Příklady použití proudových transformátorů v různých aplikacích

Vážení pánové, vývojáři, jak jste pochopili, můžete uvést obrovské množství příkladů použití proudových transformátorů, ale my se zaměříme pouze na některé, které se netýkají měření parametrů elektrických sítí pro funkce komerčního měření. Mým úkolem je pokusit se zprostředkovat obecný přístup k řešení praktických problémů, které se periodicky objevují při vývoji nových zařízení nebo sledování stavu periferních zařízení. Všechno ostatní bude dokončeno myšlenkovým letem vývojáře a já v žádném případě nechci zavádět omezení a vnucovat svůj názor na věci, které si zvolím. Z mé strany se budu snažit i nadále zveřejňovat zajímavá řešení, aby je každý viděl, takže sdílejte problémy a řešení. Takže začneme:

1. Indikace zapnuté zátěže

Poměrně často je potřeba na dálku sledovat provoz různých energeticky náročných zařízení. Například práce topných těles. V silovém okruhu ohřívačů je zpravidla umístěno speciální zařízení. ochranné spínače (například bimetalové), které se spouštějí při dosažení nouzové teploty. Jak zjistit, zda topné těleso topí nebo ne? Můžete to cítit prstem – vyskočil puchýř, což znamená, že se zahřívá, pokud je zima, je buď spálená, nebo se zapnula ochrana; Existuje bezpečnější varianta? Jistě! K silovému obvodu takového topného tělesa připojíme proudový transformátor a pečlivě sledujeme jeho činnost. Pokud primárem transformátoru protéká proud, pokusí se vyrobit sekundární proud, který lze využít například k rozsvícení LED nebo připojení číselníkového úchylkoměru, případně jej i přenést do regulátoru, který bude rozhodovat.

1.1. Používáme LED.

Jak víte, aby LED svítila, musí do ní být dodáván proud, čím vyšší je proud, tím jasněji LED svítí, ale tím kratší je její životnost. Obvykle beru hodnotu tohoto proudu 5-10mA, u jasných je to 2-5mA, resp. Přitom žijí velmi dlouho a šťastně. S ohledem na skutečnost, že LED funguje na stejnosměrný proud a transformátor to kategoricky nemá rád, opravíme výstupní proud transformátoru. Můžete samozřejmě zapnout 2 LED zády k sobě – ​​jedna svítí na jedné půlvlně, druhá na druhé. Toto je výstup, ale stabilizační napětí LED se mírně liší případ od případu, takže máme asymetrickou zátěž a to není dobré pro transformátor. V zásadě odpouští určité zkreslení, ale pokud jednoduše pověsíte jednu LED na výstup vysílače, budete muset pozorovat její slabý svit.

Proč slabý? Ano, protože při práci na jedné půlvlně se jádro transformátoru postupně zmagnetizuje do saturačního režimu a transformátor přestane správně fungovat. Ideálním řešením je zařadit na výstup transformátoru diodový můstek, např. u KD522 (LL4148), stojí to korunu, ale přináší transformátoru obrovské výhody. Pokud na výstup můstku zapojíte také kondenzátor, zátěž začne být klidnější. Máme tedy transformátor, diodový můstek a kondenzátor. Zapněte červenou LED na výstupu můstku. A aby správně svítil, proveďte předběžné výpočty a vyberte transformátor.

Aby proud tekl do zátěže, musí transformátor v našem příkladu vyvinout na výstupu nějaké EMF (k překonání rozpínacího napětí můstku a LED diod). Uvažujeme toto EMF: úbytek napětí na diodě LL4148 lze brát jako 0.9V (jsou slabé, úbytek napětí při dobrém proudu je více než 0.6V), máme je 2 v každé půlvlně, na červená LED – 1.7V. Celkem máme 0.9*2+1,7=3.5v.

Tito. transformátor musí být schopen vyvinout EMF na výstupu výrazně větším než 3.5 V. Nyní vypočítáme proud na vstupu: Pokud potřebujeme 5 mA na výstupu, pak na koeficientu. transformace 1:3000, primární proud by měl být 5mA*3000=15A. Podívejme se, jak moc potřebujeme: např. topné těleso má výkon 1 kW, tzn. proud = 1000W/220V=4.8A. A potřebujeme 15A! co dělat? Vše je jednoduché – 15A/4.8A = 3, tzn., že potřebujeme třikrát prostrčit vodič s proudem středovým otvorem a dostaneme prakticky požadovanou hodnotu – 15A, což je to, co potřebujeme. (tj. získejte skutečný transformační poměr 3:3000). Takže hledáme transformátor, který dokáže produkovat EMF alespoň 3.5 V na výstupu, aniž by se dostal do saturace při 15 A na vstupu a aniž by zacházel do detailů – podívejte se s rezervou

