Перш ніж дати розгорнуту відповідь на питання, що міститься в заголовку, давайте розберемося, навіщо фахівцю в галузі силової перетворювальної техніки приділяти цій проблемі достатньо багато уваги Перша думка, яка прийде нам в голову при відповіді на питання «навіщо», – це думка про необхідність візуального контролю параметрів струмів і напруг, формованих статичними перетворювачами Іншими словами, людина, що експлуатує перетворювальну техніку, не повинен позбавлятися можливості оцінити ці основні параметри в будь-який момент часу і прийняти після відповідної ситуаційної оцінки рішення, наприклад, перевести прилад в інший режим роботи або взагалі відключити його Найпростіший варіант тут – це установка на лицьову панель статичного перетворювача вимірювальних приладів (стрілочних або цифрових) Варіант складніше: оцифровка параметрів напруги та струму вбудованим аналого-цифровим перетворювачем і передача їх в цифровому вигляді по стандартному протоколу на централізоване пристрій контролю Можливі й інші варіанти, що полегшують контроль працездатності приладів У будь-якому випадку завдання ці тривіальні, а значить, будь-який інженер впорається з ними без праці Наша розмова не про це

Набагато важливіше згадати, що стабілізація і регулювання параметрів статичних перетворювачів, внутрішня автоматизована діагностика режимів його роботи неможлива без елементів зворотного звязку, у складі яких обовязково присутні вузли, що вимірюють напруги і струми Раніше ми вже говорили про те, що електричні схеми статичних перетворювачів містять як сільноточние силові кола, так і сигнальні керуючі ланцюги, струми в яких можуть відрізнятися на кілька порядків Відповідно, необхідно забезпечити гальванічні розвязки між цими ланцюгами, щоб у максимальному ступені виключити вплив силових ланцюгів на керуючі сигнали Як забезпечити такі вимоги за допомогою досить простих заходів – про це ми поговоримо в поточній чолі

Практично неможливо уявити сучасний силовий статичний перетворювач електроенергії, в якому не виявиться ні одного датчика струму і напруги Більш того, реалізувати надійне та функціональне виріб силової електроніки без цих самих датчиків – завдання практично нездійсненне Датчики струму і напруги просто необхідні: вони відслідковують величину вхідного живлячої напруги, споживаний струм, здійснюють формування сигналів для вузлів стабілізації вихідних параметрів, діагностують різні аварійні режими типу короткого замикання, перевантаження, виходу параметрів струму і напруги за допустимі межі

Нагадаємо, що класичний спосіб вимірювання струмів полягає у включенні в вимірювану ланцюг резистора з невеликим активним опором, або, як його традиційно називають, – шунта Такий спосіб годиться для застосування і в сигнальних колах, і в силових Проте в тому випадку, якщо шунт є перехідним елементом між силовий і сигнальної ланцюгами, може виникнути неприємна ситуація, повязана з затікання силового струму в вимірювальні ланцюга, що призводить не тільки до виникнення додаткової похибки вимірювання, але може стати причиною аварійного виходу з ладу перетворювача На рис 251 ця ситуація ілюструється наочно

Добре видно, що вимірювальне напруга Um є підсумком суми силового струму /з і вимірювального струму icc Крім того, в схемі обовязково присутня паразитная індуктивність шунта Ьш, А також паразитная індуктивність підвідних проводів (на малюнку вона не показана) Падіння напруги на цих паразитних елементах також

включається в виміряна напруга Um9 формуючи помилку вимірювання Названі недоліки прямого вимірювання струмових сигналів призвели до того, що цей спосіб при розробці потужної перетворювальної техніки практично не використовується

Переважна кількість схем статичних перетворювачів нині будується із застосуванням безконтактних датчиків струму (і напруги), заснованих на ефекті Холла Ефект Холла був відкритий в 1879 р, але через значну температурної та електричної нестабільності його реальне використання стало можливим тільки сьогодні, коли до складу вимірювального тракту з датчиком Холла стали включати електронні схеми стабілізації

На рис 252 пояснюється фізичний зміст дії ефекту Холла Напівпровідникова пластина поміщається в магнітне поле, створюване провідником зі струмом Магнітний потік У формує силу Лоренца, діючу на рухливі заряди, що знаходяться в пластині напівпровідника, що веде до зміни їх числа на кінцях пластини Taкім чином, на кінцях пластини утворюється різниця потенціалів UH, Величина якої пропорційна величині викликаного струму Ця різниця потенціалів називається напругою Холла Величина різниці потенціалів може бути розрахована із співвідношення:

де К – константа Холла, що залежить від матеріалу напівпровідника d – товщина пластини, ic – Величина струму управління

В – магнітна індукція

 

Існує кілька типів датчиків струму, в основі яких закладено використання елемента Холла Перший тип датчика називається датчиком прямого посилення Принцип його дії показаний на рис 253

Рис 253 Датчик прямого посилення на основі елемента Холла

В основі датчика лежить кільцевої феромагнітний магнітопровід, в зазорі якого встановлений елемент Холла Через вікно магнітопровода проходить провідник з вимірюваним струмом ip Силові лінії магнітного поля з величиною індукції В замикаються всередині муздрамтеатру Ток управління датчиком /з генерується вбудованим струмовим генератором з високою стабільністю Вимірюваний сигнал UH посилюється електронною схемою і подається на вихід датчика З урахуванням усіх констант, що входять в математичне вираз, що описує фізичні процеси в датчику, величина вихідної напруги буде лінійно залежати від величини протікаючого силового струму:

