Kombine Elektronik Dönüşüm Cihazlarının Ölçüm Prensibi Bileşimi ve Testi
1 Birleştirilmiş Elektronik Dönüştürücülerin Ölçüm Prensibi
1.1 Gerilim Ölçüm Prensibi
Elektronik dönüştürücüler, kapasitif gerilim bölme yöntemini kullanarak gerilim ölçer. Bir kapasitördeki gerilim ani bir şekilde değişemez, bu nedenle kapasitif gerilim bölmeyle doğrudan elde edilen ikincil gerilimin geçici yanıtı zayıf ve ölçüm doğruluğu düşüktür. Ölçüm doğruluğunu artırmak için, düşük voltajlı kapasitöre paralel olarak hassas bir örnekleme direnci bağlanır. Bu prensip Şekil 1'de gösterilmiştir.
Şekil 1'de,
Gerilim bölme kapasitörünün çıkış gerilimi, ölçülen gerilimin zaman türevine orantılıdır. Bir entegrasyon bağlantısı eklenerek, birincil gerilim ölçülabilir.
Şekil 1'de, çoğunlukla C1 kapasitörüne gerilim düşer, bu nedenle C1 kapasitörü için yalıtım gereksinimleri çok yüksektir. Elektromanyetik gerilim dönüştürücülerinde genellikle güç kapasitörleri kullanılırken, elektronik gerilim dönüştürücülerinde güç kapasitörleri kullanılmaz; bunun yerine eşdeğer kapasitörler kullanılır.
Gerilim bölme kapasitörünün yapısı, biriletken çubuğa geçirilen yalıtım malzemesinden yapılmış silindirdir. Sonrasında, silindirin dışına çift katlı esnek devre kartı monte edilir. Hassas direnç, esnek devre kartının dış tabakasına monte edilmiş bir çiplik dirençtir. Kapasitör gerilim bölücü yapısının şematik diyagramı Şekil 2'de gösterilmiştir.
C1 kapasitesi, iç tabakalı silindir tarafından oluşur. İletken çubuk, bir elektrot plakası gibi davranırken, esnek devre kartının iç bakır filmi diğer elektrot plakası görevini görür, yalıtım malzemesi ise dielektriktir. C2 kapasitesi, dış tabakalı silindir tarafından oluşur. Çift tabakalı esnek devre kartının iki tarafındaki bakır filmler, elektrot plakaları görevini görür ve esnek devre kartının temel malzemesi, poliimid gibi, dielektrik olarak hizmet eder. Onun radyal kesiti Şekil 3'te gösterilmiştir. Eşdeğer kapasite C, Formül ile hesaplanabilir.
Formülde: r1 silindirin iç yarıçapıdır; r2 silindirin dış yarıçapıdır; H esnek yazma devre kartının uzunluğudur; εr elektrolitin göreceli dielektrik sabitidir; ε0 vakum dielektrik sabitidir.
1.2 Akım Ölçüm Prensibi
Elektronik dönüştürücüler, akımı ölçmek için Rogowski bobinleri kullanır. İkincil çıkış gerilimi ile birincil giriş akımı arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir:
Formülde, M ölçümün konumuna bağlı olmayan bir sabittir. Rogowski bobinin çıkış gerilimi, ölçülen akımın türevine orantılıdır. Bu nedenle, Rogowski bobinin çıkışına bir entegrasyon bağlantısı eklendiğinde, ölçülen akım geri kazanılabilir.
Bu projede, Rogowski bobini, bir yazma devre kartından yapılan bir Rogowski bobinidir. Hassasiyeti, ölçüm doğruluğu, performans istikrarı, ürün değiştirilebilirliği ve üretim verimliliği, geleneksel sarılmış bobinlere göre üstündür.
Yardımcı manyetik alanın etkisini azaltmak ve ölçüm doğruluğunu artırmak için, yazma devre kartından yapılan Rogowski bobini genellikle serisi bağlı iki bobinden oluşan diferansiyel bir giriş kullanır. Bu iki PCB bobinin sargı yönleri farklıdır. Biri sağ el kuralına, diğeri sol el kuralına göre sargılır. Bu şekilde, ters yönlü iki indüklenmiş gerilim üretilir ve seri bağlantı çıkış gerilimi, tek bir Rogowski bobinin geriliminin iki katıdır, Şekil 4'te gösterildiği gibi.
1.2 Akım Ölçüm Prensibi (Devam)
Bakır filminin ve PCB alt tabakanın termal genişleme katsayılarının farklı olması nedeniyle, sıcaklık değişiminde deformasyon miktarları farklıdır. Deformasyon nedeniyle oluşan hataları azaltmak ve bakır filmin kopmasını önlemek için, üretilen PCB bobinleri bir sıcaklık yaşlandırma işlemine tabi tutulur. Bu süreç, bir yandan bobinlerin iç stresini serbest bırakarak hataları en aza indirir, diğer yandan da bobinleri seçmeye yarar.
Diferansiyel çıkışlı Rogowski bobinlerin güçlü ortak mod baskınlama yeteneğine rağmen, 10 kV elektrik alanı interferansı önemli seviyededir. Bu nedenle, Rogowski bobinlerinin etrafına bakır foli sarmalayarak ve bakır foliyi topraklamak gerekir.
2 Birleştirilmiş Elektronik Dönüştürücülerin Oluşum Prensibi
2.1 Birleştirilmiş Elektronik Dönüştürücülerin Oluşum Blok Diyagramı
Birleştirilmiş elektronik dönüştürücünün blok diyagramı Şekil 5'te gösterilmiştir. Birincil gerilim ve akım, kapasitör ve Rogowski bobini aracılığıyla ikincil sinyallere dönüştürülür. İkincil sinyallerin entegre edilmesi ve faz kayması ile, birincil sinyallere orantılı sinyaller elde edilebilir. Doğruluğu artırmak için, ölçüm sinyallerinin entegrasyonu ve faz kompensasyonu, dijital sinyal işleme yöntemleriyle gerçekleştirilebilir. Ancak, dijital sinyal işleme belirli bir gecikmeye sahiptir ve birincil sinyalleri gerçek zamanlı olarak yansıtamaz. Bu nedenle, bu işleme yöntemi koruma sinyalleri için uygun değildir. Koruma sinyalleri ölçüm doğruluğu için daha düşük gereksinimlere sahip olduğundan, analog devreler doğrudan amplifikasyon, entegrasyon ve faz kompansasyon işlemlerinde kullanılabilir.
2.2 Birleştirilmiş Elektronik Dönüştürücünün Algılama Ünitesi Yapısı
Birleştirilmiş elektronik dönüştürücü, Şekil 6'da gösterilen yapıya epoxy reçine vakum dökümü ile gerilim ölçüm ünitesi ve akım ölçüm ünitesini kapsamlıdır.
Rogowski bobini, akım taşıyan ana hat üzerine dökülür. Amplifikasyondan sonra bobinin çıkış sinyali, bir sinyal hattı aracılığıyla çıkış terminale gönderilir. Amplitörün çift güç kaynağı gerektirdiği için, çok çekirdekli sinyal hattının üçü güç iletimi için kullanılır.
Gerilim dönüştürücüsünün iletken çubuğunda herhangi bir akım akmadığından ve sürünme mesafesini artırmak için, iletken çubuğun ve akım taşıyan ana hattın birbirine dik olduğu bir yapı kullanılır.
Algılama ünitesi aktif tipte olduğundan, elektronik bileşenlerin ömrü, elektronik dönüştürücü algılama ünitesinin ömrünü ciddi şekilde sınırlar. Bu nedenle, tüm bileşenler kullanımdan önce yaşlandırma ayıklama işleminden geçirilmelidir.
Sinyal-gürültü oranını artırmak için, akım ve gerilim sinyalleri algılama ünitesi içinde amplifikasyona tabi tutulur. Akım sinyali amplifikasyon devresi PCB bobininde, gerilim sinyali amplifikasyon devresi ise esnek devre kartındadır. Amplifikatörler için yüksek performanslı ölçüm amplifikatörleri kullanılır.
3 Birleştirilmiş Elektronik Dönüştürücünün Testi
Yukarıda bahsedilen prensipler ve yapıya, ayrıca IEC 60044-7 ve IEC 60044-8 standartlarına dayanarak, 10 kV/600 A entegre gerilim/akım elektronik dönüştürücü prototipi tasarlanmıştır. Gerilim dönüştürücüsü için ölçüm doğruluğu Sınıf 0.5, koruma seviyesi 3P; akım dönüştürücüsü için ölçüm doğruluğu Sınıf 0.2, koruma doğruluğu 5P20'dir.
Test sırasında, elektronik dönüştürücüye farklı akımlar geçirilir ve üzerine farklı gerilimler uygulanır. İkincil çıkış, bir dijital port üzerinden çıkarılır. Dijital görüntüleme ünitesi tarafından gösterildikten sonra, referans akım dönüştürücüsü ve referans gerilim dönüştürücüsüyle karşılaştırılır. Ölçüm doğruluğu, tasarım gereksinimlerini karşılar.
Aynı zamanda, prototipe güç frekansı dayanıklılık, kısmi salınım, yıldırım darbesi ve elektromanyetik uyumluluk testleri uygulanır. Bu testlerin geçilmesi, tasarım şemasının doğruluğunu gösterir.
4 Sonuçlar
(1) Eşdeğer kapasitörlerden oluşan gerilim bölme kapasitörü ve yazma devre kartından yapılan Rogowski bobinini, gerilim ve akım sensörleri olarak kullanmak, basit bir yapıya, iyi ürün değiştirilebilirliğine ve yüksek ölçüm doğruluğuna sahiptir.
(2) Yazma devre kartı ve esnek yazma devre kartı teknolojilerinin kullanılması, amplifikasyon devresinin algılama ünitesi içinde oluşturulmasına olanak tanıyarak, ölçüm sinyalinin sinyal-gürültü oranını artırır.
(3) Elektronik gerilim dönüştürücüyü ve elektronik akım dönüştürücüyü birleştirerek birleşik gerilim-akım dönüştürücü oluşturmak, birincil ekipman maliyetini azaltmanın yanı sıra, tek bir hat gerilimi için ikincil devrenin doğruluğunu ve kapasitesini de artırır. Bu, ikincil ölçüm ve koruma için yeni gereksinimleri karşılar ve aynı zamanda modern elektrik sistemlerinin kontrol kavramına, anahtar cihaz aralıklarını birim olarak alır.