Vzhledem k tomu, že potřebujeme vložit až 3 závity, hledáme transformátor s vhodným otvorem. Vezměme si například T10-110A-90-Z/0 (viz foto). Má EMF minimálně 10V a pro nás je nejdůležitější obrovský otvor (11mm), do kterého snadno zasuneme 3 závity síťového vodiče (pozor – pouze jeden vodič ze dvou jde k topnému tělesu !).

Zkontrolujeme: odpor. vinutí pro T10-110A-90-Z/0=190 Ohm. Při proudu 5 mA bude mít vinutí 5 mA * 190 Ohm = 0,95 V. Navíc 3.5V při zátěži, takže celkem máme 3.5+0,95=4.45V. což je méně než 10V. To znamená, že vše funguje! Pokud odpověď nepotřebujete tak velký, např. namotáme 3 závity drátu PETV2-1.05 a zapájíme do desky (viz příklady montáže na plošný spoj), pak si můžete vybrat menší a levnější transformátor.

Co když zkontrolujeme provoz topného tělesa až na 10 kW? Stručně spočítejme: 10kW/220V=48A. Ale potřebujete pouze 15A! To znamená, že do LED půjde až 16 mA! Buď se s tím smíříme, nebo potřebujeme odvést přebytečný proud z LED. Jak to udělat? Paralelně s LED umístíme odporový bočník. Pojďme vypočítat bočník? Máme tedy 1.7V na zátěži a zároveň proud 11mA navíc (5mA spotřebuje LED). Uvažujeme 1.7V/11mA=0,15kOhm. Nejbližší je 150 ohmů. Počítáme výkon = 1,7V*11mA=19mW. To znamená, že můžeme nainstalovat jakýkoli rezistor (bereme obvyklých 0.125W). S ohledem na skutečnost, že nepotřebujeme zvláštní přesnost (neměříme, ale prostě svítíme), zde výpočet zastavíme.

1.2 Ukazatel číselníku

Úvaha je naprosto stejná jako při výběru LED, ale musíte přesněji počítat a zadat prvek pro kalibraci (koneckonců je to jen metr).

Máme tedy stále stejný můstek na výstupu transformátoru a ukazovací zařízení. Vzhledem k tomu, že ukazovací zařízení má velkou setrvačnost, nevyžaduje velký kondenzátor, ale aby se eliminovaly jakékoli přechodné procesy, je lepší instalovat malý kondenzátor. Takže máme například celkovou výchylku jehly 100 μA, odpor vinutí 1600 Ohmů. (první číslice je napsána na číselníku přístroje, druhou lze získat měřením odporu přístroje ohmmetrem). Počítáme úbytek napětí na zařízení při úplném vychýlení jehly: 100 μA * 1600 ohm = 160 mV. K tomu připočtěme úbytek napětí na můstku 1.6V, takže hledáme transformátor s EMF větším než 1,8V. Například T04-90A-110-K/0 (viz foto) nebo T04-90A-110-T/0 (viz foto)

Pro případ topného tělesa = 1 kW (viz výše) máme na výstupu transformátoru 4.8 A/3000 = 1,6 mA. Číselník se posune ze stupnice o 0.1 mA. To znamená, že dalších 1.5 mA musí být odvedeno do bočníku. Uvažujeme 160mV/1.5mA=107 ohmů. Tito. teoreticky shuntováním zařízení s odporem 107 ohmů získáme úplné vychýlení jehly při zátěžovém výkonu 1 kW. Co se stane, když nainstalujeme rezistor 130 ohmů? To znamená, že proud procházející ukazovacím zařízením bude větší než maximum a bude mimo stupnici. Aby se tak nestalo, zapojíme do série s přístrojem trimovací rezistor (pozor, ne bočníkem!), který omezí proud. Výpočet trimovacího rezistoru: Pokud tedy nainstalujeme bočník 130 ohmů, bude při průchodu proudu 1.5 mA úbytek napětí 13 ohmů * 1.5 mA = 195 mV. Vypočteme požadovaný odpor v obvodu ukazatele: 195mV/0,1mA=1950ohm. Odpor cívky 1600ohm, 1950ohm-1600ohm=350ohm. To znamená, že teoreticky nemáme dostatečný odpor 350 ohmů, aby vše fungovalo skvěle. Vezmeme trimovací rezistor 470 ohmů, pomocí kterého snadno nastavíme odečet číselníku na maximum při maximálním výkonu (protože číselník můžeme zkalibrovat maximálním proudem v primáru). Což je přesně to, co jsme potřebovali.