де z – константа датчика

Датчики прямого посилення можуть вимірювати як постійні, так і змінні струми Вони порівняно прості за схемами своєї побудови, витримують значні струмові перевантаження і відрізняються невеликим власним споживанням струму Важливим для серійного виробництва статичних перетворювачів також є їх низька вартість Розробнику слід запамятати, що датчики прямого посилення формують вихідний сигнал у вигляді напруги

У ряді випадків, однак, від датчика струму потрібно формування вихідного струмового сигналу, пропорційного вимірюваному струму Для вирішення цих завдань розроблений інший тип датчика, званий компенсаційним На рис 254 показаний принцип дії компенсаційного датчика Холла

Рис 254 Датчик компенсаційного типу на основі елемента Холла

Відмінність його від датчика прямого посилення полягає в наявності додаткової компенсаційної обмотки, розміщеної на кільцевому магнітопроводі Сформований датчиком Холла сигнал перетвориться в струм компенсації /5, Який подається в обмотку компенсації Магнітне поле, утворене струмом компенсації, прагне звести до нульового магнітний потік в магнітопроводі За величиною струму компенсації можна судити про величину вимірювального струму у відповідності з наступною залежністю:

де Np – Число витків провідника з силовим струмом, що проходять через вікно магнітопровода датчика

Ns – Число витків компенсаційної обмотки

Зрозуміло, що число витків обох обмоток – це конструктивний параметр, який задається при розробці датчика, і не може бути якимось чином змінений при його використанні в якості елемента силової схеми перетворювача Тобто, їх ставлення – є константа, а значить, вихідний струм компенсаційного датчика буде прямо пропорційний вимірюваному струму, тобто змінюватися за лінійним законом

У чому перевага датчиків компенсаційного типу перед датчиками прямого посилення Так як компенсаційні датчики працюють в режимі нульової індукції муздрамтеатру, це дозволяє виключити вплив нелінійності феромагнетика і значно підвищити точність перетворення До інших достоїнств компенсаційних датчиків відносяться: малий температурний дрейф, малий час відгуку, широкий діапазон частот, можливість роботи в режимі видачі вихідного сигналу струму і сигналу напруги До недоліків компенсаційних датчиків відносять збільшені габарити (у порівнянні з датчиками прямого перетворення) і більш високу вартість

У переважній більшості випадків технічні параметри названих двох типів датчиків повинні влаштувати розробників стандартної перетворювальної техніки Ну а якщо розробника все ж не задовольняють швидкодія, температурна стабільність датчика компенсаційного типу Тоді доведеться звернути увагу на модифіковані компенсаційні датчики С-типу, що дозволяють з високою точністю виміряти, крім усього іншого, і диференціальні силові струми Пристрій компенсаційних датчиків С-типу показано на рис 255

Вимірювальний вузол датчика С-типу складають два ідентичних кільцевих муздрамтеатру з рівною кількістю витків компенса-

ційних обмоток, включених послідовно Генератор формує Двуполярность меандр, який подається на обмотку компенсації і складається з компенсуючим струмом Середня точка компенсаційних обмоток підключена до фільтру нижніх частот, який згладжує ток компенсації Тригер змінює полярність вихідного сигналу генератора при виникненні насичення в магнітопроводах Таким чином, гистерезисная крива магнитопроводов стає симетричною з високим ступенем точності, а струм в одній з обмоток компенсації – строго пропорційним вимірюваному струму у відповідності з виразом

(253) Далі струмовий вихідний сигнал перетвориться за допомогою конвертора «ток-напруга» у вихідний сигнал датчика

Перевага компенсаційних датчиків С-типу в порівнянні зі стандартними компенсаційними датчиками очевидно: якщо останні забезпечують роботу в частотному діапазоні до 150 кГц при типовий нелінійності 0,5 .. 1,0%, то датчики С-типу дозволяють працювати в діапазоні до 500 кГц при типовий нелінійності до 0,1%

І, нарешті, при необхідності забезпечення дуже жорсткою температурної стабільності, перешкодозахищеності та лінійності, можна застосувати компенсаційні датчики IT-типу (рис 256)

Як і в попередньому випадку, компенсація магнітного потоку в магнітопроводах здійснюється за допомогою обмоток компенсації Проте в даному випадку в схемі передбачений спеціальний вузол детектора

нульового потоку, що має два муздрамтеатру Ці магнітопроводи конструктивно встановлені так, щоб забезпечувати нульовий потік в головному (вимірювальному) муздрамтеатрі Якщо в основному муздрамтеатрі потік відмінний від нульового, компенсаційні магнітопроводи входять в насичене стан несиметрично, що призводить до появи двох асиметричних струмів з різним гармонійним складом, причому один з магнітопроводів завжди буде знаходитися в менш насиченому стані, ніж другий При підсумовуванні двох струмових сигналів результуючий сигнал виявиться насиченим тільки гармоніками вимірювального струму Компенсаціонниедатчікі ГГ-типу дозволяють забезпечити температурну стабільність порядку 0,00003% на градус Цельсія і лінійність близько 0,001% Для порівняння, у компенсаціоннихдатчіков С-типу цей параметр становить 0,01% на градус Цельсія

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил