หลักการวัด การประกอบและการทดสอบของทรานสฟอร์เมอร์อิเล็กทรอนิกส์ผสม
หลักการวัดของตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบผสม
1.1 หลักการวัดแรงดัน
ตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าวัดแรงดันโดยใช้วิธีการแบ่งแรงดันแบบคาปาซิทีฟ เนื่องจากแรงดันที่ผ่านคาปาซิเตอร์ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันได้ แรงดันทุติยภูมิที่ได้จากการแบ่งแรงดันแบบคาปาซิทีฟจะมีการตอบสนองชั่วขณะที่ไม่ดีและมีความแม่นยำในการวัดต่ำ เพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการวัด ตัวต้านทานตัวอย่างความแม่นยำถูกเชื่อมขนานกับคาปาซิเตอร์แรงดันต่ำ หลักการของมันแสดงในรูปที่ 1.
ในรูปที่ 1 ภายใต้เงื่อนไขที่
แรงดันขาออกของคาปาซิเตอร์แบ่งแรงดันเป็นสัดส่วนกับอนุพันธ์ตามเวลาของแรงดันที่วัดได้ โดยการเพิ่มลิงค์การรวมเข้าด้วยกัน แรงดันหลักสามารถวัดได้
ในรูปที่ 1 เนื่องจากแรงดันตกคร่อมเกิดขึ้นมากที่สุดที่ C1 มีความต้องการสูงสำหรับฉนวนของคาปาซิเตอร์ C1 ในตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบแม่เหล็กไฟฟ้า คาปาซิเตอร์กำลังงานทั่วไปถูกใช้ ในขณะที่ในตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์ ไม่ใช้คาปาซิเตอร์กำลังงานแต่ใช้คาปาซิเตอร์เทียบเท่าแทน
โครงสร้างของคาปาซิเตอร์แบ่งแรงดันคือกระบอกที่ทำจากวัสดุฉนวนถูกสวมบนแท่งนำไฟฟ้า จากนั้นแผงวงจรยืดหยุ่นสองชั้นถูกติดไว้ภายนอกของกระบอก ตัวต้านทานความแม่นยำเป็นตัวต้านทานชิปที่ติดไว้ที่ชั้นนอกของแผงวงจรยืดหยุ่น แผนภาพโครงสร้างของคาปาซิเตอร์แบ่งแรงดันแสดงในรูปที่ 2.
ความจุของ C1 ถูกสร้างขึ้นโดยกระบอกภายใน แท่งนำไฟฟ้าเทียบเท่ากับแผ่นไฟฟ้าหนึ่งแผ่น และฟิล์มทองแดงภายในของแผงวงจรยืดหยุ่นเทียบเท่ากับแผ่นไฟฟ้าอีกแผ่นหนึ่ง ด้วยวัสดุฉนวนเป็นสารกลาง ความจุของ C2 ถูกสร้างขึ้นโดยกระบอกภายนอก ฟิล์มทองแดงสองด้านของแผงวงจรยืดหยุ่นสองชั้นเทียบเท่ากับแผ่นไฟฟ้า และวัสดุฐานของแผงวงจรยืดหยุ่น เช่น พอลิอิมายด์ เป็นสารกลาง ภาพตัดขวางตามแนวรัศมีแสดงในรูปที่ 3 ความจุเทียบเท่า C สามารถคำนวณได้ด้วยสูตร
ในสูตร: r1 คือรัศมีภายในของกระบอก; r2 คือรัศมีภายนอกของกระบอก; H คือความยาวของแผงวงจรพิมพ์ยืดหยุ่น; εr คือความสัมประสิทธิ์ดีเอลิคทริกสัมพัทธ์ของสารละลาย; ε0 คือความสัมประสิทธิ์ดีเอลิคทริกสุญญากาศ
1.2 หลักการวัดกระแส
ตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าใช้ขดลวดโรโกวสกี้ในการวัดกระแส ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันขาออกทุติยภูมิกับกระแสขาเข้าหลักคือดังนี้:
ในสูตร M เป็นค่าคงที่ที่ไม่เกี่ยวข้องกับตำแหน่งของกระแสที่วัดได้ แรงดันขาออกของขดลวดโรโกวสกี้เป็นสัดส่วนกับอนุพันธ์ตามเวลาของกระแสที่วัดได้ ดังนั้น โดยการเพิ่มลิงค์การรวมเข้าด้วยกันหลังจากแรงดันขาออกของขดลวดโรโกวสกี้ กระแสที่วัดได้สามารถกลับคืนได้
