EA008209B1 - Токоизмерительное устройство, датчик тока, электрический блок расцепления и выключающее устройство, содержащее такое токоизмерительное устройство - Google Patents

Abstract

Токоизмерительное устройство по типу устройства Роговского содержит по меньшей мере три катушки (2), электрически соединенные последовательно и образующие замкнутый многоугольный контур, окружающий провод (7), для измерения тока. Локальная индуктивность по меньшей мере одного из концов (А) указанных катушек (2) больше, чем локальная индуктивность около центральной части (В) указанных катушек.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к токоизмерительному устройству Роговского, содержащему по меньшей мере три катушки, последовательно электрически соединенные и образующие замкнутый многоугольный контур, предназначенный для окружения проводника, для измерения тока.

Предшествующий уровень техники

Использование токоизмерительных устройств, содержащих индуктивные датчики Роговского, широко описано в литературе.

Токоизмерительные устройства Роговского содержат подложку из немагнитного материала, расположенную вокруг проводника тока или провода, по которому протекает ток, подлежащий измерению. Для образования вторичной обмотки на опорный элемент наматывают проводящий провод. Сборка представляет собой трансформатор, в котором указанный токонесущий проводник или провод образует первичную обмотку, а с указанной вторичной обмотки снимается измерительный сигнал. Напряжение на выводах вторичной обмотки прямо пропорционально величине электрического тока, протекающего по проводнику тока или проводу. Отсутствие магнитного сердечника, способного насыщаться, позволяет получить широкий диапазон измерений.

Чтобы измерять напряжение независимо от положения проводника в подложке и подавить влияние других проводников, расположенных за пределами подложки, количество витков на единицу длины должно быть постоянным по всей длине катушки, а витки должны быть намотаны виток к витку.

В некоторых устройствах (И8 4611191, XVО 01/57543 А1) имеются катушки в виде тороидальных соленоидов. В этом случае электрический провод может быть намотан на тороидальную непроводящую подложку с круговым или прямоугольным поперечным сечением. Хотя решения с использованием замкнутого тороида очень эффективны, вследствие геометрии тороида остаются трудности производственного характера. В сущности, намотка тороида остается сложной, и это особенно справедливо, когда размер токоизмерительного устройства небольшой.

Для исключения производственных проблем предложены другие решения, сущность которых заключается в использовании сборки из нескольких катушек, электрически соединенных последовательно и расположенных с образованием многоугольного контура. В этом случае каждая сторона многоугольника образована линейной или квазилинейной катушкой. Вообще говоря, чем большее число используемых катушек, тем ближе общая форма многоугольника к форме цилиндрического тороида (ΌΕ 19731170).

Чтобы оптимизировать промышленное изготовление многоугольника, могут быть использованы решения, в которых многоугольные контуры имеют четыре стороны, образующие квадратную или прямоугольную конфигурацию (ЕР 209415, ЕР. 2507811, ΌΕ 2432919). Как показано на фиг. 1, токоизмерительное устройство 1 образовано четырьмя линейными катушками 2, электрически соединенными последовательно, продольные оси Υ которых расположены в одной и той же радиальной плоскости. Первичный проводник 7, в котором осуществляется измерение тока, размещен в токоизмерительном устройстве в направлении, перпендикулярном к радиальной плоскости токоизмерительного устройства 1.

Однако в некоторых случаях этим решениям присущ недостаток: они слишком чувствительны к процессам за пределами многоугольника. Поэтому результат измерения тока, протекающего по проводу 7, может быть неправильным.

Действительно, при использовании нескольких катушек 2 для образования замкнутого токоизмерительного устройства многоугольной формы в области каждого соединения между двумя катушками 2 существует зона Н разрыва непрерывности магнитного поля. В отличие от токоизмерительного устройства, содержащего соленоид идеальной тороидальной формы, число витков на единицу длины уже не сохраняется постоянным на протяжении всей длины обмотки измерительного устройства. Существует конструктивный разрыв непрерывности, обусловленный тем, что последний виток катушки 2 не прилегает к первому витку катушки 2, которая непосредственно соединена с ней. Коэффициент М0 взаимной индукции между токоизмерительным устройством и внешней цепью не равен нулю.

Этот конструктивный разрыв непрерывности между двумя катушками становится тем больше, чем меньше внутренний угол α, образованный между двумя катушками многоугольника. Внутренний угол α между катушками токоизмерительного устройства квадратной или прямоугольной формы составляет 90°.

