КОМПЕНСАЦИОННЫЙ ДАТЧИК ТОКА С МАГНИТНЫМ ШУНТОМ
А. АЛДОХИН, г. Чернигов, Украина
Описываемая конструкция датчика, используемого при измерении больших токов, отличается от применяемых ныне подобных приборов наличием магнитного шунта, что позволяет снизить потребляемую мощность, массу и габариты устройства.
Для измерения больших токов (порядка десятков килоампер) классическая схема датчика компенсационного типа (рис. 1), по которой построены выпускаемые промышленностью изделия [1],неприемлема.
Рис. 1
Принцип действия таких датчиков основан на компенсации магнитного поля,создаваемого в магнитопроводе измеряемым током, посредством тока компенсационной обмотки. Трансформатор тока ТА1 представляет собой замкнутый магнитопровод с обмоткой, охватывающий шину с измеряемым током, в зазоре которого установлен датчик Холла (U1). При прохождении тока через шину в охватывающем ее магнитопроводе создается магнитный поток, вызывающий появление в датчике Холла напряжения, пропорционального измеряемому току. Это напряжение, усиленное операционным усилителем (DA1)и усилителем мощности на транзисторах VT1, VT2, вызывает ток в обмотке ТА1, компенсирующий магнитный поток в магнитопроводе.
Для компенсации магнитного поля, создаваемого, например, током 100 кА, ток через компенсационную обмотку должен быть равен 100/n кА, где n - число витков этой обмотки. При этом мощность выходного усилителя и масса датчика могут быть слишком велики.
Для уменьшения компенсационного тока в предложенном датчике (рис. 2) компенсация магнитного потока производится не на всем участке магнитопровода 2, а на ограниченном участке с магнитным сопротивлением, меньшим, чем сопротивление всей магнитной цепи.
Рис. 2
На участке установки датчика Холла 3, где магнитный поток раздваивается (АБ), величина магнитной индукции, создаваемая измеряемым током I в шине 1,
В=mmоI/2l (при l>>d),
где m - магнитная проницаемость материала магнитопровода;
mo<.sub> - магнитная проницаемость вакуума.
Для компенсации магнитного потока, создаваемого измеряемым током на этом участке, ток компенсационной обмотки 4
I1 = Вх2d/mmо= Ixd/l
Ток компенсационной обмотки I1 меньше измеряемого тока I в l/d раз, что позволяет реализовать датчик приемлемой массы и габаритов.
В предлагаемом датчике l=100 мм, d=1 мм, поэтому при измеряемом токе 100 кА компенсационный поток создается током 1/n кА, где n - число витков компенсационной обмотки.
Компенсационный датчик с магнитным шунтом такой конструкции имеет следующие характеристики.
Номинальный измеряемый ток,кА .....................20
Реализация такой конструкции возможна при использовании магнитопровода с большой индукцией насыщения, например, ГАММАМЕТ 440С1 с линейной характеристикой намагничивания до 1...1.2 Тл [2, 3].
Для уменьшения влияния внешних магнитных полей целесообразно применение двух магнитопроводов и датчиков Холла в конструкции, показанной на рис. 3. Здесь зазор l в магнитной цепи вокруг шины 1 с током разделен на два равных участка между магнитопроводами 2, 3. Токи компенсационных обмоток 6 и 7 в этой схеме суммируются. Если внешнее магнитное поле в месте установки одного из датчиков Холла (4 или 5) совпадает по направлению с магнитным полем, создаваемым измеряемым током, то в месте установки другого датчика Холла противоположно по направлению. Если сигналы датчиков Холла 4, 5, обусловленные магнитным полем измеряемого тока, имеют одинаковую полярность, то сигналы от внешнего магнитного поля наводок разной полярности, и поэтому результирующий сигнал от внешнего магнитного поля равен нулю.
Усилитель для такого устройства нужен достаточно маломощный - его ток потребления не более 0,25 А при напряжении питания ±15 В.
При невозможности приобретения необходимого магнитопровода можно использовать холоднокатанную электротехническую сталь марок Э310, Э320, для которой индукция насыщения также достаточно высока, и при погрешности измерения около 1 % этот материал вполне пригоден.
ЛИТЕРАТУРА
1. Проспект фирмы "LEM".
Радио 3/2002, с.23.
Максимальный измеряемый импульсный ток при длительности не более 10 мс в течение 1 мин, кА ..... 100
Коэффициент трансформации ....................1/5000
Максимальный выходной ток при измеряемом токе 100 кА, мА ................ .200
Основная погрешность для номинального значения тока, не более,% ............. 1
Ток смещения нуля, не более, мА .................. .0,2
Частотный диапазон, кГц ..... .0...10
Размеры окна для токовой шины, мм ...............40х120
Сечение магнитопровода, не менее,мм ............... .55
Габариты, мм ......... 200х200х100
Масса,кг .............. не более 3
Рис.3
2. Проспект НПП "Гамма" (г. Екатеринбург).
3. Стародубцев Ю., Кейлин В., Белозеров В. Магнитопроводы ГАММАМЕТ. - Радио, 1999, № 6, с. 48-50.