Датчик тока и устройство для измерения электрического тока - RU2719794C2
Код документа: RU2719794C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к датчику, предназначенному для измерения тока в электрическом проводнике. Конкретнее, оно применимо к измерению переменных токов в промышленных условиях.
Изобретение также относится к прибору для измерения электрической мощности или энергии или к прибору для защиты или контроля электрических распределительных схем, таких, как автоматический выключатель или контактор, содержащий, по меньшей мере, один такой датчик тока.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Датчики тока используются в приборах для измерения электрического тока, мощности или энергии, а также в приборах для защиты или контроля электрических распределительных устройств, таких, как автоматические выключатели, контакторы, переключатели.
Среди датчиков тока, в литературе широко описаны индуктивные датчики типа катушки Роговского.
Датчики тока типа катушки Роговского содержат опору, выполненную из немагнитного материала, размещенную вокруг электрического проводника, называемого также линией передачи тока, по которой протекает ток, подлежащий измерению. На опору намотан проводящий провод, образуя вторичную обмотку. Вся эта конструкция образует трансформатор, в котором упомянутая линия передачи тока образует первичную обмотку, а упомянутая вторичная обмотка обеспечивает измерительный сигнал, характеризующий производную тока, протекающего в линии передачи тока.
Отсутствие какого-либо магнитного сердечника с риском насыщения посредством магнитного поля, генерируемого током в линии передачи тока, позволяет датчику иметь очень хорошую линейность отклика в широком динамическом диапазоне первичного тока. Это качество весьма выгодно при измерении тока.
С другой стороны, магнитное поле, генерируемое во вторичной обмотке током, протекающим в линии передачи тока, гораздо слабее, чем в случае датчика, содержащего магнитопровод, что делает датчик Роговского более чувствительным к внешним электромагнитным возмущениям, например - полям, генерируемое другой линией передачи тока, размещенной снаружи опоры, вблизи датчика. Эта чувствительность к внешним возмущениям будет тем больше, чем меньше подлежащий измерению ток в первичном проводнике, причем отношение «сигнал - шум» в этом случае будет аналогично низким.
Кроме того, для установки в измерительном устройстве многоугольная форма, в частности, прямоугольная или квадратная, оказывается более подходящей, чем обычная круглая форма датчика Роговского, особенно форма параллелепипеда, поскольку при этом лучше заполнение пространства. Ввиду того, что коэффициент усиления тора Роговского пропорционален количеству витков и площади каждого витка, появляется возможность достичь максимума коэффициент усиления датчика многоугольной формы:
за счет использования прямоугольного или квадратного поперечного сечения витка, площадь каждого витка будет больше, чем площадь круглого витка, диаметр которого равен стороне эквивалентного квадрата или прямоугольника;
за счет использования прямоугольной или квадратной опоры, средний периметр датчика будет больше, чем периметр круглой опоры эквивалентного объема, и поэтому при эквивалентной толщине намотки появится возможность наматывать большее количество витков на квадратной или прямоугольной опоре.
Вместе с тем, для такого многоугольного датчика, как этот, больше не удается сохранять количество витков на единицу длины постоянным в углах, поскольку они представляют собой точки сильной разрывности, а известно, что для минимизации влияния внешних электромагнитных полей необходимо, чтобы шаг намотки был постоянным по всей длине обмотки.
Известны различные варианты осуществления, имеющие целью разрешение этой дилеммы: в патенте EP1596206 описано токоизмерительное устройство, содержащее вторичную обмотку, образованную, по меньшей мере, тремя катушками, причем локальная индуктивность, по меньшей мере, на одном из их концов, больше, чем локальная индуктивность по направлению к центральной части катушек.
В патенте EP0838686 описано токоизмерительное устройство, содержащее вторичную обмотку, образованную, по меньшей мере, четырьмя катушками. Отсутствующие витки в углах компенсируются расположением четырех катушек таким образом, что конец каждой катушки перекрывается - частично или полностью - катушкой, примыкающей к ней.
Эти решения не полностью решают проблему, связанную с влиянием внешних магнитных потоков на измерение электрического тока, в частности - в случае трехфазной электрической сети, сильно разбалансированной однофазными нагрузками, а конкретнее - связанную с достижением повышенной точности измерения в случае измерения слабого тока в первичном проводнике.
Сущность изобретения
Поэтому изобретение имеет целью устранение недостатков известного уровня техники за счет создания устройства для измерения электрического тока, которое выполнено с возможностью подачи сигнала, пригодного для точного измерения тока, весьма нечувствительного к внешним электромагнитным возмущениям и имеющего форму, подходящую для установки в компактном промышленном приборе.
