Материалы сайта
Это интересно
Разработка тиристорного преобразователя
2.4 Датчики тока Для получения информации о состоянии параметров объекта регулирования применяются датчики. Основная задача датчика выдавать информацию о каком- либо параметре объекта в форме удобной для дальнейшей обработки. Основное требование, предъявляемое к датчику - стабильность его характеристик в рабочем режиме, ибо при непредсказуемом изменении параметров датчика происходит значительное снижение точности регулирования, либо процесс регулирования становится совсем невозможным. Кроме того, большое внимание уделяется линейности передаточной характеристика датчика, так как при выполнении этого условия значительно облегчается процесс преобразования сигнала, получаемого с датчика. В преобразовательной технике широко используются датчики тока как для построения устройств защиты преобразователя, так и для замкнутых систем автоматического регулирования, в которых основным регулируемым параметром является значение тока нагрузки. Рассмотрим основные виды датчиков тока применяемых в вентильных преобразователях. 2.4.1 Датчик тока на основе шунта Схема включения шунта представлена на рис. 47. Рис. 47. Датчик тока на основе шунта Падение напряжения на шунте определяется по закону Ома: [pic], где Id - ток, текущий через шунт; Rш - сопротивление шунта. Коэффициент передачи шунтового датчика тока: [pic]. Из полученной формулы следует, что коэффициент передачи датчика тем выше, чем выше сопротивление шунта, но с энергетической точки зрения большое сопротивление шунта невыгодно из-за больших потерь мощности. Стандартные шунты имеют нормированный выходной сигнал при номинальном токе равный 75 мВ. На практике часто необходимо гальваническое разделение силовых цепей и цепей управления в этом случае датчик тока значительно усложняется. С целью гальванической развязки применяют оптопары, однако в режиме пропорциональной передачи оптопара имеет большую нестабильность коэффициента передачи (например, при изменении температуры), поэтому для построения датчиков на основе оптронов применяют дифференциальные оптроны, то есть оптроны, выполненные в одном корпусе с взаимной температурной компенсацией. Для повышения стабильности оптронную пару используют в ключевом режиме, то есть в режиме насыщения или отсечки, а сам преобразователь выполняют по принципу широтно-импульсной модуляции сигнала. 2.4.2 Датчики тока на основе трансформатора переменного тока (ТА) Для измерения значения переменного тока необходим трансформатор переменного тока. Отличие трансформатора тока (ТА) от трансформатора напряжения (TV) заключается в режиме использования. Трансформатор напряжения должен питаться от источника ЭДС, а трансформатор тока от источника тока, следовательно, трансформатор напряжения является источником напряжения, а трансформатор тока - источником тока. Исходя из допустимых условий работы источника тока и источника напряжения следует, что трансформатор напряжения не допускает коротких замыканий, а трансформатор тока не допускает режима холостого хода. Обозначение трансформатора тока и трансформатора напряжения приведено на рис. 48. Рис. 48. Трансформаторы тока (а) и напряжения (б) Для трансформатора тока справедлив принцип ампер-витков, вытекающий из закона полного тока: [pic], где I1 - ток первичной обмотки трансформатора, I2 - ток вторичной обмотки трансформатора, I( - намагничивающий ток трансформатора, w1 - число витков первичной обмотки трансформатора, w2 - число витков вторичной обмотки трансформатора, F - намагничивающая сила сердечника трансформатора. Схема замещения трансформатора тока показана на рис. 49. Рис. 49. Схема замещения трансформатора Исходя из того, что питание трансформатора тока осуществляется от источника тока, то можно в схеме замещения пренебречь сопротивлением и индуктивностью рассеяния первичной обмотки трансформатора, тогда мы получим упрощенную схему замещения трансформатора тока рис. 50. Рис. 50. Упрощенная схема замещения трансформатора тока При конструировании трансформатора тока выбирают ферромагнитный сердечник, числа витков, электромагнитную индукцию таким образом, чтобы выполнялось условие: [pic]. Тогда величиной МДС (F) можно пренебречь, поэтому [pic], отсюда [pic], где kт - коэффициент трансформации. Напряжение на нагрузке определяется по закону Ома: [pic]. Погрешность трансформаторного датчика тока Физически погрешность датчика тока на основе ТА определяется величиной тока намагничивания (намагничивающей силой