1.3 Přenos informací do ovladače nebo akčního členu.

Vše je naprosto stejné jako výše. Jediné, co se musíme rozhodnout, je, zda ovládáme tvar proudu a rozhodujeme se, nebo je nám jedno, jak tento proud teče, hlavní je zachytit, zda je ho moc nebo málo . V prvním případě instalujeme ADC, ve druhém instalujeme Schmittovu spoušť, komparátor, nebo pokud pracujeme na principu ano/ne, tak jen logický vstup. Naším úkolem je získat napětí dané hodnoty při daném vstupním proudu. Uvažujme to na příkladu provozu stejného topného tělesa o výkonu 1 kW. Naším úkolem je reagovat na ochranné vypnutí topného tělesa v případě nouzového vypnutí topného tělesa externím jističem, například bimetalovým v případě přehřátí.

Používáme PIC16F630, který obsahuje komparátor (vestavěná reference na 24 úrovních). Vzhledem k tomu, že při zapnutí zátěže může procházet silný zapínací proud, je nutné omezit schopnost transformátoru výstupní napětí na m.s.h. intenzivnější napájení m.s.h., pro tento účel stačí chránit vstup m.s.h. Zenerova dioda. V tomto příkladu navrhuji nahradit zenerovu diodu penny diodou LL4148 s přímým zapojením a nestarat se o bezpečnost mikroobvodu (dioda odebere veškerý proud a nepropustí více než 1 V). Vzhledem k tomu, že dioda skutečně začne ovlivňovat měřicí obvod již při 0.2-0.3V, musíme se při měření omezit na tuto úroveň, i když pro sledování do 0.6V bude vše zcela v pořádku.

Dále po již známé cestě vypočítáme hodnotu zatěžovacího odporu: Vypočteme proud: 4.8A/3000=1.6mA. Vezměme hodnotu referenčního napětí = 2/24 ex. napájení nebo (při 5V) = 5/24*2=0,41V Předpokládáme, že pokud nap. na vstupu komparátoru je více než 0,41 V, uvažujeme, že topný článek je zapnutý, méně – je vypnutý. Předpokládejme, že při zátěži 1 kW musí být příkon komparátoru minimálně 0,5 V (tj. více než 0.41 V) To znamená: 0.5 V/1,6 mA = 0,3125 kOhm. Vyberte nejbližší odpor = 330 Ohm. Zdůvodnění ohledně volby transformátoru již bylo uvedeno výše;

Jak je to implementováno, je vidět na fotografii regulátoru teploty pro sušicí skříň (vpravo mezi relé je vidět transformátor T04-90A-25-T/25K-18, vlevo je síť napájecí transformátor TTN3):

Pohled zespodu na regulátor, transformátor T04-90A-25-T/25K-18 je připájen do mezery v proudonosné sběrnici (široká sběrnice vpravo), pod transformátorem je diodový můstek, zatěžovací rezistor a vyhlazovací kondenzátor (zenerova dioda ještě není instalována), vlevo je PIC16F630.

Pokud vezmete rezistor s vyšším odporem, než je vypočtený, můžete v tomto případě snížit požadavky na kapacitu vyhlazovacího kondenzátoru. V tomto příkladu není vůbec nutné kontrolovat, zda je zátěž přesně 1 kW. Buď existuje, nebo neexistuje. Pokud tedy regulátor vidí zátěž ne 1 kW, ale 100 W, nikoho to neurazí, přebytečný proud převezme ochranná dioda, obecně jsou všichni rádi. Vezmeme-li však toto schéma za základ, pak je možné zajistit dálkové ovládání nejen nad stavem zátěže (zapnuto/vypnuto), ale např. i nad počtem vypálených lamp ve vchodu nebo sklad apod., tzn. ovládat připojené napájení.

2. Nejjednodušší ochrana elektromotorů

Existují různé typy ochrany, ale my se zaměříme na ochranu při volnoběhu (relevantní pro ponorná čerpadla a čerpací stanice) a ochranu proti přetížení (například elektrický motor otevírání brány). Všechny ostatní aplikace budou mezi těmito možnostmi.

