Cw2 21

PRZETWORNIKI POMIAROWE

W ELEKTRONICZNYCH LICZNIKACH

ENERGII ELEKTRYCZNEJ PRĄDU

PRZEMIENNEGO

(opracowali: Michał Jagusiak, Zbigniew Piętka)

Pomiar energii elektrycznej licznikami elektronicznymi realizowany jest przez przetwarzanie analogowych sygnałów wejściowych (napięć i prądów) na cyfrowe sygnały wyjściowe.

Pomiary napięć dokonywane są z wykorzystaniem dzielników rezystancyjnych, a z uwagi na nieduży względny zakres zmian sygnałów wejściowych stają się zagadnieniem stosunkowo łatwym.

Pomiary prądów są problemem bardziej skomplikowanym z uwagi na szeroki zakres zmian sygnału wejściowego (od kilku mA do kilkudziesięciu A), który przy dużych wartościach wiąże się z niepożądanymdziałaniem termicznym prądu.

W licznikach elektronicznych energii elektrycznej prądu przemiennego stosuje się obecnie następujące rozwiązania techniczne wejściowych obwodów prądowych (tab. 1):

a) boczniki pomiarowe b) przetworniki Halla c) transformatory prądowe d) cewki (paski) Rogowskiego

Tabela 1. Istotne parametry przetworników prądowych stosowanych w elektronicznych

licznikach energii elektrycznej [4, 6]

Rodzaj przetwornika

prądowego pomiarowyBocznik Transformatorprądowy PrzetwornikHalla RogowskiegoCewka

Koszt Niski Średni Wysoki Niski

Liniowość charakterystyk Bardzo dobra Dobra Niska Bardzo dobra

Możliwość pomiaru bardzo

dużych prądów Nieprzydatne Dobra Dobra Bardzo dobra

Straty mocy Wysokie Niskie Średnie Niskie

Wpływ zmian temperatury na charakterystykę

Bocznik pomiarowy jest to rezystor włączany szeregowo w obwód

pomiarowy. Przepływ prądu wywołuje spadek napięcia na rezystancji bocznika, proporcjonalny do wartości przepływającego prądu, zgodnie z prawem Ohma (rys. 1). Napięcie z zacisków napięciowych U-U bocznika jest doprowadzane do wejścia pomiarowego scalonego przetwornika mocy realizującego pomiar energii.

U U

I I

M a n g a n i n m V

Rys. 1. Bocznik rezystancyjny [4]

Boczniki stosowane są w najprostszych i najtańszych licznikach energii. Charakteryzują się one następującymi negatywnymi właściwościami:

 brak izolacji galwanicznej obwodu pierwotnego prądowego od elektronicznych układów pomiarowych,

 niska odporność obwodów wejściowych licznika na przepięcia napięciowe i łączeniowe,

 występowanie „szumów” na czułym wejściu pomiarowym,

 ze względu na duże straty cieplne utrudniony dokładny pomiar dużych prądów powyżej 30 A,

 występowanie napięć niebezpiecznych dla elektronicznych elementów licznika.

Dodatkowym utrudnieniem w procesie wzorcowania liczników, z pomiarem bocznikowym prądu (z uwagi na brak możliwości rozdzielenia obwodu prądowego od napięciowego), jest konieczność stosowania drogich układów separacji napięciowej w stacjach wzorcowniczych.

Boczniki manganinowe stosowane w licznikach elektronicznych energii elektrycznej mają rezystancję około (0,10,3) x 103 _{Ω i przeznaczone są do}

liczników bezpośrednich o zakresie prądowym do kilkudziesięciu amperów. Charakterystykę zmian rezystancji przykładowego bocznika w funkcji temperatury przedstawia rysunek 2. T e m p e r a t u r a w [ ° C ]  R w [ % ] 0 , 5 0 1 - 1 - 0 , 5 - 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0

Przetwornik Halla (hallotron) jest półprzewodnikowym elementem mnożącym

indukcji magnetycznej B i prądu sterującego Is w napięcie UH (wzór (1)). Zasadę

działania przetwornika Halla wyjaśnia rysunek 3.

Rys. 3. Zasada działania hallotronu [1, 7]

Przetwornik z płytką Halla w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (O/L) wyko-nany jest w postaci płytki z materiału półprzewodnikowego umieszczonej w szcze-linie poprzecznej pierścienia wykonanego z materiału ferromagnetycznego.

Do położonych naprzeciw siebie ścianek płytki półprzewodnikowej, równoległych z liniami sił pola magnetycznego, podłączone jest źródło prądowe zapewniające przepływ prądu sterującego Is przez płytkę półprzewodnikową.

Przewód, przez który płynie mierzony prąd, znajduje się w „oknie” toroidu. Mierzony prąd Ip wytwarza pole elektromagnetyczne o natężeniu proporcjonalnym

do wartości Ip. Wynikiem zjawiska Halla jest powstanie małego sygnału

napięciowego, który należy wzmocnić, a następnie zapewnić pracę przetwornika w przedziale liniowym histerezy rdzenia (rys. 4) tak, aby strumień o indukcji B był proporcjonalny do natężenia pola H (prądu mierzonego Ip).