В некоторых известных решениях (ЕР 0838686) эти разрывы непрерывности компенсируются путем расположения четырех катушек так, что каждый конец катушки частично или полностью покрыт катушкой, которая прилегает к нему. Этим решением проблема, связанная с влиянием внешних потоков на измерение тока, полностью не решается. Кроме того, имеются проблемы установки катушек на их подложке.

Согласно другим решениям небольшие магнитные сердечники размещают только на участках структурных разрывов непрерывности. Хотя они уменьшают влияние внешних потоков рассеяния, эти сердечники при наличии сильных токов входят в насыщение. Кроме того, из-за наличия этих сердечников соединение катушек друг с другом становится более сложным

- 1 008209

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков известных решений и создание токоизмерительного устройства, которое менее чувствительно к внешним возмущениям, имеет меньший объем и проще в изготовлении.

Токоизмерительное устройство согласно изобретению содержит катушки, при этом локальная индуктивность по меньшей мере одного из концов указанных катушек выше, чем локальная индуктивность около центральной части указанных катушек.

Предпочтительно локальная индуктивность на обоих концах указанных катушек выше, чем локальная индуктивность около центральной части указанных катушек.

Целесообразно, чтобы концы катушек, локальная индуктивность которых выше, чем локальная индуктивность центральной части, содержали большее число витков провода на единицу длины по сравнению с числом витков провода на единицу длины около центральной части катушек.

Полезно, чтобы концы содержали большее число слоев витков провода по сравнению с числом слоев витков провода возле центральной части указанных катушек, при этом шаг намотки витков является постоянным.

В конкретном варианте осуществления концы имеют в одном слое витков меньший шаг намотки по сравнению с шагом намотки возле центральной части указанных катушек.

Предпочтительно число витков на двух концах катушек изменяется на интервале, составляющем от 10 до 20% от общей длины катушки.

Предпочтительно, чтобы концы катушек, локальная индуктивность которых выше, чем локальная индуктивность центральной части, содержали витки большей длины по сравнению с длиной витков возле центральной части указанных катушек.

В конкретном варианте осуществления радиальные поверхности концов двух катушек частично покрываются прилегающими катушками.

Предпочтительно токоизмерительное устройство образовано четырьмя катушками, расположенными так, чтобы образовать замкнутый контур.

Преимущественно указанный контур имеет квадратную или прямоугольную форму.

Комбинированный датчик тока содержит магнитный датчик тока, имеющий катушку, намотанную вокруг магнитопровода, и включает в себя токоизмерительное устройство, охарактеризованное выше и установленное таким образом, что первичная цепь магнитного датчика тока соответствует первичной цепи токоизмерительного устройства.

Электрический блок расцепления содержит средство обработки, подключенное по меньшей мере к одному токоизмерительному устройству, охарактеризованному выше, для приема по меньшей мере одного сигнала, представляющего первичный ток.

Выключающее устройство содержит механизм размыкания электрических контактов и реле, подключенное к блоку расцепления, охарактеризованному выше, при этом блок расцепления содержит токоизмерительное устройство, охарактеризованное выше.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием конкретного варианта осуществления изобретения, приведенного только в качестве примера воплощения, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 изображает вид сверху известного токоизмерительного устройства;

фиг. 2 - вид сверху токоизмерительного устройства с четырьмя катушками согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения;

фиг. 3 - участок соединения двух катушек согласно изобретению;

фиг. 4 - вид сбоку токоизмерительного устройства согласно изобретению;

фиг. 5-7 - альтернативные варианты осуществления токоизмерительного устройства согласно изобретению;

фиг. 8-10 - общие виды катушек в сборке согласно изобретению;

фиг. 11 - общий вид токоизмерительного устройства, объединенного с магнитным датчиком тока, согласно изобретению;

фиг. 12 - блок-схема выключающего устройства, содержащего датчики тока, согласно изобретению. Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Известное токоизмерительное устройство 1 (фиг. 1) содержит по меньшей мере три линейные катушки 2, электрически соединенные последовательно и образующие замкнутый многоугольный контур.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения токоизмерительное устройство 1 (фиг. 2) содержит четыре линейные катушки 2, расположенные в одной плоскости. Продольная ось Υ каждой катушки перпендикулярна к соответствующим продольным осям двух смежных катушек.