2.1. Ochrana při volnoběhu.

Naším úkolem je vypnout servomotor, pokud během provozu klesne odběr proudu pod stanovenou hodnotu. Podívejme se, jak to udělat. Umístíme-li do mezery proudovodné sběrnice proudový transformátor, pak se při protékání proudu na jeho výstupu vytvoří EMF úměrné protékajícímu proudu. Toto EMF stačí narovnat, vyhladit a přenést na pohon. Jakmile EMF klesne pod určitou prahovou hodnotu, pohon se vypne a vypne elektrické napájení. motor. Je myšlenka jasná? Jdeme dál.

Jelikož na výstupu máme napětí, co nám na napětí funguje a nechce odebírat proud? Samozřejmě tranzistor s efektem pole. Jak mohu provést spínání zátěže střídavým proudem? Není problém ji zařadit i do úhlopříčky mostu. Tranzistor je otevřený – můstek je zkratovaný, můstkem protéká proud. Tranzistor je uzavřen – můstkem neprotéká proud, zátěž je vypnutá. Pokud zapnete vinutí magnetického relé jako zátěž. startér – můžete ovládat motor čerpadla. Čerpadlem protéká proud, tranzistor je otevřený, startér je pod napětím, proud klesl – napětí kleslo, tranzistor se sepnul, startér se vypnul, proud klesl na nulu, čerpadlo je vypnuto. Startování pouze ručně (tlačítko paralelně s mostem) přemostěním mostu. Proud tekl, tranzistor se otevřel a přehodil můstek paralelně s tlačítkem, hodil tlačítko – vše funguje. proud se snížil – vše se vypnulo. Vzhledem k tomu, že transformátor je elektricky izolován od napájecího obvodu, lze jej bezpečně připojit přímo na vstup tranzistoru s efektem pole. Pokud je EMF > 5.5V (1.2V pokles během usměrnění a 4V je prahové napětí tranzistoru s efektem pole) – tranzistor je otevřený, pod – tranzistor je uzavřen. Jak vypočítat zatěžovací odpor pro požadovaný vstupní proud v kroku 1. byl citován více než jednou, takže tento aspekt vynechme. Je také popsáno, jak vybrat transformátor založený na EMF. Nezapomeňte chránit hradlo tranzistoru s efektem pole zenerovou diodou před případným průrazem (obvykle 10 V). Vezměte prosím na vědomí, že pokud na hradlo polního spínače nasadíte napěťově řízený spínač, a dokonce i s hysterezí, můžete přímo spínat samotnou zátěž tímto zařízením. Nejlepší na tom je, že takové zařízení nevyžaduje externí napájení generující napětí ze zátěžového proudu.

2.2 Bezkontaktní spouštěcí relé

Tady ani není o čem psát – to je úkol odstavce 2.1, jen s tím rozdílem, že zátěž je startovací vinutí motoru. Při startování tekl značný proud – zapojili jsme startovací vinutí, motor se roztočil, proud klesl – startovací vinutí se samo vypnulo. Nejlepší na tom je žádný kontakt.

2.3 Ochrana proti přetížení

Ve skutečnosti je to také úkolem odstavce 2.1, jen s tím rozdílem, že zátěž je nutné vypnout, pokud se zvýšil proud, např. automatické otevírání brány – motor zastavil bránu, motor přetížil (je tlačí, ale dál už není kam tlačit) – akční člen vypnul startér . Můžete použít spínač pole ve vestavěném kanálu (je otevřen při nulovém napětí a uzavřen přivedením záporného napětí), ale nejsou k dispozici pro vysoké proudy a napětí. I když je jako okrajový senzor docela dobrý, nejsou zde žádné kontakty ani napájecí zdroj; Pokud ale postavíte invertující kaskádu před běžného polního operátora, ačkoliv bude muset být napájen (to znamená, že zcela autonomní zařízení nebude fungovat), pak můžete ovládat magnetický startér, aby se vypnul. Protože je proudový odběr malý, musí být do obvodu přivedeno malé napětí z parametrického stabilizátoru s kondenzátorem jako zhášecím odporem. Ukazuje se také, že je docela životaschopný.

