 6, caracteristica de frecvență rezultantă a TCBL conform invenției;15

- fig. 7, caracteristica de frecvență a impedanței variabile din fig. 5 pentru corecția controlată a caracteristicii de frecvență a unui TCBL din fig. 3;17

- fig. 8, realizarea constructivă a montajului unui TCBL conform invenției;

- fig. 9, TCBL cu înfășurare secundară suplimentară conform invenției, pentru cazul 19 din fig. 2.

în fig. 1 este redată o reprezentare schematică a unui TCBL clasic format din patru 21 elemente constructive: circuitul magnetic 1, înfășurarea secundară 2, rezistența de sarcină integrată 3 și ecranul electrostatic (nefigurat) folosit pentru micșorarea cuplajului capacitiv 23 cu circuitul în care se măsoară curentul reprezentat de înfășurarea primară 4, de obicei monospiră, plasată pe axa toroidului. Curentul de măsurat este de regulă o combinație de 25 componente de joasă și înaltă frecvență, de amplitudini și forme foarte diferite care, atunci când se află în banda de frecvență a TCBL, trebuie măsurate corect. O rezistență de sarcină 27 de valoare mică determină, împreună cu numărul de spire al înfășurării secundare, sensibilitatea TCBL ca un convertor curent-tensiune, așa cum rezultă din relația (1). 29 în fig. 2 se prezintă un TCBL care se deosebește de cel din fig. 1 prin faptul că, la ieșire, are o rezistență adițională 5 aleasă astfel încât rezistența de ieșire a TCBL să fie de 31 50 Ω, valoare standard în circuitele de înaltă frecvență.

în ambele cazuri, circuitul magnetic de înaltă permeabilitate determină comportarea 33 TCBL la joasă frecvență.

în fig. 3 se prezintă caracteristici de frecvență tipice ale unor TCBL. Caracteristica 1 35 este caracteristica unui TCBL performantîn care transformatorul are o sensibilitate constantă în întreaga bandă de frecvență utilă, iar caracteristica 2 este caracteristica unui TCBL folosit 37 în măsurători de compatibilitate electromagnetică, caracterizat de existența a două zone distincte, vizibile, ale caracteristicii de frecvență: zona A, în care sensibilitatea crește cu 39 frecvența, denumită zonă de tensiune, și zona B, în care sensibilitatea rămâne constantă în funcție de frecvență, denumită zonă de curent, așa cum este practic întreaga caracteristică 41

1. Delimitarea dintre cele două zone A și B are loc în punctul care corespunde frecvenței de tăiere inferioară ft a filtrului trece-bandă pe care îl reprezintă TCBL prin schema sa 43 echivalentă. Caracteristicile 1 și 2 sunt în fapt identice fiindcă, în cazul caracteristicii 1, frecvența de tăiere apare la o frecvență foarte joasă. Indiferent de tipul caracteristicii 1 sau 45

2, saturația circuitului magnetic determină valoarea maximă admisă pentru raportul l/f, raport care este echivalent cu valoarea maximă a produsului Ixt pentru impulsuri de curent 47 unipolare deși regimurile de magnetizare sunt diferite.

RO 131913 Β1 în fig. 4 se prezintă un exemplu de realizare a invenției în care un TCBL în sine cunoscut, cu componentele din fig. 1, este înzestrat cu un circuit dipolar 6 montat în paralel cu rezistența de sarcină 3 la ieșirea de tensiune a TCBL, cu rolul de a mări raportul l/f la frecvențe joase, circuit astfel realizat încât să reprezinte o impedanță dependentă de frecvența curentului de măsurat Z(f), dimensionată astfel încât să se comporte pe de o parte rezistiv, într-un domeniu de frecvențe joase prestabilit, și, pe de altă parte, să nu intervină în niciun fel la frecvențele înalte din domeniul de măsurare al TCBL în așa fel încât sensibilitatea sa nominală să rămână neschimbată.

în fig. 5, conform invenției, circuitul 6 este un circuit serie, pasiv, de tip R-L cu o caracteristică de frecvență astfel dimensionată încât circuitul se comportă la frecvențe joase ca o rezistență R_f în paralel cu rezistența de sarcină R₂ a TCBL, ceea ce conduce la reducerea inducției în circuitul magnetic, urmată de o creștere cu 20 dB/decadă a impedanței echivalente până la frecvența de tăiere f_t, când reactanța inductivității L_f devine atât de mare încât nu mai afectează rezistența de sarcină R₂ a TCBL și, ca urmare, sensibilitatea TCBL rămâne cea originală. Aceasta înseamnă că relația (1) devine, conform invenției:

S(f) = [R₂||Z(f)]/n(3) iar relația (2) devine, tot conform invenției:

B_max(f) = K-[R₂||Z(f)]/f(4) în particular, dacă Z(f) = R_f + jo)L_f, la frecvențe joase (pulsația ω = 2-n-f de valoare foarte mică), rezultă |Z(f)| ~ R_f

S, = [R₂| |R_f]/n < S și B_max1 = K-[R₂| |R_f]/f < B_max(5) și la frecvențe înalte (ω de valoare foarte mare), rezultă |Z_f| ~ o)L_f - °°

S₂ = R₂/n = S și B_max2 = KR₂/n = B_max(6)

Conform invenției, cu această simplă topologie R-L din fig. 5 și pe baza relațiilor (3) și (4), se poate obține, automat, o reducere controlată a inducției magnetice și a sensibilității la frecvențe joase, echivalentă cu o creștere similară a raportului l/f a TCBL fără a se modifica sensibilitatea nominală la frecvențe înalte.

