RU205325U1 - Устройство для измерения тока с защитой от перегрузок - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и содержит элементы защиты частей измерительных приборов от перегрузки.В качестве полезной модели предлагается устройство для измерения тока с защитой от перегрузок, включающее средство ввода измеряемого тока, полевой транзистор, резистор-датчик тока, преобразующий элемент, конденсатор, резистор, оптрон и средство измерения тока. Указанные элементы расположены в измерительном контуре так, что сток транзистора подключается к средству ввода измеряемого тока, исток транзистора подключается к первому выводу резистора-датчика тока, второй вывод резистора-датчика тока подключен к первому выводу преобразующего элемента, второй вывод преобразующего элемента подключен к средству ввода измеряемого тока, первые выводы конденсатора, резистора и оптрона подключены к соединению резистора-датчика тока и преобразующего элемента, а их вторые выводы подключены к затвору полевого транзистора, третий вывод оптрона выполнен с возможностью связи с удаленным устройством управления, а третий вывод преобразующего элемента связан со средством измерения тока. Полевой транзистор имеет индуцированный канал и работает в режиме обогащения. Удаленное устройство управления представляет собой генератор тока или цифроаналоговый преобразователь с токовым выходом.Разработанное устройство предохраняет структурные элементы измерительной цепи и преобразующий элемент от выхода из строя при перегрузках по току, вызванных, например, пробоем или коротким замыканием, путем перехода в режим ограничения тока за очень короткое время (порядка десятков наносекунд), а также позволяет оперативно управлять порогом ограничения тока. Технический результат заключается в повышении надежности измерения тока.Данная полезная модель может быть использована для создания измерительных цепей высоковольтного энергетического оборудования или экспериментальных электрофизических установок, находящихся под высоким потенциалом.

Description

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и содержит элементы защиты частей измерительных приборов от перегрузки. Данная полезная модель может быть использована для создания измерительных цепей как экспериментальных электрофизических установок, находящихся под высоким потенциалом, так и энергетического оборудования - распределительных устройств, электродвигателей.

В настоящее время часто встречающаяся задача измерения тока, протекающего по проводнику, находящемуся под высоким потенциалом, решается, как правило, с помощью преобразования измеряемого тока в электромагнитные колебания радио- и оптического диапазона с тем или иным методом модуляции на стороне высокого потенциала, и их передачу к низкому потенциалу через свободное пространство либо разнообразные волноводы, включая оптические волокна.

Например, известно устройство измерения тока и напряжения в высоковольтной сети (патент на полезную модель № RU 166063), содержащее первичные масштабные преобразователи тока и напряжения, аналогово-цифровые преобразователи, световоды для передачи сигналов об измеренном токе и напряжении, приемное устройство, причем аналого-цифровой преобразователь с оптическим выходом для сигнала тока находится на стороне высокого потенциала и питается от быстронасыщающегося трансформатора тока, а аналого-цифровой преобразователь с оптическим выходом для сигнала напряжения находится на стороне низкого потенциала и питается от внешнего источника питания. Однако данное устройство обладает рядом существенных недостатков, которые препятствуют его применению в электрофизических установках, и имеет ограничения в случае значительного отклонения величины тока от номинального значения. Для электрофизических установок характерно быстрое изменение величины тока в широких пределах, что делает затруднительным питание аналогово-цифрового преобразователя заявленным способом в практических условиях, а также устройство не может функционировать при сбросе нагрузки и коротких замыканиях в нагрузке. Кроме того, быстродействующие аналогово-цифровые преобразователи потребляют значительную мощность, и весьма затруднительно обеспечить приемлемый тепловой режим устройства, находящегося под высоким потенциалом, его экранировку от внешних быстропеременных полей.

Также известен гальванически развязанный преобразователь токового сигнала в напряжение (патент на полезную модель № RU 184807), реализованный на транзисторных оптронах общего применения и не имеющий активных элементов со стороны входа. Данное устройство непосредственно использует для возбуждения преобразующего элемента - светодиода - ток, протекающий в контролируемой цепи. Однако, возлагая проблему питания преобразующего элемента на внешнюю цепь, данное решение не предусматривает элементов защиты от повреждения экстратоком. Для обеспечения оптимальных метрологических характеристик принято выбирать режим преобразующего элемента так, чтобы при величине измеряемого тока, соответствующей верхнему пределу шкалы, через преобразующий элемент проходил предельно допустимый ток (соответствующий заданному времени наработки прибора и/или линейности преобразования). Поскольку эксплуатация оборудования в реальных условиях неизбежно сопряжена с нештатными ситуациями типа пробоев и коротких замыканий, появляется необходимость сохранить преобразующий элемент в условиях, когда величина измеряемого тока существенно превышает номинальное значение.