3. Pracujeme se stejnosměrným proudem.

3.1 DC ovládání

Jak vytvořit ochranu proti přetížení ve stejnosměrném obvodu? Zkusme tento proud odhadnout pomocí proudového transformátoru. Zdálo by se, jak bude transformátor pracovat se stejnosměrným proudem? Jak víte, transformátor pracuje pouze ve střídavém magnetickém poli, které stejnosměrný proud nemůže vytvořit. Myšlenka je jednoduchá – vytvořit takové variabilní pole, aby mohlo fungovat. Pokud je však proud přiváděn do sekundáru, pak se v primáru vytvoří také proud a ovlivní měřený obvod. Ale to nelze udělat. Vezměme dva stejné transformátory, položíme je na společný vodič s proudem a zapojíme sekundární vinutí do série v opačných směrech. Nyní, pokud do sekundáru přivedeme střídavý proud, bude se v primáru indukovat EMF, úměrné proudu, ale nasměrované proti sobě, tzn. v součtu rovna 0. Tím vyloučíme vliv na primární okruh.

Říkáte si, tak co s tím? Tady je co. Jak je známo, závislost magnetické permeability feromagnetik silně závisí na síle magnetického pole. To znamená, že pokud je na vinutí transformátoru přiveden střídavý proud, vytvoří se v jádře určité magnetické pole, stejné pro obě půlvlny, a hodnota indukčnosti vinutí transformátoru bude pro obě půlvlny stejná. Ale pokud je na jádro aplikováno konstantní pole, pak budou pole přidána v jedné půlvlně a odečtena ve druhé. V důsledku toho bude pole v jedné půlvlně větší než ve druhé a indukčnosti nebudou stejné. Pokud se podíváte na výše popsané příklady, snažili jsme se této možnosti všemi možnými způsoby vyhnout a označili ji za špatný režim provozu proudového transformátoru, ale zde se to bude hodit.. A co vytvoří konstantní pole pro nás? A toto pole vytvoří vodič procházející oběma transformátory, ve kterých jsme se chystali měřit stejnosměrný proud.

Pamatujete si, že jsme zapnuli vinutí transformátorů v opačných směrech? Celkově budou indukčnosti obou transformátorů v obou půlvlnách konstantní, proud je také konstantní, ale napětí na nich jsou pro každou půlvlnu jiná (indukčnosti jsou různé). To znamená, že pokud změříte napětí na jednom z vinutí, bude pro každou půlvlnu jiné. Okamžik se může zhoršit, pokud vezmete 2 odpory zapojené do série, zapojíte je paralelně s vinutími transformátorů a odstraníte napětí ze středních bodů. Ukázalo se, že je to měřící můstek a nyní měříme rozdíl napětí pro každou půlvlnu. Pokud směr proudu v primáru není zajímavý, lze toto napětí z výstupu můstku usměrnit a provozovat při konstantním napětí úměrném stejnosměrnému proudu.

Je třeba poznamenat, že závislost magnetické permeability na poli je nelineární a z výstupu tohoto obvodu nebudeme schopni získat lineární výstupní signál v širokém rozsahu.

3.2 Měření stejnosměrného proudu.

Jak měřit proud výkonné elektriky motor na baterie? Jak měřit proud ve vysokonapěťovém obvodu? Ano, principiálně přesně totéž, co je popsáno výše v malém rozsahu nebo také v širokém rozsahu, ale jediný rozdíl je v tom, že proud musí být dán tak, aby transformátory vstoupily do saturačního režimu. V tomto případě již nemůžeme vyhodnocovat výstupní napětí, ale dobu, po kterou je transformátor v saturačním režimu v každé půlvlně, nebo samotný fakt vstupu do saturačního režimu. Zkreslení signálu v režimu saturace můžete vidět na fotografii:

Tyto fotografie se již objevily v předchozích příspěvcích. Je jasné, že čím hlouběji se transformátor dostane do saturace, tím větší je horizontální police. Vezměme si diferenciál. signál a pracovat s ním. Nemám v úmyslu podrobně zvažovat obvodová řešení, ale bylo by velmi dobré zavést do zpětnovazební smyčky napěťově řízený zesilovač signálu generátoru a řídit nikoli samotný diferenciál. signál a řídicí napětí tohoto zesilovače. Můžete odeslat lineárně se měnící signál a zachytit jeho trvání, dokud se transformátor nenasytí. Můžete začít předpínat stejnosměrným proudem do sekundáru (jeho hodnota je menší než naměřený proud o faktor transformačního poměru!) a aplikovat na něj střídavý proud. Řízením předpětí dosáhněte konstantního napětí na cívce a změřte předpětí. Obecně platí, že metod je hodně a popis praktické realizace zabere hodně místa a zabere stejně času na nastudování. Takže to necháme být.