ในโครงการนี้ ขดลวดโรโกวสกี้เป็นขดลวดโรโกวสกี้ที่ทำจากแผงวงจรพิมพ์ ความไว การวัดความแม่นยำ สมรรถนะความเสถียร ความสามารถในการเปลี่ยนทดแทนผลิตภัณฑ์ และประสิทธิภาพการผลิตทั้งหมดเหนือกว่าขดลวดที่ม้วนแบบดั้งเดิม
เพื่อลดการรบกวนของสนามแม่เหล็กเสริมและปรับปรุงความแม่นยำในการวัด ขดลวดโรโกวสกี้ที่ทำจากแผงวงจรพิมพ์ทั่วไปใช้ขดลวดสองขดเชื่อมต่อกันเป็นการป้อนข้อมูลแบบดิฟเฟเรนเชียล ทิศทางการม้วนของขดลวด PCB สองขดนี้แตกต่างกัน ขดหนึ่งม้วนตามกฎมือขวา และอีกขดหนึ่งม้วนตามกฎมือซ้าย ดังนั้น แรงดันที่เกิดขึ้นสองแรงดันที่มีขั้วตรงข้ามกัน และแรงดันขาออกจากการเชื่อมต่อแบบอนุกรมเป็นสองเท่าของขดลวดโรโกวสกี้เดียว ดังที่แสดงในรูปที่ 4
1.2 หลักการวัดกระแส (ต่อ)
เนื่องจากสัมประสิทธิ์การขยายตัวตามอุณหภูมิของฟิล์มทองแดงและฐาน PCB แตกต่างกัน ปริมาณการเปลี่ยนรูปของพวกมันแตกต่างกันเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เพื่อลดข้อผิดพลาดที่เกิดจากการเปลี่ยนรูปและป้องกันการแตกของฟิล์มทองแดง ขดลวด PCB ที่ผลิตขึ้นจะผ่านกระบวนการอายุการใช้งานตามอุณหภูมิ กระบวนการนี้ ด้านหนึ่งปล่อยความเครียดภายในของขดลวดเพื่อลดข้อผิดพลาด และอีกด้านหนึ่งคือการคัดกรองขดลวด
แม้ว่าขดลวดโรโกวสกี้ที่มีการป้อนข้อมูลแบบดิฟเฟเรนเชียลจะมีความสามารถในการปราบสัญญาณโหมดร่วมที่แข็งแกร่ง แต่การรบกวนจากสนามไฟฟ้า 10 kV ยังคงมีอยู่มาก ดังนั้น จำเป็นต้องห่อหุ้มขดลวดโรโกวสกี้ด้วยฟอยล์ทองแดงและต่อฟอยล์ทองแดงลงดิน
2 หลักการประกอบของตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบผสม
2.1 แผนภาพบล็อกของตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบผสม
แผนภาพบล็อกของตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบผสมแสดงในรูปที่ 5 แรงดันและกระแสหลักถูกแปลงเป็นสัญญาณทุติยภูมิโดยคาปาซิเตอร์และขดลวดโรโกวสกี้ โดยการรวมและการเปลี่ยนเฟสของสัญญาณทุติยภูมิ สัญญาณที่สัดส่วนกับสัญญาณหลักสามารถได้มา ในการปรับปรุงความแม่นยำ การรวมและการชดเชยเฟสของสัญญาณวัดสามารถทำได้โดยวิธีการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล อย่างไรก็ตาม การประมวลผลสัญญาณดิจิทัลมีความล่าช้าบางส่วนและไม่สามารถสะท้อนสัญญาณหลักได้ในเวลาจริง ดังนั้น วิธีการประมวลผลนี้ไม่เหมาะสมสำหรับสัญญาณป้องกัน เนื่องจากสัญญาณป้องกันมีความต้องการความแม่นยำในการวัดที่ต่ำ วงจรแอนาล็อกสามารถใช้ได้โดยตรงในการขยาย การรวม และการชดเชยเฟส
2.2 โครงสร้างของหัวเซ็นเซอร์ของตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบผสม
ตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบผสมบรรจุหน่วยวัดแรงดันและหน่วยวัดกระแสในโครงสร้างที่แสดงในรูปที่ 6 โดยใช้การหล่ออีพ็อกซี่ในสภาวะสุญญากาศ
ขดลวดโรโกวสกี้ถูกหล่อลงบนบัสบาร์ที่พากระแส หลังจากขยายสัญญาณขาออกของขดลวด จะถูกส่งไปยังเทอร์มินัลขาออกผ่านสายสัญญาณ เนื่องจากแอมพลิฟายเออร์ต้องการแหล่งจ่ายไฟคู่ สายสัญญาณหลายแกน 3 แกนถูกใช้ในการส่งไฟ