H B B n a s y c e n i a P r z e d z i a ł l i n i o w y 0

Wartość napięcia Halla określa wzór p s H s H H I c I d R d B I R U       (1) gdzie: UH- napięcie Halla,

RH- stała Halla zależna od materiału płytki,

d - grubość płytki, Is- prąd sterujący,

c - stała,

Ip- prąd mierzony.

Dla danego rodzaju przetwornika wszystkie wielkości we wzorze (1) są stałe, więc można zapisać

UH = K  Ip (2)

gdzie K - stała przetwornika.

Ze wzoru (2) wynika, że w przetworniku Halla zależność napięcia wyjściowego jest wprost proporcjonalna do mierzonego prądu.

Przykładowy schemat blokowy licznika z przetwornikami Halla przedstawiony jest na rysunku 5.

Kształt pętli histerezy (rys. 4) ogranicza zakres zmian liniowości zmian UH =

= f(Ip). Ze względu na dużą szczelinę powietrzną w pierścieniu wraz ze wzrostem

prądu Ip wzrastają błędy pomiarowe przetwornika. W celu poprawy charakterystyk

przetworników Halla stosuje się rozwiązanie polegające na umieszczeniu wzdłuż obwodu magnetycznego ze szczeliną powietrzną sondy kompensującej o strukturze amorficznej,wykonanejzmateriału magnetycznie miękkiego,zawierającegokobalt Co (rys. 6).

Rys. 6. Charakterystyka temperaturowa przetworników Halla w zakresie tempera-tury od –40 do 100°C [2]

Jako materiały półprzewodnikowe w hallotronach wykorzystywane są: krzem Si, german Ge oraz arsenek galu GaAs, arsenek indu InAs itp.

Przetworniki Halla stosowane są zarówno w licznikach pośrednich (prądy mierzone - 1 A, 5 A), jak i w licznikach bezpośrednich (prądy mierzone rzędu 100 A). Zapewniają dobre charakterystyki dynamiczne i pasmo przenoszenia do kilku kHz.

Przetworniki Halla wymagają jednak dodatkowego stabilizowanego zasilania pomocniczego i elektronicznych układów kompensacji temperaturowej, co wpływa znacząco na cenę licznika. Współczynnik nieliniowości przetwornika Halla wykonanego z arsenku galu wynosi ok. –0,05%/deg.

Przetworniki Halla zapewniają również poprawny pomiar przy występowaniu w prądzie mierzonym składowej stałej.

Z uwagi na rozbudowany układ elektroniczny służący zapewnieniu idealnych charakterystyk wyjściowo-wejściowych możliwe jest uzyskanie klasy pomiaru rzędu 0,1% przy seryjnej produkcji.

Pomiarowe przekładniki prądowe stosowane w licznikach to transformatory

z toroidalnym rdzeniem ferromagnetycznym. Przez okno rdzenia przełożony jest przewód, przez który płynie mierzony prąd Ip. Prąd ten wzbudza w rdzeniu

strumień indukcji elektromagnetycznej oraz wyindukowanie SEM w obwodzie wtórnym przekładnika.

Wartość prądu wtórnego I2 jest zależna prawie liniowo od prądu pierwotnego

w bardzo szerokim zakresie charakterystyk

Hallotron z kompensacją (sonda amorficzna Co)

T [°C]

2 1 1 2 z z I I  (3) gdzie:

I1- natężenie prądu w uzwojeniu pierwotnym,

I2- natężenie prądu w uzwojeniu wtórnym,

z1- liczba zwojów uzwojenia pierwotnego,

z2- liczba zwojów uzwojenia wtórnego.

Zależność (3) wiąże amperozwoje w przekładniku, zakładając transformację energii bez strat.

W praktyce w przekładnikach występują straty w uzwojeniu wtórnym (zależne od rezystancji uzwojenia i od prądu obciążenia) oraz straty w rdzeniu magnetycznym. Rzeczywisty przekładnik prądowy stosowany w elektronicznych licznikach energii elektrycznej charakteryzuje się następującymi parametrami:

I1 = 60 A (maksymalna wartość skuteczna prądu pierwotnego),

I2 = 24 mA,

ΔΦ(I) = 4,06° - błąd fazowy dla przekładnika z rdzeniem odpornym na problem składowej DC,

ΔΦ(I) = 0,2°- błąd fazowy dla przekładnika z rdzeniem nieodpornym na problem składowej DC,

J < 0,04% błąd amplitudowy.

Uzwojenie wtórne przekładnika obciążone jest rezystorem Rb o wartości rzędu

od kilkudokilkudziesięciuomów.Napięcie na zaciskach tegorezystora jestwprost proporcjonalne do prądu pierwotnego i stanowi sygnał wejściowy do przetwornika elektronicznego.