Каждая катушка содержит полый жесткий или полужесткий каркас линейной формы, выполненный из немагнитного материала и имеющий цилиндрическое, квадратное, прямоугольное или овальное поперечное сечение. Металлический провод, изготовленный из меди или из сплава на основе меди, намотан на каркас.

- 2 008209

Обычно каркасы известных датчиков имеют поперечные сечения круговой формы. Однако такая форма не позволяет получать максимальное поперечное сечение, когда пространство или объем, выделенный для датчиков, ограничен. В данном варианте осуществления поперечное сечение каркасов катушек имеет прямоугольную форму. На двух торцах указанных катушек 2 расположены соответственно два фланца 3.

Катушки 2 электрически соединены друг с другом последовательно. Каждая катушка закреплена на основании 5, поддерживающем набор из четырех катушек. Основание 5 имеет центральное отверстие 6, через которое пропущен проводник тока или провод 7, по которому проходит ток, подлежащий измерению. Этот проводник тока или провод 7 образует первичную цепь токоизмерительного устройства 1.

В варианте осуществления, представленном на фиг. 9, 10, основание 5 образовано печатной платой. В этом случае плата обеспечивает как механическое закрепление катушек 2, так и электрическое соединение между ними. Внешние соединения печатной платы образованы посредством соединительных шин

10. Четыре катушки 2 имеют соединительные штырьки 9, непосредственно припаянные к дорожкам 11 печатной платы.

Каждая катушка 2 может содержать несколько слоев провода. Намотку провода в любом одном слое выполняют с постоянным шагом. Другими словами, число витков 8 в слое на единицу длины является постоянным. Кроме того, предпочтительно, чтобы витки располагались виток к витку.

Каждая катушка 3 имеет либо четное число слоев провода, и в этом случае соединительные штырьки 9 находятся на одной и той же боковой поверхности каркаса катушки, либо нечетное число слоев провода, и в этом случае соединительные штырьки 9 находятся на обеих боковых поверхностях каркаса. В первом случае соединительные токопроводящие дорожки 11 соседних катушек имеют длину, по существу равную длине каркаса. Во втором случае печатная плата имеет нейтрализующую токопроводящую дорожку, по существу окружающую центральное отверстие 6. Эта дорожка соединена электрически последовательно с обмотками, но магнитно противофазно им, чтобы нейтрализовать возмущающие воздействия внешних магнитных полей.

Вследствие такого размещения четырех катушек 2 по сторонам квадрата там, где отсутствуют витки 8, безусловно существуют четыре зоны Н разрыва структурной непрерывности. Внутренние углы α, образованные между катушками многоугольника, составляют 90°.

В идеальном случае в зоне Н (фиг. 3) должны быть расположены витки 88 для предотвращения любого разрыва непрерывности катушки по периметру датчика. При этом число витков на единицу длины на этих участках изгиба должно быть близким к числу витков на единицу длины на линейных участках.

Для ограничения вредных эффектов, обусловленных отсутствием витков на этих участках датчика, согласно изобретению, токоизмерительное устройство содержит средство компенсации зон разрыва непрерывности датчика. Указанное средство компенсации обеспечивает локальное изменение индуктивности катушек около их соответствующих концов. Фактически изобретение заключается в локальном повышении индуктивности катушек 2 на их концах А (фиг. 2). Поэтому локальная индуктивность на концах А больше по сравнению с индуктивностью, наблюдаемой около центральной части В указанных катушек 2.

Таким образом, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения устройство содержит катушки 2 с обмотками, имеющими дополнительные витки на двух концах А. В этом варианте осуществления эффект разрыва структурной непрерывности ослабляется с помощью электрической компенсации. Число витков 8, добавляемых на каждом конце А, составляет около (1/^2) от числа витков, отсутствующих в зоне Н. Катушки 4 избыточной толщины выполнены как можно ближе к двум концам А. В этом варианте осуществления катушки 4 избыточной толщины выполнены на интервале Ό, предпочтительно составляющем от 10 до 20% от общей длины Ь катушки. Предпочтительно, чтобы намотка проводом по всей длине каждой катушки выполнялась с постоянным шагом, например виток к витку.

