Как измерить напряжение и ток в силовых преобразователях

August 15, 2013 by admin Комментировать »

Прежде чем дать развернутый ответ на вопрос, содержащийся в заголовке, давайте разберемся, зачем специалисту в области силовой преобразовательной техники уделять этой проблеме достаточно много внимания. Первая мысль, которая придет нам в голову при ответе на вопрос «зачем», — это мысль о необходимости визуального контроля параметров токов и напряжений, формируемых статическими преобразователями. Другими словами, человек, эксплуатирующий преобразовательную технику, не должен лишаться возможности оценить эти основные параметры в любой момент времени и принять после соответствующей ситуационной оценки решение, например, перевести прибор в другой режим работы или вообще отключить его. Самый простой вариант здесь — это установка на лицевую панель статического преобразователя измерительных приборов (стрелочных или цифровых) Вариант посложнее: оцифровка параметров напряжения и тока встроенным аналого-цифровым преобразователем и передача их в цифровом виде по стандартному протоколу на централизованное устройство контроля. Возможны и другие варианты, облегчающие контроль работоспособности приборов. В любом случае задачи эти тривиальны, а значит, любой инженер справится с ними без труда. Наш разговор не об этом.

Гораздо важнее вспомнить, что стабилизация и регулирование параметров статических преобразователей, внутренняя автоматизированная диагностика режимов его работы невозможна без элементов обратной связи, в составе которых обязательно присутствуют узлы, измеряющие напряжения и токи. Ранее мы уже говорили о том, что электрические схемы статических преобразователей содержат как сильноточные силовые цепи, так и сигнальные управляющие цепи, токи в которых могут отличаться на несколько порядков. Соответственно, необходимо обеспечить гальванические развязки между этими цепями, чтобы в максимальной степени исключить влияние силовых цепей на управляющие сигналы. Как обеспечить такие требования с помощью достаточно простых мер — об этом мы поговорим в текущей главе.

Практически невозможно представить современный силовой статический преобразователь электроэнергии, в котором не окажется ни одного датчика тока и напряжения. Более того, реализовать надежное и функциональное изделие силовой электроники без этих самых датчиков — задача практически невыполнимая. Датчики тока и напряжения просто необходимы: они отслеживают величину входного питающего напряжения, потребляемый ток, осуществляют формирование сигналов для узлов стабилизации выходных параметров, диагностируют различные аварийные режимы типа короткого замыкания, перегрузки, выхода параметров тока и напряжения за допустимые пределы.

Напомним, что классический способ измерения токов заключается во включении в измеряемую цепь резистора с небольшим активным сопротивлением, или, как его традиционно называют, — шунта. Такой способ годится для применения и в сигнальных цепях, и в силовых. Однако в том случае, если шунт является переходным элементом между силовой и сигнальной цепями, может возникнуть неприятная ситуация, связанная с затеканием силового тока в измерительные цепи, что приводит не только к возникновению дополнительной погрешности измерения, но может стать причиной аварийного выхода из строя преобразователя. На рис. 2.5.1 эта ситуация иллюстрируется наглядно.

Хорошо видно, что измерительное напряжение Um является итогом суммы силового тока /с и измерительного тока icc. Кроме того, в схеме обязательно присутствует паразитная индуктивность шунта Ьш, а также паразитная индуктивность подводящих проводов (на рисунке она не показана). Падение напряжения на этих паразитных элементах также

включается в измеренное напряжение Um9 формируя ошибку измерения. Названные недостатки прямого измерения токовых сигналов привели к тому, что этот способ при разработке мощной преобразовательной техники практически не используется.

Подавляющее число схем статических преобразователей ныне строится с применением бесконтактных датчиков тока (и напряжения), основанных на эффекте Холла. Эффект Холла был открыт в 1879 г., но из-за значительной температурной и электрической нестабильности его реальное использование стало возможным только сегодня, когда в состав измерительного тракта с датчиком Холла стали включать электронные схемы стабилизации.

На рис. 2.5.2 поясняется физический смысл действия эффекта Холла. Полупроводниковая пластина помещается в магнитное поле, создаваемое проводником с током. Магнитный поток В формирует силу Лоренца, действующую на подвижные заряды, находящиеся в пластине полупроводника, что ведет к изменению их числа на концах пластины. Taким образом, на концах пластины образуется разность потенциалов UH, величина которой пропорциональна величине протекающего тока. Эта разность потенциалов называется напряжением Холла. Величина разности потенциалов может быть рассчитана из соотношения:

где К — константа Холла, зависящая от материала полупроводника; d — толщина пластины, ic — величина тока управления;

В — магнитная индукция.

 

Существует несколько типов датчиков тока, в основе которых заложено использование элемента Холла. Первый тип датчика называется датчиком прямого усиления. Принцип его действия показан на рис. 2.5.3.

Рис. 2.5.3. Датчик прямого усиления на основе элемента Холла

В основе датчика лежит кольцевой ферромагнитный магнитопровод, в зазоре которого установлен элемент Холла. Через окно магнитопровода проходит проводник с измеряемым током ip. Силовые линии магнитного поля с величиной индукции В замыкаются внутри магнитопровода. Ток управления датчиком /с генерируется встроенным токовым генератором с высокой стабильностью. Измеряемый сигнал UH усиливается электронной схемой и подается на выход датчика. С учетом всех констант, входящих в математическое выражение, описывающее физические процессы в датчике, величина выходного напряжения будет линейно зависеть от величины протекающего силового тока:

где z — константа датчика.

Датчики прямого усиления могут измерять как постоянные, так и переменные токи. Они сравнительно просты по схемам своего построения, выдерживают значительные токовые перегрузки и отличаются небольшим собственным потреблением тока. Немаловажным для серийного производства статических преобразователей также является их низкая стоимость. Разработчику следует запомнить, что датчики прямого усиления формируют выходной сигнал в виде напряжения.

В ряде случаев, однако, от датчика тока требуется формирование выходного токового сигнала, пропорционального измеряемому току. Для решения этих задач разработан другой тип датчика, называемый компенсационным. На рис. 2.5.4 показан принцип действия компенсационного датчика Холла.

Рис. 2.5.4. Датчик компенсационного типа на основе элемента Холла

Отличие его от датчика прямого усиления заключается в наличии дополнительной компенсационной обмотки, размещенной на кольцевом магнитопроводе. Сформированный датчиком Холла сигнал преобразуется в ток компенсации /5, который подается в обмотку компенсации. Магнитное поле, образуемое током компенсации, стремится свести к нулевому магнитный поток в магнитопроводе. По величине тока компенсации можно судить о величине измерительного тока в соответствии со следующей зависимостью:

где Np — число витков проводника с силовым током, проходящих через окно магнитопровода датчика;

Ns — число витков компенсационной обмотки.

Понятно, что число витков обоих обмоток — это конструктивный параметр, который задается при разработке датчика, и не может быть каким-то образом изменен при его использовании в качестве элемента силовой схемы преобразователя. То есть, их отношение — есть константа, а значит, выходной ток компенсационного датчика будет прямо пропорционален измеряемому току, то есть изменяться по линейному закону.

В чем преимущество датчиков компенсационного типа перед датчиками прямого усиления? Так как компенсационные датчики работают в режиме нулевой индукции магнитопровода, это позволяет исключить влияние нелинейности ферромагнетика и значительно повысить точность преобразования. К другим достоинствам компенсационных датчиков относятся: малый температурный дрейф, малое время отклика, широкий диапазон частот, возможность работы в режиме выдачи выходного сигнала тока и сигнала напряжения. К недостаткам компенсационных датчиков относят увеличенные габариты (по сравнению с датчиками прямого преобразования) и более высокую стоимость.

В подавляющем большинстве случаев технические параметры названных двух типов датчиков должны устроить разработчиков стандартной преобразовательной техники. Ну а если разработчика все же не удовлетворяют быстродействие, температурная стабильность датчика компенсационного типа? Тогда придется обратить внимание на модифицированные компенсационные датчики С-типа, позволяющие с высокой точностью измерить, кроме всего прочего, и дифференциальные силовые токи. Устройство компенсационных датчиков С-типа показано на рис. 2.5.5.

Измерительный узел датчика С-типа составляют два идентичных кольцевых магнитопровода с равным количеством витков компенса-

ционных обмоток, включенных последовательно. Генератор прямоугольных импульсов формирует двуполярный меандр, который подается на обмотку компенсации и складывается с компенсирующим током. Средняя точка компенсационных обмоток подключена к фильтру нижних частот, который сглаживает ток компенсации. Триггер меняет полярность выходного сигнала генератора при возникновении насыщения в магнитопроводах. Таким образом, гистерезисная кривая магнитопроводов становится симметричной с высокой степенью точности, а ток в одной из обмоток компенсации — строго пропорциональным измеряемому току в соответствии с выражением

(2.5.3)         . Далее токовый выходной сигнал преобразуется с помощью конвертора «ток—напряжение» в выходной сигнал датчика.

Преимущество компенсационных датчиков С-типа по сравнению со стандартными компенсационными датчиками очевидно: если последние обеспечивают работу в частотном диапазоне до 150 кГц при типовой нелинейности 0,5…1,0 %, то датчики С-типа позволяют работать в диапазоне до 500 кГц при типовой нелинейности до 0,1 %.

И, наконец, при необходимости обеспечения очень жесткой температурной стабильности, помехозащищенности и линейности, можно применить компенсационные датчики IT-типа (рис. 2.5.6).

Как и в предыдущем случае, компенсация магнитного потока в магнитопроводах осуществляется с помощью обмоток компенсации. Однако в данном случае в схеме предусмотрен специальный узел детектора

нулевого потока, имеющий два магнитопровода. Эти магнитопроводы конструктивно установлены так, чтобы обеспечивать нулевой поток в главном (измерительном) магнитопроводе. Если в основном магнитопроводе поток отличен от нулевого, компенсационные магнитопроводы входят в насыщенное состояние несимметрично, что приводит к появлению двух асимметричных токов с разным гармоническим составом, причем один из магнитопроводов всегда будет находиться в менее насыщенном состоянии, чем второй. При суммировании двух токовых сигналов результирующий сигнал окажется насыщенным только гармониками измерительного тока. Компенсационныедатчики ГГ-типа позволяют обеспечить температурную стабильность порядка 0,00003 % на градус Цельсия и линейность около 0,001 %. Для сравнения, у компенсационныхдатчиков С-типа этот параметр составляет 0,01 % на градус Цельсия.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты