Измерительные трансформаторы - датчики напряжения и тока

Выше рассмотрены простейшие резистивные датчики. Другой класс датчиков - трансформаторные. Они сложнее резистивных, но обладают рядом преимуществ. Они более экономичны по потреблению от источника сигнала, а трансформаторы тока, кроме того, по сравнению с шунтами, работают при меньших падениях напряжения на входе. Сказанное обусловлено тем, что трансформаторы обладают свойством согласования цепей источника и нагрузки. Кроме того, они обеспечивают "негальваническую" магнитную связь между обмотками. Переключением выводов обмоток можно изменить фазировку сигнала датчика.

В качестве "Дат. U" используется понижающий трансформатор напряжения в режиме холостого хода. Благодаря указанному режиму, трансформатор теоретически не потребляет. В качестве "Дат. I" используются трансформаторные датчики двух типов:

· трансформатор тока, нагруженный на прецизионный резистор Rb(burden resistor), - с малой величиной сопротивления (при пересчёте её в первичную обмотку). Трансформатор - повышающий (по напряжению), резисторов обычно два - с выводом средней точки. Выходное напряжение, снимаемое с резистора (резисторов), пропорционально току первичной обмотки;

· дифференцирующий трансформатор "di/dt", используемый в режиме холостого хода. Выходное напряжение,являющееся ЭДС вторичной обмотки, пропорционально производной от тока первичной обмотки.

Применение трансформаторного датчика тока может сочетаться, например, с применением резистивного датчика напряжения. Возможны и другие сочетания датчиков напряжения и тока, в зависимости от технической или экономической целесообразности.

На рис. 4 приведены упрощённые (без указания собственных потерь) эквивалентные схемы трансформаторов, используемых в качестве датчиков тока. Независимой величиной для обоих рассматриваемых трансформаторов является ток I₁, подлежащий измерению. Напряжение на первичной обмотке U₁ зависит при этом как от I₁, так и от трансформатора с учётом его нагрузки, пересчитываемой в цепь первичной обмотки. Условием применения трансформаторов тока является следующее: падение напряжения на трансформаторе (на его входе) должно быть, как и для резистивного датчика (шунта), незначительным, чтобы не было влияния на контролируемую цепь. При этом потребление датчиком от контролируемой цепи также должно быть незначительным. Указанные условия в трансформаторе тока, благодаря трансформации с повышением напряжения, реализуются более успешно, чем при использовании шунта. Можно сказать, что Rb также является "шунтом", но в сочетании с повышающим (согласующим) трансформатором.

На рис. 4 показаны два способа включения трансформаторов тока — в режиме холостого хода (а) и с нагрузочным резистором Rb (б). На схемах показаны L_S1, L_S2 — индуктивности рассеивания и L_M1, L_M2 - индуктивности потоко-сцепления (взаимоиндукции) обеих, первичной и вторичной, обмоток трансформатора. Отметим, что L_M2 = L_M1N², где N - коэффициент трансформации (по напряжению). Как уже сказано, оба трансформатора используются в режиме, когда ток первичной обмотки задаётся (определяется нагрузкой контролируемой цепи).

Так как трансформатор на рис. 4а используется в режиме холостого хода, он является дифференцирующим. Подчеркнём, что речь идёт о выходном напряжении U₂, которое является производной не от U₁, а от тока первичной обмотки I₁:

U₂ = E_M2 = L_M1I₁N = L₂I₁/N, (5)

где E_M2 - ЭДС взаимоиндукции вторичной обмотки (на L_M2). Входное сопротивление трансформатора, которое в режиме холостого хода равно L_S1 + L_M1 + R₁, где R₁ - сопротивление первичной обмотки (без учёта эквивалентного сопротивления потерь в сердечнике), должно быть незначительным по сравнению с сопротивлением нагрузки контролируемой цепи.

В трансформаторе на рис. 4, в его вторичной обмотке, благодаря нагрузке, протекает ток, трансформируемый из первичной обмотки. Сопротивление цепи вторичной обмотки равно L_M2 + L_S2 + R_b + R₂ (где R₂ - сопротивление вторичной обмотки), а ЭДС определяется выражением (5). При условии L_M2 > L_S2 + R_b + R₂ ток вторичной обмотки I₂ ~ I₁/N, а выходное напряжение, определяемое падением напряжения на R_b, пропорционально I₁:

U₂ = I₂R_b ~ I₁R_b/N. (6)

Выражение (6) будет тем точнее, чем меньше L_S2, R_b и R₂. Малая величина L_S2 достигается применением магнитного сердечника, обеспечивающего высокое потокосцепление обеих обмоток. Магнитный поток в сердечнике, создаваемый током первичной обмотки I₁, компенсируется противопотоком, создаваемым I₂. Трансформатор работает с результирующим магнитным потоком в сердечнике, близким к нулю, при котором

E_M2* = E_M2/[1 + L_M2/( L_S2 + R_b + R₂)] << E_M2. (7)

Сответственно, E_M1* = E_M2*/N << E_M1.