Stosowanie przekładników prądowych w licznikach ma szereg zalet:

 galwaniczne oddzielenie obwodu pierwotnego od elementów elektroniki licznika,

 odporność obwodu magnetycznego przekładnika na zewnętrzne pola zakłóca-jące,

 duża odporność licznika na impulsy zakłócające z sieci zasilającej,

 duża odporność na przetężenia,

 wieloletnia stabilność charakterystyk obwodu pomiarowego,

 duża odporność na zmiany temperatury,

 niewielkie gabaryty i prosty montaż.

W licznikach wykorzystujących przekładniki z uwagi na ich indukcyjny charakter należy stosować układy korekcji fazowej. Układ korekcji fazowej to prosty i tani układ RC zapewniający idealną charakterystykę obwodu wejściowego. Istnieje również możliwość korekcji programowej tego zjawiska. Parametry metrologiczne przekładników pomiarowych, stosowanych w licznikach, zależą między innymi od właściwości magnetycznych materiału rdzenia.

W licznikach półpośrednich i pośrednich materiał rdzenia przekładnika pomiarowego charakteryzuje się dużą przenikalnością magnetyczną i odpowiednim

zakresem indukcji magnetycznej, liniową charakterystyką oraz odpornością na zmiany temperatury.

Materiały, z których wykonuje się rdzenie, to wysokiej jakości stopy krystaliczne NiFe (ULTRAPERM_{), a szczególnie amorficzne (VITROVAC}_{) lub}

nanokrystaliczne (VITROPERM_{). Niewielka grubość taśmy, z której zbudowany}

jest rdzeń (typowo 22 µm) i bardzo małe straty na prądy wirowe w rdzeniu magnetycznym wywołują bardzo mały błąd amplitudowy. Szczególne cechy struktury amorficznej i nanokrystalicznej prowadzą do niewielkich wartości natężeń pola koercji i małej zależności temperaturowej własności magnetycznych. Zależność temperaturowa błędów przekładnika określona jest przede wszystkim przez liniową zależność temperaturową uzwojenia miedzianego.

Liczniki wykonane zgodnie z normą PN/EN-61036 powinny być odporne na występowanie składowej stałoprądowej, która powoduje nasycanie magnetyczne rdzeni, konwencjonalnych przekładników prądowych podczas przepływu prądu wyprostowanego przez jednokierunkowy prostownik. Dotyczy to pomiaru energii odbiorników z zasilaczami z diodami umieszczonymi po stronie pierwotnej. Do tych liczników wykorzystywane są przekładniki z rdzeniami wykonanymi z szybkoschładzanych stopów amorficznych bardzo czułych na zmiany pola magnetycznego.

Doskonałewłasnościmateriałówmagnetycznie miękkich na rdzenie magnetycz-ne prowadzą do małego błędu amplitudowego (rzędu ppm), jak również niezwykle małej liniowej zależności od temperatury.

Cewka Rogowskiego (inne nazwy: pasek lub wstęga Rogowskiego) to nowe

- i na razie mało popularne rozwiązanie techniczne transformatora pomiarowego bezrdzeniowego.

Działanie cewki Rogowskiego (rys. 7) opiera się na wykorzystaniu zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Wartość napięcia wyjściowego z cewki umieszczonej w polu magnetycznym jest wprost proporcjonalna do zmian prądu w

Rys. 7. Zasada działania cewki

czasie (di/dt). Zakładając, że cewka posiada z zwojów, a zwoje są w kształcie prostokąta, można określić zależność

dt ) t ( di b c ln 2 L z SEM o _            (4)

Zależność powyższą oraz występujące w niej wielkości wyjaśnia rysunek 7. Cewka Rogowskiego, jako transformator bezrdzeniowy, posiada część zalet przekładników z rdzeniem magnetycznym, a mianowicie:

 galwaniczne oddzielenie obwodu pierwotnego od elektroniki licznika,

 duża odporność na przetężenia,

 wieloletnia stabilność charakterystyk obwodu pomiarowego,

 duża odporność na zmiany temperatury,

 niewielkie gabaryty i prosty montaż.

Stosowanie cewki Rogowskiego jako przekładnika pomiarowego w licznikach utrudniają:

 podatność na wpływ zewnętrznych pól magnetycznych,

 konieczność ekranowania od wpływu pól niskoczęstotliwościowych (stosowanie grubych ekranów lub materiałów o dużej przenikalności magnetycznej),

 zjawisko „pętli niepożądanych” polegające na wrażliwości zwojów (pętli) na zakłócenia prostopadłe do pętli,

 konieczność stosowania w liczniku specjalnych czułych wzmacniaczy wejściowych,

 niska przydatność w zakresie pomiaru małych prądów.

LITERATURA

[1] A. Chwaleba, M. Poniński, A.Siedlecki: Metrologia elektryczna. WNT,Warszawa

1994.

[2] M. Soiński: Materiały magnetyczne w technice. Politechnika Częstochowska, Często-chowa 2000.

[3] E. Koziej, B. Sochoń: Elektrotechnika i elektronika. PWN, Warszawa 1975. [4] Archiwum firmy „ZEUP Pozyton”, 1990-2003.

[5] Materiały firmy „Isabellenhuette”. [6] Materiały firmy „Analog Devices”. [7] Materiały firmy „LEM”.