Датчик тока в соответствии с изобретением содержит, по меньшей мере, два слоя катушек, окружающих проводник тока, для осуществления измерения тока, протекающего в упомянутом проводнике, где:
первый слой катушек содержит множество обмоток, подключенных друг к другу, причем каждая обмотка имеет продольную ось намотки, расположенную в первой плоскости, точки пересечения осей образуют угловые зоны, соответствующие вершинам первого многоугольника, а каждая ось намотки образует сторону упомянутого первого многоугольника,
второй слой катушек содержит множество обмоток, подключенных друг к другу, причем каждая обмотка имеет продольную ось намотки, расположенную во второй плоскости, параллельной первой плоскости, точки пересечения осей образуют угловые зоны, соответствующие вершинам второго многоугольника, а каждая ось намотки образует сторону упомянутого второго многоугольника.
Каждая обмотка каждого из слоев обмоток состоит из витков, ориентированных, по существу, перпендикулярно оси намотки.
Первый многоугольник содержит множество угловых зон, причем каждая из угловых зон образована вершиной многоугольника.
Второй многоугольник по форме идентичен первому многоугольнику и подобно ему содержит множество угловых зон, причем каждая из угловых зон образована вершиной второго многоугольника.
Первый и второй многоугольники размещены, будучи обращенными друг к другу, так что каждая угловая зона первого многоугольника соответственно расположена, будучи обращенной к каждой соответствующей угловой зоне второго многоугольника.
В каждой угловой зоне ориентация витков обмотки первого слоя катушек отличается от ориентации витков обмотки второго слоя катушек в угловой зоне, обращенной к вышеупомянутой. Каждая угловая зона занята концом одной обмотки, а конец примыкающей обмотки распространяется до стороны обмотки, занимающей упомянутую угловую зону.
Первый многоугольник содержит множество, по существу, прямолинейных зон, причем каждая из прямолинейных зон образована стороной упомянутого многоугольника. Аналогично, второй многоугольник также содержит множество, по существу, прямолинейных зон, причем каждая из прямолинейных зон образована стороной второго многоугольника. Каждая прямолинейная зона первого слоя катушек соответственно расположена, будучи обращенной к соответствующей прямолинейной зоне второго слоя катушек. Ось намотки обмоток первого слоя катушек в каждой прямолинейной зоне первой опоры параллельна оси намотки обмоток второго слоя катушек в прямолинейной зоне второй опоры, обращенной к вышеупомянутой.
Каждая из обмоток первого слоя катушек и второго слоя катушек датчика тока намотана на опоре немагнитного типа. Шаг намотки обмоток первого слоя катушек и обмоток второго слоя катушек, по существу, постоянен.
Обмотки первого слоя катушек подключены последовательно и обмотки второго слоя катушек подключены последовательно.
Направление намотки обмоток первого слоя катушек предпочтительно является обратным по отношению к направлению намотки обмоток второго слоя катушек.
Форма первого и второго многоугольников предпочтительно представляет собой прямоугольник или квадрат. В соответствии с этим вариантом осуществления, в каждой угловой зоне витки обмотки первого слоя катушек ориентированы, по существу, под прямым углом по отношению к виткам обмотки второго слоя катушек в угловой зоне, обращенной к упомянутой.
Катушки датчика тока можно изготавливать в соответствии с технологией печатных плат, технологией осаждения проводящего материала на изолирующую опору, или же на основе трехмерной печати, причем этот перечень не является ограничительным.
В соответствии с изобретением, прибор для измерения электрической мощности или энергии, такой, как омметр или ваттметр, содержит, по меньшей мере, один датчик тока. Первый конец первого слоя катушек предпочтительно подключен к опорному потенциалу измерительного прибора, второй конец первого слоя катушек подключен к первому входу усилителя, предпочтительно - дифференциального усилителя, первый конец второго слоя катушек подключен к упомянутому опорному потенциалу измерительного прибора, а второй конец второго слоя катушек подключен ко второму входу усилителя. По меньшей мере, одна схема обработки сигнала соединена, по меньшей мере, с одним датчиком тока, причем упомянутая схема обработки пригодна для проведения измерения сигнала, характеризующего ток, протекающий в проводнике тока.
Электрический расцепитель в соответствии с изобретением содержит, по меньшей мере, один датчик тока и, по меньшей мере, одну схему обработки, соединенную с упомянутым датчиком тока, для приема, по меньшей мере, одного сигнала, характеризующего ток, протекающий в проводнике тока.