F, которая должна быть мала). Из закона электромагнитной индукции следует: [pic], где L( - индуктивность цепи намагничивания трансформатора, зависящая от числа витков обмоток, материала и габаритов сердечника трансформатора), U( - напряжение приведенное к цепи намагничивания. Из приведенного выражения следует, что значение намагничивающего тока зависит от параметров самого трансформатора тока, а также от величины напряжения намагничивания [pic]. Из выражения для U( следует, что при заданных параметрах трансформатора тока значение напряжения U(, влияющего на погрешность, можно менять с помощью сопротивления Rн. При уменьшении Rн повышается точность датчика тока, но одновременно уменьшается величина полезного сигнала, снимаемого с сопротивления нагрузки, поэтому необходимо выбирать Rн таким, чтобы по возможности обеспечивалась высокая точность датчика и необходимая величина полезного сигнала. Особенности построения трансформаторных датчиков тока вентильных преобразователей (ВП) Для симметричных ВП наиболее целесообразно включать трансформатор тока в цепь переменного тока рис. 51. Рис. 51. Включение датчика тока в симметричных ВП Для несимметричных и симметричных схем с обратным вентилем датчик тока нельзя включать на стороне переменного тока, так как при наличии индуктивности в цепи нагрузки трансформатор тока вносить большую погрешность, ввиду неполной величины протекающего через него тока нагрузки. Тем не менее при работе на чисто активную нагрузку, применение датчика тока на стороне переменного тока вполне реально. Для несимметричных мостовых выпрямителей применяют трансформатор тока с двумя первичными обмотками, которые включают непосредственно в разрыв вентильных цепей рис. 52. Рис. 52. Схема включения трансформатора тока с двумя первичными обмотками в однофазную мостовую схему Для симметричных трехфазных преобразователей также допустимо включение трансформатора тока на сторону переменного напряжения. С целью полного контроля тока трехфазного ВП применяют три или два трансформатора тока. Иногда можно применять только один датчик тока в случае полной симметрии трехфазного выпрямителя. Схема включения датчика тока в трехфазный несимметричный мостовой выпрямитель показана на рис. 53. Рис. 53. Включение датчика тока в трехфазный несимметричный мостовой выпрямитель Намагничивание трансформатора тока в данной схеме несимметричное из-за разной длительности импульсов прямого и обратного тока. Так как трансформатор тока, согласно закона электромагнитной индукции, не позволяет учитывать постоянную составляющую то необходимо использование искусственных мер, дающих возможность решить данную проблему. В схеме рис. 53 учет постоянной составляющей достигается нарушением симметрии диодного моста при помощи резистора Rд. Повышение точности трансформаторного датчика тока с помощью транзисторов Для повышения точности трансформаторного датчика используются транзисторы в качестве преобразователей тока в напряжение. Для обеспечения стабильного преобразования тока в напряжение применяется схема включения транзистора с общей базой. Подобная схема представлена на рис. 54. Рис. 54. Применение транзистора, включенного по схеме с общей базой для повышения точности датчика тока. Транзистор VT1 позволяет значительно уменьшить погрешность датчика тока при значительном увеличении тока нагрузки. При увеличении тока нагрузки и при отсутствии транзистора VT1 происходит пропорциональное увеличение выходного напряжения датчика тока и снижается точность датчика тока, поэтому применяется транзистор VT1, так как при данной схеме включения падение напряжения на нем мало зависит от входного тока, что и обеспечивает стабильность точности датчика. Более совершенная схема решающая проблему повышения точности датчика представлена на рис. 55. Рис. 55. Схема повышения точности датчика с использованием двух транзисторов Достоинства данной схемы по сравнению с предыдущей: n меньшее количество элементов; n только два элемента определяют падение напряжение на вторичной обмотке трансформатора тока. Применение датчика тока с использование транзисторов в трехфазном несимметричном мостовом выпрямителе рис. 56. Рис. 56. Датчик тока с повышенной точностью в трехфазной несимметричной мостовой схеме Диод VD9 и резистор Rб в данной схеме предназначены для компенсации падения напряжения на одном из переходов VT1 или VD3, с целью выравнивания вольт- секундных площадей вторичной обмотки трансформатора тока при неискаженном токе вторичной обмотки.