Zasada pomiaru Skład i testowanie złączonych transformatorów elektronicznych
1 Zasada pomiaru złączonych przekształtników elektronicznych
1.1 Zasada pomiaru napięcia
Przekształtniki elektroniczne mierzą napięcie metodą podziału napięcia pojemnościowego. Ponieważ napięcie na kondensatorze nie może zmieniać się nagłym skokiem, napięcie wtórne otrzymane bezpośrednio poprzez podział pojemnościowy ma słabą odpowiedź przejściową i niską dokładność pomiaru. Aby poprawić dokładność pomiaru, do kondensatora niskonapięciowego podłączany jest precyzyjny opornik próbkujący. Jego zasada działania przedstawiona jest na Rysunku 1.
Na Rysunku 1, w warunkach
Napięcie wyjściowe kondensatora podziałowego jest proporcjonalne do pochodnej czasowej mierzonego napięcia. Poprzez dodanie elementu całkującego można zmierzyć napięcie pierwotne.
Na Rysunku 1, ponieważ większość spadku napięcia występuje na C1, istnieją bardzo wysokie wymagania co do izolacji kondensatora C1. W elektromagnetycznych przekształtnikach napięcia zwykle stosowane są kondensatory mocy, podczas gdy w elektronicznych przekształtnikach napięcia nie używa się kondensatorów mocy, a zamiast tego stosuje się kondensatory równoważne.
Struktura kondensatora podziałowego polega na tym, że cylinder wykonany z materiału izolacyjnego jest nasadzany na pręt przewodzący. Następnie dwuwarstwowa elastyczna płyta obwodowa jest przytwierdzana do zewnętrznej części cylindra. Precyzyjny opornik to chipowy opornik przytwierdzony do zewnętrznej warstwy elastycznej płyty obwodowej. Schematyczny rysunek struktury kondensatora podziałowego przedstawiony jest na Rysunku 2.
Pojemność C1 powstaje przez wewnętrzny cylinder. Pręt przewodzący jest równoważny jednej płytce elektrody, a wewnętrzna folia miedziana elastycznej płyty obwodowej jest równoważna drugiej płytce elektrody, z materiałem izolacyjnym jako dielektrykiem. Pojemność C2 powstaje przez zewnętrzny cylinder. Dwustronne folie miedziane dwuwarstwowej elastycznej płyty obwodowej są równoważne płytkom elektrod, a materiał bazowy elastycznej płyty obwodowej, takie jak poliimid, służy jako dielektryk. Jego przekrój poprzeczny przedstawiony jest na Rysunku 3. Równoważną pojemność C można obliczyć za pomocą wzoru.
W formule: r1 to promień wewnętrzny cylindra; r2 jest promieniem zewnętrznym cylindra; H to długość elastycznej płyty obwodowej; εr to względna przenikalność elektryczna elektrolitu; ε0 to przenikalność elektryczna próżni.
1.2 Zasada pomiaru prądu
Przekształtniki elektroniczne używają cewek Rogowskiego do pomiaru prądu. Związek między napięciem wyjściowym wtórnym a prądem wejściowym pierwotnym przedstawia się następująco:
W formule M jest stałą, która nie zależy od położenia mierzonego prądu. Napięcie wyjściowe cewki Rogowskiego jest proporcjonalne do pochodnej mierzonego prądu. Dlatego, poprzez dodanie elementu całkującego po wyjściu cewki Rogowskiego, można przywrócić mierzony prąd.
W tym projekcie cewka Rogowskiego jest cewką Rogowskiego wykonaną z płyty obwodowej. Jej czułość, dokładność pomiaru, stabilność wydajności, wymienność produktów i wydajność produkcji są lepsze niż u tradycyjnie nawiniętych cewek.
Aby zmniejszyć zakłócenia przez pole magnetyczne akcesorium i poprawić dokładność pomiaru, cewka Rogowskiego wykonana z płyty obwodowej zazwyczaj używa dwóch cewek połączonych szeregowo, tworząc wejście różnicowe. Kierunki nawinięcia tych dwóch cewek PCB są różne. Jedna jest nawinięta według zasady prawej ręki, a druga według zasady lewej ręki. W ten sposób generowane są dwa napięcia indukowane o przeciwnych biegunach, a napięcie wyjściowe połączenia szeregowego jest dwa razy większe niż napięcie pojedynczej cewki Rogowskiego, jak pokazano na Rysunku 4.
1.2 Zasada pomiaru prądu (ciąg dalszy)
Ze względu na różne współczynniki rozszerzalności termicznej folii miedzianej i podłoża PCB, ich ilości deformacji różnią się, gdy temperatura się zmienia. Aby zmniejszyć błędy spowodowane deformacją i zapobiec pęknięciu folii miedzianej, produkowane cewki PCB podlegają procesowi starzenia temperaturowego. Ten proces, z jednej strony, uwalnia naprężenia wewnętrzne cewek, aby zminimalizować błędy, a z drugiej strony, służy do selekcji cewek.
Chociaż cewki Rogowskiego z wyjściem różnicowym mają silną zdolność do tłumienia trybu wspólnego, zakłócenia pola elektrycznego 10 kV pozostają znaczne. Dlatego konieczne jest owijanie cewek Rogowskiego folią miedzianą i zaziemiać folię miedzianą.