เนื่องจากไม่มีกระแสไหลผ่านแท่งนำไฟฟ้าของตัวแปลงแรงดัน และเพื่อเพิ่มระยะทางคลาน โครงสร้างที่แท่งนำไฟฟ้าและบัสบาร์ที่พากระแสตั้งฉากกันถูกนำมาใช้
เนื่องจากหัวเซ็นเซอร์เป็นแบบแอคทีฟ ชีวิตการใช้งานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จำกัดชีวิตการใช้งานของหัวเซ็นเซอร์ตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้า ดังนั้น ชิ้นส่วนทั้งหมดต้องผ่านการคัดกรองอายุการใช้งานก่อนใช้งาน
เพื่อปรับปรุงสัดส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน กระแสและสัญญาณแรงดันถูกขยายภายในหัวเซ็นเซอร์ วงจรขยายสำหรับสัญญาณกระแสอยู่บนขดลวด PCB และวงจรขยายสำหรับสัญญาณแรงดันอยู่บนแผงวงจรยืดหยุ่น แอมพลิฟายเออร์ที่มีประสิทธิภาพสูงถูกใช้สำหรับแอมพลิฟายเออร์
3 การทดสอบตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบผสม
ตามหลักการและโครงสร้างที่กล่าวมาแล้ว ตลอดจนมาตรฐาน IEC 60044-7 และ IEC 60044-8 ได้ออกแบบต้นแบบตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบผสม 10 kV/600 A สำหรับตัวแปลงแรงดัน ความแม่นยำในการวัดคือระดับ 0.5 และระดับป้องกันคือ 3P สำหรับตัวแปลงกระแส ความแม่นยำในการวัดคือระดับ 0.2 และความแม่นยำในการป้องกันคือ 5P20
ในการทดสอบ กระแสที่แตกต่างกันถูกผ่านเข้าตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าและแรงดันที่แตกต่างกันถูกนำไปใช้ แรงดันขาออกทุติยภูมิถูกส่งออกผ่านพอร์ตดิจิทัล หลังจากแสดงผลโดยหน่วยแสดงผลดิจิทัล ได้ทำการเปรียบเทียบกับตัวแปลงกระแสและตัวแปลงแรงดันอ้างอิง ความแม่นยำในการวัดตรงตามความต้องการในการออกแบบ
ในเวลาเดียวกัน ได้ดำเนินการทดสอบความทนทานต่อแรงดันความถี่กำลัง การปล่อยประจุบางส่วน แรงกระแทกจากฟ้าผ่า และความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้ากับต้นแบบ การผ่านการทดสอบเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความถูกต้องของแผนการการออกแบบ
4 สรุป
(1) โดยใช้คาปาซิเตอร์แบ่งแรงดันที่ประกอบด้วยคาปาซิเตอร์เทียบเท่าและขดลวดโรโกวสกี้ที่ทำจากแผงวงจรพิมพ์เป็นเซ็นเซอร์วัดแรงดันและกระแส มีโครงสร้างที่ง่าย ผลิตภัณฑ์สามารถเปลี่ยนทดแทนได้ดี และมีความแม่นยำในการวัดสูง
(2) โดยใช้เทคโนโลยีแผงวงจรพิมพ์และแผงวงจรยืดหยุ่น วงจรขยายสามารถสร้างขึ้นภายในหัวเซ็นเซอร์ ทำให้สัดส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนของสัญญาณวัดเพิ่มขึ้น
(3) การรวมตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์และตัวแปลงกระแสไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์เข้าด้วยกันเพื่อสร้างตัวแปลงแรงดัน-กระแสแบบผสม ไม่เพียงแต่ลดต้นทุนของอุปกรณ์หลักเท่านั้น แต่ยังเพิ่มความแม่นยำและความจุของวงจรทุติยภูมิสำหรับแรงดันของสายเดี่ยว ตอบสนองความต้องการใหม่สำหรับการวัดและป้องกันทุติยภูมิ และยังสอดคล้องกับแนวคิดการควบคุมระบบไฟฟ้าสมัยใหม่ที่ใช้ช่วงสวิตช์เป็นหน่วย