Устройство переключения содержит электрический расцепитель, содержащий, по меньшей мере, один датчик в соответствии с изобретением, и механизм для размыкания электрических контактов, причем электрический расцепитель подключен к размыкающему механизму для размыкания контактов переключающего устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие преимущества и характеристики станут понятней из нижеследующего описания конкретных вариантов осуществления изобретения, приводимых в качестве неограничительных примеров и представленных на прилагаемых чертежах, при этом:
на фиг.1 представлено перспективное изображение датчика в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления;
на фиг.2A и 2B представлена предпочтительная многоугольная форма датчика;
на фиг.3A и 3B представлены виды сверху расположения витков двух слоев катушек датчика в двух обращенных друг к другу угловых зонах;
на фиг.3C и 3D представлены виды сверху варианта расположения витков двух слоев катушек датчика в двух обращенных друг к другу угловых зонах;
на фиг.4A и 4B представлен рассматриваемый сверху первый вариант осуществления первого и второго слоев катушек;
на фиг.5A и 5B представлен рассматриваемый сверху второй вариант осуществления первого и второго слоев катушек;
на фиг.6 представлена блок-схема измерительного прибора со встроенным в него датчиком тока в соответствии с изобретением;
на фиг.7 представлена блок-схема устройства переключения со встроенным в него множеством датчиков тока в соответствии с изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, представленным на фиг.1, датчик 1 тока содержит первый слой катушек 2 и второй слой катушек 3, расположенные вокруг линии 10 передачи тока. По линии 10 передачи тока протекает ток, подлежащий измерению.
Первый слой катушек 2 содержит множество обмоток 21, 22, 23, 24, полученных путем намотки соединительного провода на опоре 25. Упомянутые обмотки электрически подключены последовательно. Обмотка 21 намотана вдоль оси X1, обмотка 22 намотана вдоль оси X2, обмотка 23 намотана вдоль оси X3, обмотка 24 намотана вдоль оси X4. Оси X1, X2, X3, X4 расположены в одной и той же плоскости P1.
Оси X1, X2, X3, X4, по существу, прямолинейны, ось X1, по существу, перпендикулярна оси X2 и оси X4, ось X3, по существу, перпендикулярна оси X2 и оси X4.
Второй слой катушек 3 содержит множество обмоток 31, 32, 33, 34, полученных путем намотки соединительного провода на опоре 35. Упомянутые обмотки электрически подключены последовательно. Обмотка 31 намотана вдоль оси Y1, обмотка 32 намотана вдоль оси Y2, обмотка 33 намотана вдоль оси Y3, обмотка 34 намотана вдоль оси Y4. Оси Y1, Y2, Y3, Y4 расположены в одной и той же плоскости P2.
Оси Y1, Y2, Y3, Y4, по существу, прямолинейны, ось Y1, по существу, перпендикулярна оси Y2 и оси Y4, ось Y3, по существу, перпендикулярна оси Y2 и оси Y4.
Первый слой катушек 2 и второй слой катушек 3 размещены близко друг к другу, предпочтительно - как можно ближе, причем плоскость P1, по существу, параллельна плоскости P2.
Ось X1, по существу, параллельна оси Y1, ось X2, по существу, параллельна оси Y2, ось X3, по существу, параллельна оси Y3, а ось X4, по существу, параллельна оси Y4.
Опоры 25 и 35 предпочтительно идентичны по форме и размерам, так что витки слоя катушек 2 идентичны виткам слоя катушек 3. Опоры 25 и 35 также предпочтительно идентичны по составу.
В соответствии с фиг.2A, оси X1, X2, X3, X4 образуют контур первого многоугольника 200, предпочтительно - прямоугольника. Упомянутый многоугольник 200 содержит четыре стороны: 205, 206, 207 и 208. Первая сторона 205 многоугольника 200 образована вдоль оси X1, вторая сторона 206 многоугольника 200 образована вдоль оси X2, третья сторона 207 многоугольника 200 образована вдоль оси X3, а четвертая стороной 208 многоугольника 200 образована вдоль оси X4. Этот контур также образует длину слоя катушек 2.
В соответствии с фиг.2B, оси Y1, Y2, Y3, Y4 образуют контур второго многоугольника 300, предпочтительно - прямоугольника. Упомянутый многоугольник 300 содержит четыре стороны: 305, 306, 307 и 308. Первая сторона 305 многоугольника 200 образована вдоль оси Y1, вторая сторона 306 многоугольника 200 образована вдоль оси Y2, третья сторона 307 многоугольника 200 образована вдоль оси Y3, а четвертая сторона 308 многоугольника 200 образована вдоль оси Y4. Этот контур также образует длину слоя катушек 3.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, представленным на фиг.1, первый слой катушек 2 содержит четыре угловые зоны. Первая угловая зона 201 находится в зоне пересечения между осями X1 и X2 намотки, вторая угловая зона 202 находится в зоне пересечения между осями X2 и Х3 намотки, третья угловая зона 203 находится в зоне пересечения между осями X3 и Х4 намотки, а четвертая угловая зона 204 находится в зоне пересечения между осями X1 и Х4 намотки.
Аналогичным образом, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, второй слой катушек 3 содержит четыре угловые зоны. Первая угловая зона 301 находится в зоне пересечения между осями Y1 и Y2, вторая угловая зона 302 находится в зоне пересечения между осями Y2 и Y3 намотки, третья угловая зона 303 находится в зоне пересечения между осями Y3 и Y4 намотки, а четвертая угловая зона 404 находится в зоне пересечения между осями Y1 и Y4 намотки.