Согласно первому альтернативному варианту осуществления эффект от наличия катушки избыточной толщины заменяется эффектом от изменения шага намотки провода на концах каждой катушки 2. В одном и том же слое провода шаг намотки, выполненный локально на двух концах А катушки, фактически отличается от шага намотки, выполненного локально около центральной части В указанной катушки. Шаг намотки провода на концах А меньше по сравнению с шагом намотки, имеющимся локально около центральной части В катушки. Поэтому, не прибегая к необходимости увеличения числа слоев, число витков 8 на единицу длины, выполненное локально на концах А, больше по сравнению с числом витков на единицу длины, выполненным локально около центральной части В линейной катушки 2.

Согласно второму альтернативному варианту осуществления, представленному на фиг. 5, 6, разрыв структурной непрерывности может быть компенсирован путем изменения длины провода на виток катушки на концах А катушек 2. Каждая катушка 2 размещена на немагнитном каркасе, поперечное сечение которого не является постоянным по его длине Ь. Поперечное сечение каркаса около двух концов А больше, чем поперечное сечение возле центральной части В. Каркас может быть представлен как состоящий из двух объемов в виде усеченных конусов, расположенных так, что большие основания конусов соответствуют поверхностям, находящимся на концах А каркаса. Другое решение заключается в ис

- 3 008209 пользовании каркаса, поперечное сечение которого изменяется от одного конца А до другого, повторяя профиль, соответствующий участку окружности или параболы.

Согласно еще одному альтернативному варианту осуществления, представленному на фиг. 7, первоначальный разрыв структурной непрерывности компенсируется повышением локальной индуктивности к концам А катушек, с одной стороны, и смещением двух катушек в пространстве, с другой стороны. Следовательно, электрическая компенсация скомбинирована с геометрической компенсацией. Эта геометрическая компенсация заключается в расположении двух параллельных катушек таким образом, что их концы А частично покрывают радиальные поверхности прилегающих катушек.

Естественно, можно представить себе комбинацию этих четырех вариантов осуществления изобретения. Например, действительно, можно себе представить, что на концах А катушек 2 образованы катушки избыточной толщины с обмотками, которые имеют переменный шаг, или образованы катушки, имеющие переменное поперечное сечение с обмотками, имеющими переменный шаг. Более того, одно и то же токоизмерительное устройство 1 может содержать катушки, выполненные в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными выше.

Кроме того, решения, описанные выше, обеспечивают получение на всех концах А всех катушек 2 модифицированной локальной индуктивности. Поэтому разрыв непрерывности между двумя катушками 2 компенсируется вследствие структурного или электрического видоизменения соответствующих концов А двух катушек 2. Также можно представить себе видоизменение только одного конца из двух концов А двух катушек 2. Практически для всех катушек 2 токоизмерительного устройства 1 только один конец А из двух будет иметь модифицированную локальную индуктивность.

В общем случае вредные эффекты или внешние возмущения оказывают большее влияние на измерение тока, когда зоны Н разрывов непрерывности являются большими. Другими словами, чем меньше внутренний угол α между двумя катушками, например меньше 90°, тем больше зона Н разрыва непрерывности и тем больше будут возмущения. Следовательно, средства компенсации согласно изобретению, особенно подходят для датчиков тока, имеющих катушки, расположенные по прямоугольному контуру, имеющему по меньшей мере восемь сторон. Поэтому в случае многоугольников, имеющих более чем восемь сторон, необходимость в прилегающих средствах компенсации меньше, поскольку зоны Н разрывов непрерывности относительно небольшие.

Токоизмерительное устройство 1 согласно различным вариантам осуществления изобретения особенно желательно объединять с магнитным датчиком тока, образуя тем самым комбинированный датчик тока 20, состоящий из магнитного датчика и токоизмерительного устройства 1 типа устройства Роговского.

Сборка 20 может быть встроена в электрический блок 40 расцепления, предназначенный для управления выключающим устройством, таким как автоматический выключатель 50. Автоматический выключатель 50 закреплен на проводниках тока или проводах 25. Кроме того, к источнику 28 питания блока расцепления подключены магнитные датчики тока.

Токоизмерительное устройство 1 согласно изобретению подключено к средству 29 обработки. Средство 29 обработки получает питание от источника 28 питания. Как показано на фиг. 12, каждый из нескольких электрических полюсов может содержать токоизмерительное устройство Роговского и магнитный датчик тока.

Если на средство 29 обработки с токоизмерительного устройства 1 поступает информация о коротком замыкании в цепи по меньшей мере одного из проводов 25, то на размыкающий механизм 32 через реле 31 подается команда управления для размыкания контактов 30.