Известно другое оптоэлектронное устройство измерения высокочастотного напряжения на высоковольтных вводах (патент на изобретение № RU 2445637), где параллельно подключены электрооптическая ячейка и дополнительно введенные разрядник с варистором. Однако при пробое или коротком замыкании вследствие низкого импеданса шунтирующего разрядника во входной цепи будет возникать экстраток, способный разрушать элементы конструкции и подводящие проводники. То есть, действием шунтовой защиты можно спасти некоторый элемент, но не все устройство в целом. Например, в электрофизической установке могут разрушаться структуры измерительных зондов, а в энергетическом оборудовании - обмотки трансформатора тока. Это приводит как к прямым потерям в связи с заменой оборудования, так и косвенным потерям, связанным со временем на простой при ремонте.

В качестве прототипа настоящей полезной модели принята схема обнаружения различных значений напряжения на базе оптрона (патент на изобретение № RU 2499266, фиг. 2), содержащая преобразующий элемент - оптрон и транзистор, установленные таким образом, чтобы в ответ на подачу входного напряжения устанавливался ток на допустимом уровне. Полевой транзистор со встроенным (собственным) каналом, работающий в режиме обеднения и имеющий в истоковой цепи резистор-датчик тока, включен в разрыв цепи тока, возбуждающего преобразующий элемент - оптрон. Благодаря встроенному каналу транзистор изначально находится в проводящем состоянии, а по достижении током значения, вызывающего на резисторе определенное падение напряжения, транзистор начинает закрываться и переходит в насыщенное состояние, не позволяя дальнейшего увеличения тока через цепь преобразующего элемента, чем и решается задача сохранения структурной целостности преобразующего элемента и элементов конструкции.

Однако, такое решение недостаточно, так как цепь остается замкнутой и воздействие предельного тока на преобразующий элемент продолжается независимо от времени, даже когда измерения не производятся, следовательно, преобразующий элемент и иные структурные элементы цепи могут быть повреждены током большой длительности вследствие перегрева. Кроме того, имеющееся решение не позволяет оперативно управлять порогом ограничения тока, т.к. не имеет для этого никаких средств, что необходимо, например, в меняющихся условиях эксперимента на электрофизических установках. К тому же полевые транзисторы со встроенным (собственным) каналом имеют ограниченную номенклатуру, что затрудняет практическую реализацию конструкции в рамках указанного решения.

Таким образом, задачей была разработка устройства для измерения тока, предохраняющего структурные элементы измерительной цепи и преобразующий элемент от выхода из строя при перегрузках по току, вызванных, например, пробоем или коротким замыканием в измерительном промежутке, путем перехода в режим ограничения тока за очень короткое время (порядка десятков наносекунд), а также позволяющего оперативно управлять порогом ограничения тока.

Поставленная задача решается тем, что предлагается устройство для измерения тока с защитой от перегрузок, включающее средство ввода измеряемого тока, полевой транзистор, резистор-датчик тока, преобразующий элемент, конденсатор, резистор, оптрон и средство измерения тока. Указанные элементы расположены в измерительном контуре так, что сток транзистора подключается к средству ввода измеряемого тока, исток транзистора подключается к первому выводу резистора-датчика тока, второй вывод резистора-датчика тока подключен к первому выводу преобразующего элемента, второй вывод преобразующего элемента подключен к средству ввода измеряемого тока, первые выводы конденсатора, резистора и оптрона подключены к соединению резистора-датчика тока и преобразующего элемента, а их вторые выводы подключены к затвору полевого транзистора, третий вывод оптрона выполнен с возможностью связи с удаленным устройством управления, а третий вывод преобразующего элемента связан со средством измерения тока. Полевой транзистор имеет индуцированный канал и работает в режиме обогащения. Удаленное устройство управления представляет собой генератор тока или цифроаналоговый преобразователь с токовым выходом.

Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в повышении надежности измерения тока.

Схема устройства для измерения тока с защитой от перегрузок приведена на Фиг. 1, где:

1 - полевой транзистор с индуцированным (наведенным) каналом;

2 - резистор-датчик тока;

3 - конденсатор;

4 - резистор;

5 - оптрон;

6 - преобразующий элемент;

7 - средство измерения тока.

Устройство работает следующим образом.

