eng
Выпуск #8/2006
А.Чекмарев.
Датчики тока NCS компании АВВ с диапазоном измерений от 2 кА до 40 кА компании АВВ
Датчики тока NCS компании АВВ с диапазоном измерений от 2 кА до 40 кА компании АВВ
Просмотры: 2847
Датчики с гальванической развязкой без значительного рассеяния мощности и тепла необходимы во многих областях промышленности. Такие датчики способны в течение длительного времени измерять большие значения (более 2 кА) как постоянного, так и переменного тока. Традиционные методики измерения больших токов с помощью шунтов, трансформаторов тока и датчиков Холла сложны в установке оборудования, у них велика рассеянная мощность и низка помехоустойчивость. Существуют также ограничения по токам перегрузки и времени измерения. Новые датчики серии NCS компании АВВ Entrelec полностью удовлетворяют поставленным требованиям и предназначены для систем, где важны не только точность измерений и невосприимчивость к внешним электромагнитным воздействиям, но небольшие масса и габариты, а также связанная с этим простота установки и использования.
Как работает датчик тока NCS и как оптимизировать его конструкцию
Принцип действия. Работа датчика NCS основана на законе Ампера – интегрирование вектора Н магнитного поля по замкнутому контуру (C) определяет первичный ток I (рис.1). Прибор измеряет большие токи, которые способны создать достаточное магнитное поле в воздухе вокруг датчика. Соответственно, можно исключить магнитопровод – концентратор, традиционный для датчиков, измеряющих ток без разрыва токовой цепи. Тогда в воздушной среде B = µ0·H намагничивание пропорционально магнитному полю, отсутствуют насыщение, вихревые токи и потери на гистерезис.
Интегрирование в датчике реализуется сенсорами на базе эффекта Холла. Их главное преимущество – чувствительность как к постоянному, так и к переменному магнитным полям.
Рассмотрим цепь преобразований первичного тока в выходной сигнал датчика NCS. Первичный проводник пропускается через отверстие датчика (рис.2). Каждый из чувствительных элементов Холла создает небольшое напряжение (2,5–5 В), пропорциональное магнитному полю. Сигналы фильтруются, чтобы исключить искажения от питающей цепи и ВЧ-оборудования. Сигналы усиливаются – напряжение возрастает до величины порядка 12 В. Затем с помощью корректирующего усилителя происходят нулевая коррекция и настройка коэффициента усиления всего датчика, определяющего его номинал. На последнем этапе напряжение преобразуется в ток для токовых выходов.
Оптимизация конструкции. Важнейший вопрос при создании датчиков NCS – выбор оптимального числа чувствительных элементов Холла с соответствующим коэффициентом усиления и подходящей геометрии датчика. Анализ конструкции проводился методом 3D-моделирования конечных элементов*. В итоге удалось рассчитать распределение магнитного поля вокруг каждого чувствительного элемента Холла и достичь нужной точности датчика тока в целом. Расчеты делались как для постоянного, так и для переменного тока с учетом формы первичного проводника, эффекта поверхностного вытеснения тока и высокого уровня электромагнитных возмущений вокруг датчика.
Сначала результаты моделирования и эксперимента сравнивали для определения точности моделирования. В дальнейшем моделирование использовалось на определенных этапах разработки.
Результаты моделирования. На рис.3, представлены сравнительные результаты моделирования и эксперимента по определению общей точности датчика при измерении постоянного и переменного токов, а также распределение магнитного поля вокруг первичного проводника. Точность датчика тока определялась для различных положений прибора в плоскости, перпендикулярной поперечной шине через каждые 15° вокруг первичного проводника.
На переменном токе можно увидеть участки концентрации магнитного поля в некоторых областях. Эти участки возникают в результате эффекта поверхностного вытеснения тока. Нужно принять во внимание этот факт и подобрать коэффициент усиления и положение чувствительных элементов таким образом, чтобы избежать насыщения, которое влияет на точность датчика в целом.
Во всех рассмотренных случаях результаты моделирования и эксперимента согласуются, поскольку все процессы происходят в воздухе с линейной магнитной характеристикой и отсутствием насыщения.
Анализ результатов моделирования позволил определить оптимальное число чувствительных элементов и подходящую геометрию датчика с учетом тяжелых условий эксплуатации. Рассматривалась возможность ухудшения характеристик датчика за счет локального насыщения чувствительных элементов Холла, что в свою очередь, определяется формами шины и корпуса, рабочей частотой, близостью силовых кабелей и т.д. В результате удалось сэкономить время и избежать реализаций прототипов и многочисленных измерений.