Как показано на фиг. 11, магнитный датчик тока по существу состоит из катушки 23, установленной на магнитопроводе 22, которая образует вторичную обмотку трансформатора тока. Первичная цепь образована проводником 25 тока или проводом, на котором установлена сборка 20. Этот проводник тока или провод 25 (не показан) проходит внутри отверстия 6, предусмотренного в магнитопроводе 22. В соответствии с этим вариантом осуществления первичная цепь магнитного датчика тока также соответствует первичной цепи токоизмерительного устройства 1 согласно изобретению. Четыре линейные катушки 2, установленные последовательно и образующие квадрат, фактически расположены вокруг отверстия 6, через которое проходит указанный проводник тока или провод 25. Печатная плата 5, служащая опорой для четырех катушек, используется не только для электрического соединения указанных катушек, но также и для электрического соединения с катушкой 23. Кроме того, можно представить себе использование единственной соединительной шины 10 для обоих датчиков.

Эта конфигурация обеспечивает возможность значительного уменьшения габаритного размера и облегчения установки комбинированного датчика 20 тока в электрических блоках 40 расцепления.

Claims (13)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Токоизмерительное устройство по типу устройства Роговского, содержащее по меньшей мере три катушки (2), электрически соединенные последовательно и образующие замкнутый многоугольный контур, окружающий проводник тока или провод (7), для выполнения измерений тока, отличающееся тем,

   - 4 008209 что локальная индуктивность по меньшей мере одного из концов (А) указанных катушек (2) больше, чем локальная индуктивность около центральной части (В) указанных катушек.
2. 2. Токоизмерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что локальная индуктивность на обоих концах (А) катушек (2) больше, чем локальная индуктивность около центральной части (В) указанных катушек.
3. 3. Токоизмерительное устройство по любому из пп.1, 2, отличающееся тем, что концы (А) катушек (2), локальная индуктивность которых больше, чем локальная индуктивность центральной части (В), содержат большее число витков (8) провода на единицу длины по сравнению с числом витков (8) провода на единицу длины около центральной части (В) указанных катушек.
4. 4. Токоизмерительное устройство по п.3, отличающееся тем, что концы (А) катушек (2) содержат большее число слоев витков (8) провода по сравнению с числом слоев витков (8) провода около центральной части (В) указанных катушек, при этом шаг намотки витков является постоянным.
5. 5. Токоизмерительное устройство по п.3, отличающееся тем, что концы (А) имеют в одном и том же слое витков (8) меньший шаг намотки витков по сравнению с шагом намотки витков около центральной части (В) указанных катушек.
6. 6. Токоизмерительное устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что изменение числа витков на каждом конце (А) катушек (2) осуществлено на интервале (Ό), составляющем от 10 до 20% от общей длины (Ь) катушки (2).
7. 7. Токоизмерительное устройство по любому из пп.1, 2, отличающееся тем, что концы (А) катушек (2), локальная индуктивность которых выше, чем локальная индуктивность центральной части (В), содержат витки большей длины по сравнению с длиной витков около центральной части (В) указанных катушек.
8. 8. Токоизмерительное устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что радиальная поверхность по меньшей мере одного из концов (А) катушки (2) частично покрыта прилегающей катушкой.
9. 9. Токоизмерительное устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что оно образовано четырьмя катушками (2), расположенными так, чтобы образовать замкнутый контур.
10. 10. Токоизмерительное устройство по п.9, отличающееся тем, что контур имеет квадратную, прямоугольную или многоугольную форму.
11. 11. Комбинированный датчик (20) тока, содержащий магнитный датчик тока, имеющий катушку (23), намотанную вокруг магнитопровода (22), отличающийся тем, что он содержит токоизмерительное устройство (1) по пп.1-10, установленное таким образом, что первичная цепь (7, 25) магнитного датчика соответствует первичной цепи (7, 25) токоизмерительного устройства (1).
12. 12. Электрический блок (40) расцепления, содержащий средство (29) обработки, отличающийся тем, что средство (29) обработки подключено по меньшей мере к одному токоизмерительному устройству (1) по пп.1-10 для приема по меньшей мере одного сигнала, представляющего первичный ток.
13. 13. Выключающее устройство (50), содержащее механизм (32) размыкания электрических контактов (30) и реле (31), подключенное к электрическому блоку (40) расцепления, отличающееся тем, что электрический блок расцепления является электрическим блоком (40) расцепления по п.12, который содержит токоизмерительное устройство (1) по пп.1-9.