Средство ввода измеряемого тока (на Фиг. 1 обозначено как «вход») обеспечивает подключение схемы к источнику измеряемого тока, а транзистор 1 включается последовательно в контур между средством ввода измеряемого тока и преобразующим элементом 6. В начальном состоянии ток накачки оптрона 5 от удаленного устройства управления отсутствует, транзистор 1 закрыт, цепь контура разомкнута. В этом состоянии проводятся подготовительные процедуры включения установки, первоначальная коммутация энергетического оборудования. Когда удаленное устройство управления подает ток накачки, на выходе оптрона 5 появляется пропорциональный ток, вызывающий падение напряжения на резисторе 4, задающем управляющее напряжение для транзистора. Это же напряжение, приложенное к затвору транзистора 1, открывает его, чем замыкается цепь контура измеряемого тока. Из свойств полевых транзисторов известно, что при небольших токах он ведет себя как резистор с малым сопротивлением. По мере увеличения тока в измерительной цепи растет падение напряжения на резисторе-датчике тока 2. Поскольку это напряжение эффективно уменьшает открывающее напряжение на затворе транзистора 1, то при достижении некоторого значения тока напряжение на затворе становится близким к пороговому, и транзистор 1 переходит в режим генератора тока. Дальнейшего увеличения тока в цепи не происходит, чем и обусловлено действие защиты. Излишек напряжения в цепи контура измерительного тока выделяется на стоке транзистора 1. Поскольку современные МОП-транзисторы имеют существенные внутренние паразитные емкости, быстродействие цепи защиты определяется, в первую очередь, эффектом Миллера. Для уменьшения вклада упомянутого эффекта и повышения быстродействия защиты, цепь затвора транзистора 1 шунтирована конденсатором 3. Величина емкости конденсатора 3 выбирается из условия снижения влияния эффекта Миллера на скорость срабатывания защиты. Транзистор 1 включается в разрыв защищаемой цепи измеряемого тока, и в случае перегрузки по току ограничивает его. Таким образом, ток, проходящий через преобразующий элемент 6, при малых значениях зависит только от внешнего источника, а при достижении током предельной величины, заданной дистанционно, ток изменяться перестает, не позволяя элементам цепи и преобразующему элементу 6 выйти из строя. Сигнал, пропорциональный входному току, поступает на средство измерения тока 7.

Уровень накачки оптрона 5 регулируется удаленным устройством управления в пропорциональном режиме (аналоговый режим), что позволяет дистанционно изменять величину тока ограничения.

В качестве удаленного устройства управления может использоваться генератор тока или цифроаналоговый преобразователь с токовым выходом.

В качестве преобразующего элемента 6 может выступать как интегральный оптрон (описанный в прототипе), так и преобразователь тока с оптоволоконной развязкой, описанный в работе [Смолина Е.В. Быстродействующий преобразователь тока с оптоволоконной развязкой. Приборы и техника эксперимента, 2019 год, №6, стр. 46-48].

Следует отметить, что, в отличие от прототипа, предлагаемое решение базируется на стандартном современном полевом транзисторе с индуцированным (наведенным) каналом, который позволяет устанавливать ограничение тока в широких пределах с высокой скоростью срабатывания и имеет широчайшую номенклатуру; управляющее напряжение на затворе транзистора генерируется дистанционно управляемым оптроном; цепь управления транзистором оптимизирована выбором величины емкости конденсатора, чем достигается минимальное время перехода транзистора в насыщенное состояние.

Заявленное устройство для измерения тока с защитой от перегрузок было реализовано на практике в ИЛФ СО РАН в составе электрофизической установки КИ-1, работающей в области физики плазмы. Указанное устройство позволило проводить реальные измерения при высоком напряжении, в условиях наличия газовых пробоев в электродной структуре зонда Ленгмюра, обеспечив сохранность элементов цепи и преобразующего элемента.

Таким образом, предлагаемое устройство является надежным измерителем тока в проводнике, так как обладает высоким быстродействием и защищено от перегрузок, неизбежных в реальных условиях эксплуатации. Может применяться в физике и технике, например, в электрофизических установках и в системах измерения постоянного и импульсного токов в составе тока высоковольтного энергетического оборудования.

Claims (4)

1. Устройство для измерения тока с защитой от перегрузок, включающее средство ввода измеряемого тока, полевой транзистор, резистор-датчик тока и преобразующий элемент, расположенные в измерительном контуре так, что сток транзистора подключается к средству ввода измеряемого тока, исток транзистора подключается к первому выводу резистора-датчика тока, второй вывод резистора-датчика тока подключен к первому выводу преобразующего элемента, второй вывод преобразующего элемента подключен к средству ввода измеряемого тока, отличающееся тем, что устройство содержит конденсатор, резистор, оптрон и средство измерения тока; причем конденсатор, резистор и оптрон включены в цепь так, что их первые выводы подключены к соединению резистора-датчика тока и преобразующего элемента, а их вторые выводы подключены к затвору полевого транзистора, третий вывод оптрона выполнен с возможностью связи с удаленным устройством управления, таким как генератор тока или цифроаналоговый преобразователь с токовым выходом, третий вывод преобразующего элемента связан со средством измерения тока, причем полевой транзистор имеет индуцированный канал и работает в режиме обогащения.

2. Устройство для измерения тока с защитой от перегрузок по п.1, отличающееся тем, что конденсатор выбирается из условия снижения влияния эффекта Миллера на скорость срабатывания защиты.

3. Устройство для измерения тока с защитой от перегрузок по п.1, отличающееся тем, что резистор задает управляющее напряжение для полевого транзистора.

4. Устройство для измерения тока с защитой от перегрузок по п.1, отличающееся тем, что в качестве преобразующего элемента используется преобразователь тока с оптоволоконной развязкой.

Images