Xарактеристики датчиков тока NCS
Механические характеристики. На рис.4 изображены датчики тока NCS с различными опциями для установки. Такие типы модульной установки возможны благодаря малым толщине и весу этих датчиков без магнитопровода. Толщина датчиков обусловлена требованиями к уровню изоляции между первичной и вторичной цепями, а также токами утечки.
Электрические характеристики. Основное преимущество новых датчиков тока серии NCS – широкий диапазон измерений и возможность продолжительного измерения максимальных значений тока Ipmax, который может в пять раз превышать номинальное значение Ipn. Кроме того, в этих датчиках реализован новый стандарт выходных сигналов: один по номинальному току, а другой по максимальному.
Наиболее важные электрические характеристики датчиков серии NCS приведены в таблице.
Датчики тока NCS доступны как с токовыми, так и с потенциальными выходами. Они могут быть выполнены с выходным 8-пиновым разъемом (см. рис.4, б) и выходным шестижильным экранированным кабелем (см. рис.4, а). Для версии датчика с разъемом можно использовать четыре выхода: два потенциальных выхода (Ipn/Ipmax) и два токовых (Ipn/Ipmax). Датчик с кабелем имеет два потенциальных или два токовых выходов. На рис. 5 представлена схема соответствующих соединений для версии датчика тока NCS с токовым выходом.
Динамические свойства
Внутри датчика компоненты расположены оптимальным образом, что подтверждено моделированием. Это позволяет достичь высоких потребительских свойств по электромагнитной совместимости и хорошего быстродействия. На рис.6 представлено изменение выходного сигнала датчика в сравнении с динамикой первичного тока (di/dt) в условиях сильных электромагнитных возмущений на первичный проводник. Точность нового поколения датчиков NCS – не менее ±1% при номинальных измеряемом токе и окружающей температуре и не менее ±2 % при любых других условиях.
Заключение
Новейшая технология датчиков тока нового поколения NCS базируется на отсутствии магнитопровода, что дает значительные преимущества с точки зрения массогабаритных показателей. Кроме того, датчики этой серии могут длительно выдерживать очень большие значения как постоянного, так и переменного тока без рассеяния энергии. В настоящее время доступны две модификации датчиков тока NCS – NCS125 и NCS165 (цифра обозначает диаметр внутреннего отверстия в миллиметрах). Величина длительно измеряемого первичного тока датчиком NCS125 – от 2 до 30 кА; датчиком NCS165 – от 4 до 40 кА. Этот новый компактный датчик может в диапазоне измерений от 2 до 40 кА заменить токовый шунт с устройством гальванической развязки в промышленности и системах электрической тяги.
Новейшая технология датчиков тока NCS запатентована как новое электронное устройство и способ механической установки.
Материал подготовлен с согласия компании ABB Entrelec.
Принцип действия. Работа датчика NCS основана на законе Ампера – интегрирование вектора Н магнитного поля по замкнутому контуру (C) определяет первичный ток I (рис.1). Прибор измеряет большие токи, которые способны создать достаточное магнитное поле в воздухе вокруг датчика. Соответственно, можно исключить магнитопровод – концентратор, традиционный для датчиков, измеряющих ток без разрыва токовой цепи. Тогда в воздушной среде B = µ0·H намагничивание пропорционально магнитному полю, отсутствуют насыщение, вихревые токи и потери на гистерезис.
Интегрирование в датчике реализуется сенсорами на базе эффекта Холла. Их главное преимущество – чувствительность как к постоянному, так и к переменному магнитным полям.
Рассмотрим цепь преобразований первичного тока в выходной сигнал датчика NCS. Первичный проводник пропускается через отверстие датчика (рис.2). Каждый из чувствительных элементов Холла создает небольшое напряжение (2,5–5 В), пропорциональное магнитному полю. Сигналы фильтруются, чтобы исключить искажения от питающей цепи и ВЧ-оборудования. Сигналы усиливаются – напряжение возрастает до величины порядка 12 В. Затем с помощью корректирующего усилителя происходят нулевая коррекция и настройка коэффициента усиления всего датчика, определяющего его номинал. На последнем этапе напряжение преобразуется в ток для токовых выходов.
Оптимизация конструкции. Важнейший вопрос при создании датчиков NCS – выбор оптимального числа чувствительных элементов Холла с соответствующим коэффициентом усиления и подходящей геометрии датчика. Анализ конструкции проводился методом 3D-моделирования конечных элементов*. В итоге удалось рассчитать распределение магнитного поля вокруг каждого чувствительного элемента Холла и достичь нужной точности датчика тока в целом. Расчеты делались как для постоянного, так и для переменного тока с учетом формы первичного проводника, эффекта поверхностного вытеснения тока и высокого уровня электромагнитных возмущений вокруг датчика.
Сначала результаты моделирования и эксперимента сравнивали для определения точности моделирования. В дальнейшем моделирование использовалось на определенных этапах разработки.
Результаты моделирования. На рис.3, представлены сравнительные результаты моделирования и эксперимента по определению общей точности датчика при измерении постоянного и переменного токов, а также распределение магнитного поля вокруг первичного проводника. Точность датчика тока определялась для различных положений прибора в плоскости, перпендикулярной поперечной шине через каждые 15° вокруг первичного проводника.
На переменном токе можно увидеть участки концентрации магнитного поля в некоторых областях. Эти участки возникают в результате эффекта поверхностного вытеснения тока. Нужно принять во внимание этот факт и подобрать коэффициент усиления и положение чувствительных элементов таким образом, чтобы избежать насыщения, которое влияет на точность датчика в целом.
Во всех рассмотренных случаях результаты моделирования и эксперимента согласуются, поскольку все процессы происходят в воздухе с линейной магнитной характеристикой и отсутствием насыщения.
Анализ результатов моделирования позволил определить оптимальное число чувствительных элементов и подходящую геометрию датчика с учетом тяжелых условий эксплуатации. Рассматривалась возможность ухудшения характеристик датчика за счет локального насыщения чувствительных элементов Холла, что в свою очередь, определяется формами шины и корпуса, рабочей частотой, близостью силовых кабелей и т.д. В результате удалось сэкономить время и избежать реализаций прототипов и многочисленных измерений.
Xарактеристики датчиков тока NCS
Механические характеристики. На рис.4 изображены датчики тока NCS с различными опциями для установки. Такие типы модульной установки возможны благодаря малым толщине и весу этих датчиков без магнитопровода. Толщина датчиков обусловлена требованиями к уровню изоляции между первичной и вторичной цепями, а также токами утечки.
Электрические характеристики. Основное преимущество новых датчиков тока серии NCS – широкий диапазон измерений и возможность продолжительного измерения максимальных значений тока Ipmax, который может в пять раз превышать номинальное значение Ipn. Кроме того, в этих датчиках реализован новый стандарт выходных сигналов: один по номинальному току, а другой по максимальному.
Наиболее важные электрические характеристики датчиков серии NCS приведены в таблице.
Датчики тока NCS доступны как с токовыми, так и с потенциальными выходами. Они могут быть выполнены с выходным 8-пиновым разъемом (см. рис.4, б) и выходным шестижильным экранированным кабелем (см. рис.4, а). Для версии датчика с разъемом можно использовать четыре выхода: два потенциальных выхода (Ipn/Ipmax) и два токовых (Ipn/Ipmax). Датчик с кабелем имеет два потенциальных или два токовых выходов. На рис. 5 представлена схема соответствующих соединений для версии датчика тока NCS с токовым выходом.
Динамические свойства
Внутри датчика компоненты расположены оптимальным образом, что подтверждено моделированием. Это позволяет достичь высоких потребительских свойств по электромагнитной совместимости и хорошего быстродействия. На рис.6 представлено изменение выходного сигнала датчика в сравнении с динамикой первичного тока (di/dt) в условиях сильных электромагнитных возмущений на первичный проводник. Точность нового поколения датчиков NCS – не менее ±1% при номинальных измеряемом токе и окружающей температуре и не менее ±2 % при любых других условиях.
Заключение
Новейшая технология датчиков тока нового поколения NCS базируется на отсутствии магнитопровода, что дает значительные преимущества с точки зрения массогабаритных показателей. Кроме того, датчики этой серии могут длительно выдерживать очень большие значения как постоянного, так и переменного тока без рассеяния энергии. В настоящее время доступны две модификации датчиков тока NCS – NCS125 и NCS165 (цифра обозначает диаметр внутреннего отверстия в миллиметрах). Величина длительно измеряемого первичного тока датчиком NCS125 – от 2 до 30 кА; датчиком NCS165 – от 4 до 40 кА. Этот новый компактный датчик может в диапазоне измерений от 2 до 40 кА заменить токовый шунт с устройством гальванической развязки в промышленности и системах электрической тяги.
Новейшая технология датчиков тока NCS запатентована как новое электронное устройство и способ механической установки.
Материал подготовлен с согласия компании ABB Entrelec.
Отзывы читателей