Для трансформатора тока E_M1* << E_M1 и E_M2* << E_M2 - это нормальный режим, и его сердечник можно было бы выбрать с учётом компенсированного (уменьшенного) магнитного потока, соответствующего E_M1* (E_M2*). Амплитудная характеристика датчика, в общем случае, нелинейна, что обусловлено гистерезисной кривой магнитной индукции сердечника. Для повышения линейности характеристики в трансформаторах тока используются аморфные и другие современные магнитные материалы. Кроме того, выбирается оптимальное значение R_b, при котором амплитудная характеристика датчика (её рабочий начальный участок) практически линейна. Амплитудные характеристики (для разных значений нагрузочных сопротивлений) приводятся обычно в каталогах трансформаторов.

Отметим весьма важное обстоятельство, ограничивающее возможность снижения габаритов трансформаторов тока, обусловленную указанной выше компенсацией потоков. Это - "замагничивание" сердечника постоянной составляющей, возникающей в токе контролируемой электрической цепи из-за асимметричной нелинейности её нагрузки. Замагничивание проявляется в "усиленном" виде по следующим причинам. Компенсация магнитных потоков обеих обмоток, показанная на рис. 3б и обусловленная выражением (7), - это для переменных токов I₁ и I₂. Что касается постоянного магнитного потока, обусловленного постоянным током в первичной обмотке, то он не компенсируется, так как в принципе не может быть постоянной ЭДС взаимоиндукции, которая могла бы вызвать компенсирующий противопоток. В результате, в сердечнике трансформатора тока, благодаря компенсации, существенно снижается переменный магнитный поток, а уровень постоянного потока может оказаться большим. Сказанное следует учитывать при выборе трансформатора, сердечник которого должен "противостоять" указанному явлению, имея, например, запас по потоку или повышенное магнитное сопротивление для постоянного потока. "Запас по потоку" достигается уменьшением напряженности магнитного поля в сердечнике (для того же тока в первичной обмотке), обеспечиваемым увеличением длины магнитопровода (увеличение длины может сопровождаться увеличением площади сечения — для сохранения прежней величины магнитного сопротивления). В каталогах на трансформаторы тока, предназначенные для счётчиков электроэнергии, могут приводиться допустимые значения постоянной составляющей тока.

В связи с вышеизложенным отметим следующее. Напряжение на шунте, которое можно рассматривать как в качестве его входного, так и выходного напряжений, равно U₁ = U₂ = I₁R_ш. А для трансформатора тока входное напряжение равно U₁ ~ I₁R_b/N² при выходном U₂ ~ I₁R_b/N, то есть U₁ в N раз меньше, чем для шунта (при одном и том же U₂). Поэтому влияние трансформаторного датчика тока на контролируемую цепь, как уже сказано выше, будет меньше, чем в случае применения шунта. Приведём пример для трансформатора TZ76L с N = 2500. При I₁ = 100 А и U₂ = 1 В: U₁ = 0,4 мВ, I₂ = I₁/N = 40 мА, R_b = U₂/I₁ = 25 Ом, входное сопротивление трансформатора R_b/N² = 4 мкОм (без учёта R₁ и R₂). Для шунта это было бы, например, R_ш = 500 мкОм при падении напряжения 50 мВ и необходимости дополнительного усиления сигнала, снимаемого с шунта, в 20 раз.

В последнее время в качестве датчика тока получают распространение дифференцирующие трансформаторы (рис. 3a), используемые обычно без магнитного сердечника. Отсутствие сердечника упрощает конструкцию трансформатора и обеспечивает линейность его амплитудной характеристики, а также исключает рассмотренное выше замагничивание постоянным током, но требует введения интегратора в состав измерительной ИС. Последнее не представляет трудностей, и ИС последних разработок (например, ADE7753/59) ориентированы на использование дифференцирующих трансформаторов (наряду с возможностью использования шунта и трансформатора тока с Rb). К указанным ИС относятся новые ADE7753/59 и перспективная ADE7758, причём последняя предназначена для трёхфазной цепи.

Конструктивно оба трансформатора (тока и дифференцирующий) представляют собой тороидальные катушки, одна из которых, для трансформатора тока, — с магнитным сердечником. Для дифференцирующего трансформатора используют обычно так называемую катушку Роговского [11], которая предназначена, в общем случае, для измерения магнитных потоков. Использование катушки совместно с придаваемой ей первичной обмоткой, ток которой создаёт магнитный поток, превращает её во вторичную обмотку трансформатора. Катушки для трансформаторов обоих типов содержат только вторичную обмотку (одно- или двухсекционную), а первичной обмоткой, обычно одним витком, является провод, продеваемый через отверстие катушки. Если, например, трансформатор используется для измерения суммы двух токов двухфазной цепи (как, например, в ADE7756 [6,8]), берутся два изолированных первичных витка.