în fig. 6 se prezintă caracteristica de frecvență a unui TCBL realizat conform invenției, între cele două zone cu sensibilități diferite S., și S₂ = S există o zonă de tranziție notată S_o, care este parcursă automat în funcție de frecvența semnalului, dependentă de topologia impedanței Z(f). Conform invenției, în funcție de cerințe, această zonă poate fi restrânsă, fără a afecta cele două paliere ale caracteristicii de frecvență, prin adoptarea unei topologii pasive, mai complexe, de tip RLC, în sine cunoscută, pentru care tranziția sensibilității în zona S_o să se facă cu 40...60 dB/decadă în loc de 20 dB/decadă, ca în cazul topologiei R-L.

în continuare, se prezintă un exemplu de calcul al parametrilor R_f și L_f ai impedanței Z(f) din fig. 5, pentru măsurarea fără saturație magnetică cu un TCBL dat, în prezența unor curenți mari cu frecvența de 50 Hz fără afectarea sensibilității nominale la frecvențe peste 10 kHz. Pentru o scădere de 10 ori a sensibilității S.| față de sensibilitatea nominală S₂, conform relațiilor (1) și (5), rezultă:

R_f= (1/9)-R₂

RO 131913 Β1

Inductivitatea L_f se determină punând condiția ca frecvența de tăiere a circuitului R_f-L_f, 1 f_t = R_f/(2nL_f), să fie mult mai mare decât frecvența de 50 Hz a semnalului de măsurat, inclusiv armonicile 3 acestuia, pentru ca noua sensibilitate S., să nu fie afectată de modul de definire a frecvenței de tăiere la nivelul de - 3 dB. O alegere de ordinul 5 f_t > 20-50 Hz = 1000 Hz este considerată satisfăcătoare.7 în fig. 7 se prezintă caracteristica amplitudine - frecvență a impedanței Z(f) pentru exemplul de mai sus.9

La frecvențe mai mari decât f_t, contribuția lui R_f devine tot mai mică datorită lui L_f și sensibilitatea S_o crește cu 20 dB/decadă până la valoarea nominală S₂ la frecvența unde 11 o)L_f = R₂.

în banda de frecvență S₂ intervine numai R₂, ca la TCBL original, fiindcă |Z(f)|13 reprezintă o valoare mult mai mare. De aceea, în această bandă de frecvență, S₂ = S.

Conform invenției și a fig. 8, modificarea sensibilității la frecvențe joase nu afectează 15 construcția TCBL și se poate aplica cu ușurință la orice TCBL comercial, atunci când în aplicația respectivă este necesar, pentru a măsura fără saturație curenți de însoțire de joasă 17 frecvență care depășesc raportul l/f nominal. în acest scop, între ieșirea TCBL și aparatul pentru vizualizarea semnalului 10 (osciloscop/tranzient- recorder), între cablurile coaxiale 8 19 și 9 se montează un conector 7 de tip T la care se conectează, în funcție de necesități, circuitul 6 care conține impedanța Z(f), dimensionată conform cerințelor. Folosirea 21 conectorului T permite fie obținerea caracteristicii de frecvență cu două sensibilități (S! și

S₂ = S), fie folosirea caracteristicii originale cu sensibilitatea S prin eliminarea circuitului 6. 23 în fig. 9 se prezintă un exemplu de aplicare a invenției în cazul unui TCBL realizat conform fig. 2, la care rezistența de ieșire este de 50 Ω. Deoarece, în acest caz, șuntarea 25 rezistenței de sarcină R₂ în funcție de frecvență nu se poate realiza, se folosește o înfășurare suplimentară 11 la bornele căreia se conectează impedanța variabilă cu frecvența Z(f). 27

Această soluție este ușor de aplicat deoarece numărul de spire al înfășurării suplimentare este mic, iar realizarea înfășurării peste ecranul electrostatic al TCBL nu împiedică 29 pătrunderea fluxului magnetic de reacție produs de înfășurarea secundară suplimentară în circuitul magnetic al TCBL. 31

Claims (5)

Revendicări

1. Transformator de curent de bandă largă cu sensibilitate variabilă în funcție de frecvența semnalului măsurat, caracterizat prin aceea că, pentru a măsura curenții din circuitul primar cu frecvențe, forme și amplitudini diferite, fără să se satureze atunci când acești curenți au componente mari de frecvențe joase, conține, conectat la ieșirea acestuia, un circuit (6) dipol cu impedanță dependentă de frecvență, pasiv, care scade sensibilitatea transformatorului de curent la frecvențe joase, iar la frecvențe înalte nu o modifică.

2. Transformator, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că circuitul (6) dipol cu impedanță dependentă de frecvență are o tipologie de tip R-L prin care se realizează două sensibilități diferite, de valori constante: sensibilitatea la frecvențe joase, și S₂, sensibilitatea la frecvențe înalte, care sunt separate de o sensibilitate S_o de tranziție cu panta de 20 dB/decadă.

3. Transformator, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că circuitul (6) dipol cu impedanță dependentă de frecvență are o tipologie de tip RLC prin care se realizează o sensibilitate S_o de tranziție cu panta de 40...60 dB/decadă.

4. Transformator, conform revendicării 1, caracterizat prin acea că, pentru un transformator de curent cu o impedanță de ieșire standard de 50 Ω, mai conține o înfășurare (11) secundară suplimentară care se bobinează pe miezul transformatorului, la bornele căreia se conectează circuitul (6) dipol cu impedanță dependentă de frecvență.

5. Transformator de curent de bandă largă cu sensibilitate variabilă în funcție de frecvența semnalului măsurat, caracterizat prin aceea că, pentru a păstra construcția standard a transformatorului de curent, conține un conector (7) coaxial de tip T la care se conectează circuitul (6) dipol cu impedanță dependentă de frecvență și transformatorul de curent propriu-zis, și respectiv, un aparat (10) de vizualizare a semnalului.