2 Zasada kompozycji złączonych przekształtników elektronicznych
2.1 Schemat blokowy złączonych przekształtników elektronicznych
Schemat blokowy złączonych przekształtników elektronicznych przedstawiony jest na Rysunku 5. Napięcie i prąd pierwotne są przekształcane w sygnały wtórne przez kondensator i cewkę Rogowskiego. Poprzez całkowanie i przesunięcie fazy sygnałów wtórnych, można uzyskać sygnały proporcjonalne do sygnałów pierwotnych. Aby poprawić dokładność, całkowanie i kompensacja fazy sygnałów pomiarowych mogą być osiągnięte za pomocą metod przetwarzania sygnałów cyfrowych. Jednak przetwarzanie sygnałów cyfrowych ma pewne opóźnienie i nie może w czasie rzeczywistym odzwierciedlać sygnałów pierwotnych. Dlatego ta metoda przetwarzania nie jest odpowiednia dla sygnałów ochronnych. Ponieważ sygnały ochronne mają niższe wymagania co do dokładności pomiaru, można bezpośrednio używać obwodów analogowych do wzmacniania, całkowania i kompensacji fazy.
2.2 Struktura główki czuciowej złączonych przekształtników elektronicznych
Złączony przekształtnik elektroniczny zawiera jednostkę pomiaru napięcia i jednostkę pomiaru prądu w strukturze pokazanej na Rysunku 6, używając lania epoksydowej żywicy w próżni.
Cewka Rogowskiego jest lana na szynę przewodzącą prąd. Po wzmacnieniu, sygnał wyjściowy cewki jest wysyłany do gniazda wyjściowego przez linie sygnałowe. Ponieważ wzmacniacz wymaga podwójnego zasilania, 3 z wielordzeniowych linii sygnałowych są używane do transmisji zasilania.
Ponieważ przez pręt przewodzący przekształtnika napięcia nie płynie prąd, a także aby zwiększyć dystans ściekowy, zastosowano strukturę, w której pręt przewodzący i szyna przewodząca prąd są prostopadłe do siebie.
Ponieważ głowica czuciowa jest typu aktywnego, żywotność elementów elektronicznych poważnie ogranicza żywotność głowicy czuciowej przekształtnika elektronicznego. Dlatego wszystkie komponenty muszą poddać się selekcji starzeniem przed użyciem.
Aby poprawić stosunek sygnał-szum, sygnały prądu i napięcia są wzmacniane wewnątrz głowicy czuciowej. Obwód wzmacniający sygnału prądu znajduje się na cewce PCB, a obwód wzmacniający sygnału napięcia znajduje się na elastycznej płycie obwodowej. Do wzmacniaczy używane są wysokiej klasy wzmacniacze instrumentacyjne.
3 Testy złączonych przekształtników elektronicznych
Zgodnie z powyższymi zasadami i strukturą, oraz standardami IEC 60044-7 i IEC 60044-8, zaprojektowano prototyp złączonych przekształtników elektronicznych napięcia/prądu 10 kV/600 A. Dla przekształtnika napięcia dokładność pomiaru wynosi klasa 0.5, a poziom ochrony 3P; dla przekształtnika prądu dokładność pomiaru wynosi klasa 0.2, a dokładność ochrony 5P20.
Podczas testów przez przekształtnik elektroniczny przepuszczane są różne prądy i zastosowane są różne napięcia. Sygnał wyjściowy wtorny jest wydawany przez port cyfrowy. Po wyświetleniu przez jednostkę wyświetlania cyfrowego, porównywany jest z referencyjnym przekształtnikiem prądu i referencyjnym przekształtnikiem napięcia. Jego dokładność pomiaru spełnia wymagania projektowe.
Jednocześnie na prototypie przeprowadzane są testy wytrzymałości na napięcie częstotliwości sieciowej, częściowe rojenie, impulsy grzmotowe i zgodność elektromagnetyczna. Przejście tych testów wskazuje na poprawność schematu projektowego.
4 Wnioski
(1) Używając kondensatora podziałowego składającego się z kondensatorów równoważnych i cewki Rogowskiego wykonanej z płyty obwodowej jako czujników napięcia i prądu, ma prostą strukturę, dobrą wymienność produktów i wysoką dokładność pomiaru.
(2) Dzięki użyciu technologii płyt obwodowych i elastycznych płyt obwodowych, obwód wzmacniający może być wbudowany w głowicy czuciowej, co poprawia stosunek sygnał-szum sygnału pomiarowego.
(3) Łączenie elektronicznego przekształtnika napięcia i elektronicznego przekształtnika prądu w jeden złączony przekształtnik napięcia-prądu może nie tylko zmniejszyć koszty sprzętu pierwotnego, ale również poprawić dokładność i zdolność obwodu wtórnego do pomiaru napięcia pojedynczej linii. Spełnia nowe wymagania dotyczące pomiarów wtórnych i ochrony, a także zgadza się z koncepcją sterowania nowoczesnymi systemami energetycznymi, które traktują interwały urządzeń włącznikowych jako jednostki.