Угловые зоны 201 и 301 обращены друг к другу. То же самое справедливо для угловых зон 202 и 302, 203 и 303, 204 и 304, соответственно.
На фиг.3A в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления представлен вид сверху монтажа обмоток 21-22 в угловой зоне 201 первого слоя катушек 2. Витки 218-221 первой обмотки 21 намотаны вдоль оси X1. Ориентация витков в угловой зоне 201 перпендикулярна оси X1. В предпочтительном варианте, Nугл витков 220 - 221 намотаны вдоль оси X1 на конце обмотки 21 в угловой зоне 201.
В то время, как угловая зона 201 занята обмоткой 21, конец обмотки 22 распространяется, по существу, до стороны обмотки 21. Виток 225, находящийся на конце обмотки 22, а также другие витки обмотки 22 ориентированы перпендикулярно по отношению к виткам 218-221 обмотки 21.
Поэтому очевидно, что количество витков на единицу длины вдоль оси X2 не является постоянным по контуру многоугольника 200: оси X1 и X2 намотки предпочтительно являются также осями симметрии опоры 25, вследствие чего Nугл витков из обмотки 22 пропущены вдоль оси X2.
На фиг.3B в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления представлен вид сверху расположения обмоток 31 и 32 второго слоя катушек 3 в угловой зоне 301, расположенной напротив угловой зоны 201. Угловую зону 301 занимают витки 321, 322, 323, 324 второй обмотки 32, намотанные вдоль оси Y2. Ориентация витков в угловой зоне 301 перпендикулярна оси Y2. Nугл витков 321, 322 предпочтительно намотаны вдоль оси Y2 перед витками 323, 324.
В то время, как угловая зона 301 занята обмоткой 32, конец обмотки 31 распространяется, по существу, до стороны обмотки 32. Виток 317, находящийся в конце обмотки 31, а также другие витки 316, 315 обмотки 31 ориентированы, по существу, перпендикулярно по отношению к виткам 321, 322, 323, 324 обмотки 32.
Поэтому очевидно, что количество витков на единицу длины вдоль оси Y1 не является постоянным по контуру многоугольника 300; оси Y1 и Y2 намотки предпочтительно являются также осями симметрии опоры 35, вследствие чего Nугл витков из обмотки 31 пропущены вдоль оси Y1.
В угловой зоне 201 обмотка 21 имеет Nугл витков 220, 221 снаружи контура многоугольника 200, в то время как обмотка 22 не содержит ни одного витка в этой же зоне.
В угловой зоне 301 обмотка 31 не содержит ни одного витка, в то время как обмотка 32 имеет Nугл витков (321, 322) снаружи контура многоугольника 300 в этой же зоне.
Поскольку обмотка 21 обращена к обмотке 31, а оси X1 и Y1 параллельны, Nугл витков 220, 221 обмотки 21 в угловой зоне 201 снаружи контура многоугольника 200 измеряют, по существу, такое же магнитное поле, как витки 316, 317 обмотки 31, тем самым компенсируя пропущенные витки обмотки 31 в угловой зоне 301.
То же самое справедливо для обмоток 22 и 32: поскольку обмотка 22 обращена к обмотке 32, а оси X2 и Y2 параллельны, Nугл витков 321, 322 обмотки 32 в угловой зоне 301 снаружи контура многоугольника 300 измеряют, по существу, такое же магнитное поле, как витки 225, 226 обмотки 2, тем самым компенсируя пропущенные витки обмотки 22 в угловой зоне 201.
Конец обмотки 21 первого слоя катушек 2 занимает угловую зону 201, витки ориентированы перпендикулярно оси X1. Конец 32 второго слоя катушек 3 занимает угловую зону 301, витки ориентированы перпендикулярно оси Y2. Угловые зоны 201 и 301 обращены друг к другу, ось X1 перпендикулярна оси Y2, ориентация витков обмотки 21 первого слоя катушек 2 отличается от ориентации витков обмотки 32 второго слоя катушек 3. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, представленным на фиг.1, витки обмотки 21 в угловой зоне 201 первого слоя катушек 2 ориентированы, по существу, перпендикулярно по отношению к виткам обмотки 32 в угловой зоне 301 второго слоя катушек 3.
Следовательно, положение обращения друг к другу слоев катушек 2, 3, связанное с хорошо продуманным расположением обмоток 21, 22, 31, 32 в обращенных друг к другу угловых зонах 201, 301 делает возможным получение эффективного эквивалента для постоянного шага намотки в упомянутых угловых зонах. Шаг намотки является постоянным по сторонам многоугольников 200, 300, поэтому шаг намотки постоянен по всей длине слоев катушек 2, 3. Полученный таким образом датчик демонстрирует высокую нечувствительность к внешним электромагнитным полям, оставаясь простым и экономичным в изготовлении.
Конкретное расположение, такое, как описанное выше, витков обмоток 21, 22, 31, 32 в угловых зонах 201 и 301 воспроизведено для обмоток 22, 23, 32, 33 в угловых зонах 202 и 302, для обмотки 23, 24, 33, 34 в угловых зонах 203 и 303, а также для обмоток 21, 24, 31, 34 в угловых зонах 204 и 304.
На фиг.3C представлен вид сверху варианта монтажа витков обмоток 21 и 22 в угловой зоне 201 первого слоя катушек 2. Витки 218-219 первой обмотки 21 намотаны вдоль стороны 205 многоугольника 200 вдоль оси X1. Ориентация витков в угловой зоне 201 перпендикулярна оси X1. Поскольку угловая зона 201 занята обмоткой 21, виток 225, находящийся в конце обмотки 22, простирается, по существу, до стороны обмотки 21. Виток 225, находящийся в конце обмотки 22, как и другие витки обмотки 22, ориентирован перпендикулярно по отношению к виткам 218-219 обмотки 21. Поэтому очевидно, что количество витков на единицу длины вдоль оси X2 не является постоянным по контуру многоугольника 200: оси X1 и X2 намотки предпочтительно являются также осями симметрии опоры 25, вследствие чего Nугл витков из обмотки 22 пропущены вдоль оси X2.
На фиг.3D представлен вид сверху варианта монтажа витков обмоток 31 и 22 второго слоя катушек 3 в угловой зоне 301, расположенной так, что она обращена к угловой зоне 201. Витки 323, 324 второй обмотки 32, намотанные вдоль оси Y2 вдоль стороны 306 многоугольника 300, занимают угловую зону 301.
Поскольку угловая зона 301 занята обмоткой 32, виток 317, находящийся в конце обмотки 31, простирается, по существу, до стороны обмотки 32.
Таким образом, в обращенных друг к другу угловых зонах 201, 301, ориентация витков обмотки 21 первого слоя катушек 2 отличается от ориентации витков обмотки 32 второго слоя катушек 3. В соответствии с вариантом осуществления, представленным на фиг.3C и 3D, витки обмотки 21 в угловой зоне 201 первого слоя катушек 2 ориентированы, по существу, под прямым углом по отношению к виткам обмотки 32 в угловой зоне 301 второго слоя катушек 3.
Конкретное расположение, такое, как описанное выше, витков обмоток 21, 22, 31, 32 в угловых зонах 201 и 301 воспроизведено для обмоток 22, 23, 32, 33 в угловых зонах 202 и 302, для обмоток 23, 24, 33, 34 в угловых зонах 203 и 303, а также для обмоток 21, 24, 31, 34 в угловых зонах 204 и 304
Этот вариант расположения применяется, когда технические требования производства противоречат получению витков с постоянным шагом намотки в угловой зоне.
На фиг.4A представлен первый вариант осуществления слоя катушек 2 согласно изобретению, а на фиг.4B представлен первый вариант осуществления слоя катушек 3 согласно изобретению. Опора 25 слоя катушек 2 и опора 35 слоя катушек 3 изготовлены в виде печатных плат, предпочтительно - двухсторонних.
Слои катушек 2 и 3 выполнены перекрывающимися, угловая зона 201 - противолежащей угловой зоне 301, угловая зона 202 - противолежащей угловой зоне 302, угловая зона 203 - противолежащей угловой зоне 303, а угловая зона 204 - противолежащей угловой зоне 304.
Конец обмотки 21 первого слоя катушек 2 занимает угловую зону 201, витки ориентированы перпендикулярно оси X1. Конец 32 второго слоя катушек 3 занимает угловую зону 301, витки ориентированы перпендикулярно оси Y2. При этом ось X1 перпендикулярна оси Y2, а ориентация витков обмотки 21 первого слоя катушек 2 отличается от ориентации витков обмотки 32 второго слоя катушек 3 в обращенных друг к другу угловых зонах 201 и 301.
Конец обмотки 23 первого слоя катушек 2 занимает угловую зону 202, витки ориентированы перпендикулярно оси X3. Конец 32 второго слоя катушек 3 занимает угловую зону 302, витки ориентированы перпендикулярно оси Y2. При этом ось X3 перпендикулярна оси Y2, ориентация витков обмотки 23 первого слоя катушек 2 отличается от ориентации витков обмотки 32 второго слоя катушек 3 в обращенных друг к другу угловых зонах 202 и 302.
Конец обмотки 23 первого слоя катушек 2 занимает угловую зону 203, витки ориентированы перпендикулярно оси X3. Конец 34 второго слоя катушек 3 занимает угловую зону 303, витки ориентированы перпендикулярно оси Y4. При этом ось X3 перпендикулярна оси Y4, ориентация витков обмотки 23 первого слоя катушек 2 отличается от ориентации витков обмотки 34 второго слоя катушек 3 в обращенных друг к другу угловых зонах 203 и 303.
Конец обмотки 21 первого слоя катушек 2 занимает угловую зону 204, витки ориентированы перпендикулярно оси X1. Конец обмотки 34 второго слоя катушек 3 занимает угловую зону 304, витки ориентированы перпендикулярно оси Y4. При этом ось X1 перпендикулярна оси Y4, ориентация витков обмотки 21 первого слоя катушек 2 отличается от ориентации витков обмотки 34 второго слоя катушек 3 в обращенных друг к другу угловых зонах 204 и 304.
Можно создать несколько непохожих вариантов осуществления слоев катушек 2, 3 путем намотки вдоль одной из двух осей в каждой угловой зоне одного из слоев катушек и путем намотки вдоль другой из двух осей угловой зоны, обращенной к упомянутой зоне, получая ориентацию витков обмотки первого слоя катушек 2, отличающуюся от ориентации витков обмотки второго слоя катушек 3. Для получаемых таким образом обмоток каждого наматываемого слоя в каждой угловой зоне, обращенной к другой угловой зоне, имеет место расположение в шахматном порядке.
На фиг.5A представлен еще один вариант осуществления слоя катушек 2, а на фиг.5B представлен еще один вариант осуществления слоя катушек 3. Первый многоугольник 200 и второй многоугольник 300 представляют собой квадраты. Линия 10 передачи тока является линией круглого поперечного сечения, например - в случае, когда линия передачи тока представляет собой электрический кабель.
Слои катушек 2 и 3 выполнены перекрывающимися, угловая зона 201 - противолежащей угловой зоне 301, угловая зона 202 - противолежащей угловой зоне 302, угловая зона 203 - противолежащей угловой зоне 303, а угловая зона 204 - противолежащей угловой зоне 304.
Конец 21 первого слоя катушек 2 занимает угловую зону 201, витки ориентированы перпендикулярно оси X1. Конец 32 второго слоя катушек 3 занимает угловую зону 301, витки ориентированы перпендикулярно оси Y2. При этом ось X1 перпендикулярна оси Y2, а ориентация витков обмотки 21 первого слоя катушек 2 отличается от ориентации витков обмотки 32 второго слоя катушек 3 в обращенных друг к другу угловых зонах 201 и 301.
Конец обмотки 22 первого слоя катушек 2 занимает угловую зону 202, витки ориентированы перпендикулярно оси X2. Конец обмотки 33 второго слоя катушек 3 занимает угловую зону 302, витки ориентированы перпендикулярно оси Y3. При этом ось X2 перпендикулярна оси Y3, ориентация витков обмотки 22 первого слоя катушек 2 отличается от ориентации витков обмотки 33 второго слоя катушек 3 в обращенных друг к другу угловых зонах 202 и 302.
Конец обмотки 23 первого слоя катушек 2 занимает угловую зону 203, витки ориентированы перпендикулярно оси X3. Конец обмотки 34 второго слоя катушек 3 занимает угловую зону 303, витки ориентированы перпендикулярно оси Y4. При этом ось X3 перпендикулярна оси Y4, ориентация витков обмотки 23 первого слоя катушек 2 отличается от ориентации витков обмотки 34 второго слоя катушек 3 в обращенных друг к другу угловых зонах 203 и 303.
Конец обмотки 24 первого слоя катушек 2 занимает угловую зону 204, витки ориентированы перпендикулярно оси X4. Конец обмотки 31 второго слоя катушек 3 занимает угловую зону 304, витки ориентированы перпендикулярно оси Y1. При этом ось X4 перпендикулярна оси Y1, ориентация витков обмотки 24 первого слоя катушек 2 отличается от ориентации витков обмотки 31 второго слоя катушек 3 в обращенных друг к другу угловых зонах 204 и 304.
Изобретение не ограничивается вариантами осуществления, представленными на фиг.4A, 4B, 5A и 5B. Можно выбрать другие формы для первого многоугольника 200 и второго многоугольника 300: трапецеидальную, пятиугольную, шестиугольную, восьмиугольную, причем весь этом список не является ограничительным. Например, в случае правильного пятиугольника, витки обмотки, занимающие угловую зону 201 первого слоя катушек 2, ориентированы, по существу, под углом 108° по отношению к виткам обмотки, занимающей угловую зону 301 второго слоя катушек 3. В случае правильного восьмиугольника, ориентация будет под углом, по существу, 135°.
Примеры согласно фиг.1, 4A, 4B, 5A, 5B иллюстрируют датчик с двумя слоями катушек 2, 3, но, как вариант, для получения большего напряжения V, подаваемого вторичной обмоткой датчика 1 тока, множество слоев катушек 2 и множество слоев катушек 3 можно собрать воедино друг с другом, поскольку количество слоев катушек 2 равно количеству слоев катушек 3. В этой конфигурации, слои катушек 2 электрически подключены друг к другу последовательно, тем самым образуя эквивалент одного первого слоя катушек 2, и слои катушек 3 электрически подключены друг к другу последовательно, тем самым образуя эквивалент одного второго слоя катушек 3. Количество витков N получающегося датчика будет равно сумме количества витков первого слоя катушек 2 и количества витков второго слоя катушек 3, присутствующих в сборке.
Направление намотки первого слоя катушек 2 предпочтительно является обратным по отношению к направлению намотки второго слоя катушек 3. На фиг.3A стрелка 291 на витке 221 обмотки 21 и стрелка 292 на витке 227 обмотки 22 обозначают направление намотки слоя катушек 2. На фиг.3B стрелка 391 на витке 317 обмотки 31 и стрелка 392 на витке 325 обмотки 32 обозначает направление намотки слоя катушек 3. Это расположение, воспроизведенное на наборе слоев катушек 2 и 3, позволяет обойтись без компенсирующего витка, причем слой катушек 2 компенсирует эффект контура слоя катушек 3, и наоборот, слой катушек 3 компенсирует эффект контура слоя катушек 2.
Опоры 25, 35 для намотки выполнены из немагнитного материала. Они могут быть полыми или сплошными, жесткими или полужесткими, иметь цилиндрическое, квадратное, прямоугольное или яйцевидное поперечное сечение, могут быть монолитными или собранными из деталей.
Каждый слой катушек 2, 3 может быть получен с помощью технологии печатных плат, при этом опоры 25, 35 выполнены из материала, традиционно используемого в этой технологии, например, эпоксидной смолы, стекловолокна или керамики, на котором дорожки, образующие обмотку, получены методами осаждения, шелкотрафаретной печати или травления. Целостности обмотки между двумя гранями каждой опоры 25, 35 добиваются посредством металлизированных сквозных отверстий, также именуемых «сквозными межсоединениями». Электрическое соединение между различными катушками гарантируется дорожками, сформированными в соответствии с тем же способом, что и обмотка. Используемая печатная плата предпочтительно является двухслойной. Возможно использование многослойной печатной платы.
В еще одном конкретном варианте осуществления, каждый слой катушек 2, 3 датчика 1 тока получен путем осаждения электропроводного материала (например, меди) на опоре 25, 35, соответственно выполненной из изолирующего материала (например, полимерного материала (такого, как полиамид или поликарбонат) или керамики или же стекла) посредством метода шелкотрафаретной печати.
В еще одном конкретном варианте осуществления, каждый слой катушек 2, 3 датчика тока получен посредством трехмерной печати.
Варианты осуществления, представленные слоями катушек 2, 3, не являются ограничительными. Их также можно получить любыми технологическими средствами, известными специалисту в данной области техники.
Оба слоя катушек 2, 3 предпочтительно скреплены друг с другом. В случае изготовления по технологии печатных плат, центрирующие выступы гарантируют электрическое соединение и механическое удержание двух обращенных друг к другу слоев катушек. Сборку можно проводить с помощью процедуры приклеивания или сварки.
Таким образом, набор обмоток можно получить на монолитной опоре, которой легко манипулировать. Сама эта технология в значительной мере способствует экономичному крупномасштабному промышленному производству.
Датчик 1 тока согласно изобретению предназначен, в частности, для встраивания в прибор для измерения электрического тока или мощности или энергии. На фиг.6 представлена блок-схема такого измерительного прибора. Каждый из первого слоя катушек 2 и второго слоя катушек 3 имеет вход отрицательной полярности и выход положительной полярности. Каждый из выходов положительной полярности помечен точкой на фиг.6. Вход отрицательной полярности слоя катушек соответствует концу первого витка, намотанного в направлении намотки, выход положительной полярности слоя катушек соответствует концу последнего витка, намотанного в направлении намотки.
Выход положительной полярности первого слоя катушек 2 электрически подключен ко входу отрицательной полярности второго слоя катушек 3. Это эквипотенциальное соединение предпочтительно соединено с опорным потенциалом Vопорн измерительной схемы 4.
Вход отрицательной полярности первого слоя катушек 2 электрически подключен ко входу отрицательной полярности усилителя 41, предпочтительно - дифференциального, выход положительной полярности второго слоя катушек 3 электрически подключен ко входу положительной полярности усилителя 41. Усилитель 41 осуществляет усиление разности напряжений, измеренной между его входом положительной полярности и его входом отрицательной полярности, по отношению к опорному потенциалу Vопорн. Сигнал 410, выдаваемый дифференциальным усилителем 41, интегрируется интегрирующей схемой 42, а потом преобразуется аналого-цифровым преобразователем 43 в цифровую величину, обрабатываемую вычислительным блоком 44 на основе процессора. Этот вычислительный блок осуществляет вычисления, подходящие для предоставления значения тока, протекающего в электрическом проводнике 10, пользователю, например, в виде значения, отображаемого на дисплее 46 или сообщаемого посредством модуля 45 модуля радиосвязи или модуля 47 проводной связи в блок 48 обработки снаружи измерительного прибора 4. Различные модули 41-44 составляют схемы обработки, соединенные с датчиком 1 тока и подходящие для приема, по меньшей мере, одного сигнала, характеризующего ток, протекающий в проводнике 10 тока. Различные модули 41-48 питаются от источника 49 питания, выдающего напряжение Vcc. Источник 49 питания может отводить свою энергию либо из проводника 10 тока, либо через независимый внешний источник. Можно предусмотреть и другие варианты осуществления обработки напряжения, подаваемого катушками 2 и 3, например, с помощью одной или нескольких схем, воплощающих аналоговую обработку сигналов.
Множество датчиков 1 тока согласно изобретению также можно встроить в устройство переключения, такое, как автоматический выключатель 50, оснащенный электрическим расцепителем 51, как показано на фиг.7. Автоматический выключатель обычно устанавливают в трехфазной сети, и он содержит три линии 10 передачи тока, соответствующие каждой из фаз электрической сети. Четвертую линию передачи тока можно использовать в качестве нулевого рабочего проводника. Датчик 1 тока окружает каждый из проводников 10 тока. Электрический расцепитель 51 содержит одну или несколько схем 52 обработки, соединенных с упомянутым датчиком 1 тока и пригодным для приема, по меньшей мере, одного сигнала, характеризующего ток, протекающий в каждом из проводников 10 тока. Помимо этого, автоматический выключатель 50 содержит механизм для размыкания электрических контактов 54, причем упомянутый механизм подключен к электрическому расцепителю 51 через реле 53 для размыкания электрических контактов 55. Автоматический выключатель 50 также содержит модуль 56 дисплея, делающий возможным отображение замеров и показаний, формулируемых схемами обработки, и модуль 57 связи, делающий возможным передачу замеров и показаний по линии радио- или проводной связи.
Модуль 58 источника питания, использующий энергию, отводимую датчиками 59 источника питания из проводников 10 тока, подводит энергию к различным модулям, составляющим электрический расцепитель 51.
В измерительном приборе или в автоматическом выключателе трехфазной сети возможно установление множества режимов датчиков 1 промышленного производства для обеспечения крупномасштабного промышленного производства с гарантией очень хорошего выравнивания слоев катушек 2 и 3 друг относительно друга и очень хорошей точности изготовления катушек:
первый вариант заключается в изготовлении первого слоя катушек 2 всех датчиков посредством печатной схемы, также воплощающей все схемы 52 обработки или их часть, и в изготовление каждого слоя катушек 3 каждого датчика 1 посредством независимой печатной платы;
второй вариант, при котором каждый датчик 1 изготавливают посредством единственной печатной схемы, содержащей, по меньшей мере, четыре высококачественных печатных слоя, причем два слоя предназначены для слоя катушек 2, а другие два слоя предназначены для слоя 3 катушек; и
третий вариант, при котором единственную печатную плату, содержащую, по меньшей мере, четыре высококачественных печатных слоя, используют для объединения слоев катушек 2, 3 всех датчиков 1, а также всех схем 52 обработки или их части.
Соединения между различными соединяемыми слоями получают посредством соединений, называемых «межсоединениями». Эти соединения обычно имеют доступ на внешние грани печатной платы, но они также могут быть в целом глухими («глухими межсоединениями») для сохранения планарности и совершенной аналогичности внутренних слоев датчиков 1 и тем самым - гарантии точности измерения. Во всех режимах изготовления, печатные схемы содержат желобки, необходимые для прохождения линий передачи тока.
Датчик 1 тока согласно изобретению пригоден, в частности, для монтажа в измерительном приборе или в приборе для защиты электрических сетей в для промышленного использования, или для управления ими, поскольку этот датчик может быть изготовлен экономичным, монтируемым компактно, весьма подходящим к форме автоматического выключателя 50 и дающим превосходную точность измерения и высокую нечувствительность к внешним электромагнитным полям за счет постоянного шага намотки по всей длине катушек 2, 3.
Реферат
Изобретение относится к датчику, предназначенному для измерения тока в электрическом проводнике. Датчик тока типа катушки Роговского содержит два слоя катушек, окружающие проводник тока, при этом каждый слой катушек содержит множество обмоток, намотанных вокруг множества осей, образующих контур многоугольников правильной формы, расположенных в параллельных плоскостях и размещенных, будучи обращенными друг к другу, так, что каждая угловая зона первого многоугольника расположена, будучи обращенной к соответствующей угловой зоне второго многоугольника, и поэтому витки обмотки первого слоя катушек имеют ориентации, отличающиеся от ориентации витков обмотки второго слоя катушек в угловой зоне, обращенной к вышеупомянутой. Технический результат – повышение точности измерения и нечувствительности к внешним электромагнитным полям. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.
