8.12. Датчики тока и датчики напряжения

Датчики тока и датчики напряжения осуществляют преобразование текущих значений тока и, соответственно, напряжения (в контролируемой цепи) в электрический сигнал, у которого носителем информации обычно является напряжение. В датчиках может предусматриваться гальваническая развязка выходной (слаботочной) цепи от входной (силовой) цепи, а также нормирование сигнала (приведение его значений к определенной области, например, к напряжению из диапазона 0…10 В). В состав такого датчика входят следующие функциональные части: чувствительный элемент (первичный измерительный преобразователь), устройство гальванической развязки (потенциальный разделитель), усилительные устройства. Обобщенная структурная схема датчика тока и датчика напряжения показана на рис. 8.22.

На схеме обозначены:

ЧЭ – чувствительный элемент (первичный измерительный преобразователь – шунт, трансформатор тока в датчиках тока; делитель напряжения, измерительный трансформатор напряжения в датчиках напряжения);

ВУ – входной усилитель;

ПР – потенциальный разделитель;

НУ – нормирующий усилитель;

ЭЦ – контролируемая датчиком электрическая цепь;

ПИ – приемник информации (например регулятор системы управления автоматизированного электропривода).

Подключение чувствительных элементов к электрической цепи с нагрузкой (R_H, Z_H) показано на рис. 8.23.

Шунт (R_Ш на рис. 8.23а) представляет собой резистор с двумя токовыми и двумя потенциальными зажимами. С помощью токовых зажимов шунт подключают в разрыв (рассечку) контролируемой цепи. Напряжение, пропорциональное току контролируемой цепи, с потенциальных зажимов шунта подается на входной усилитель (ВУ) датчика тока и усиливается им в 100…200 раз. Линейная зависимость напряжения от тока обеспечивается при большом входном сопротивлении ВУ.

Классы точности шунтов: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 05. Номинальные токи в пределах от 0,5 А до 7500 А. Номинальное падение напряжения на шунте составляет 75 мВ (это напряжение между потенциальными зажимами, когда по шунту протекает ток, равный номинальному току шунта).

Делитель напряжения в виде последовательного соединения резисторов R1 и R2 (рис. 8.23а) подключают под полное контролируемое напряжение. Выходное напряжение делителя, пропорциональное контролируемому напряжению, снимается с резистора R2. ВУ исполняет роль согласующего элемента, обладая высоким входным сопротивлением.

Измерительный трансформатор переменного тока (ТА) применяют вместо шунта (рис. 8.23б), что позволяет: уменьшить потери энергии, возникающие в процессе ее преобразования; реализовать гальваническую развязку между цепями; повысить безопасность эксплуатации; уменьшить габариты и массу датчика. Режим работы выбирают близким к режиму короткого замыкания (разрыв вторичной цепи приводит к аварийному режиму). Усилитель (ВУ) с малым входным сопротивлением подключают к вторичной цепи трансформатора тока через выпрямитель.

Трансформаторы тока изготовляют на номинальные первичные токи в диапазоне от 0,1 А до 40000 А. Вторичные номинальные токи могут иметь значения 1,2; 2,5; 5 А. Классы точности: 0,2; 0,5; 1; 3.

Измерительный трансформатор напряжения (TV на рис. 8.23б) работает в режиме близком к режиму холостого хода. Он понижает контролируемое переменное напряжение и гальванически развязывает электрические цепи. Сигнал, снимаемый с вторичной обмотки трансформатора, через выпрямитель подается на усилитель (ВУ) с большим входным сопротивлением.

Характеристики управления рассмотренных чувствительных элементов считают линейными в практических приложениях. Зависимость выходной переменной u₁ от входной переменной u определяют через номинальный коэффициент преобразования k_ЧЭном=u_1ном/u_ном , где «ном» означает номинальное значение соответствующего параметра. Тогда

u₁= k_ЧЭном· u .

Измерительный трансформатор постоянного тока, выполненный на основе магнитного усилителя (см. [1] п. 5.3), применяют для измерения постоянных токов свыше 5000 А. Использование шунтов в таких случаях нецелесообразно, так как шунты получаются весьма громоздкими и дорогими.

Обмотка управления w_y магнитного усилителя А подключается в разрыв контролируемой цепи, по которой протекает постоянный ток I (рис. 8.24). Она состоит из одного витка провода. Рабочие обмотки w_p получают питание от источника переменного напряжения ~U.

Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя UZ линейно зависит от тока I при I<U_m/[(w_y/w_p)R_H] , где U_m - амплитудное значение напряжения ~U; R_H - входное сопротивление усилителя ВУ (см. [1] п. 5.3).

Потенциальный разделитель (ПР на рис. 8.22) представляет собой последовательное соединение модулятора, трансформатора и демодулятора.

Модулятор – это узел ПР, который осуществляет преобразование медленно изменяющегося сигнала u₂ постоянного тока (u₂ выделен на рис. 8.22) в сигнал u_M переменного тока (не обязательно синусоидального), имеющего амплитуду, пропорциональную u₂. Этот процесс называют амплитудной модуляцией переменного тока (несущей) сигналом (u₂).

Для выделения передаваемого в ПР сигнала u₂ из модулированного переменного напряжения u_M необходимо преобразовать это напряжение в напряжение постоянного тока. Эту операцию называют демодуляцией.

Демодулятор – узел ПР, который осуществляет демодуляцию сигнала переменного тока. В радиотехнике операция выделения моделирующего сигнала обычно называется детектированием и в соответствии с этим устройство, выполняющее эту операцию, называют детектором. Для автоматических систем демодулятор называют также фазовым дискриминатором.

Упрощенная электрическая схема потенциального разделителя с кольцевым модулятором и амплитудным детектором показана на рис. 8.25а.

Принцип работы кольцевого модулятора основан на свойстве диодов пропускать ток в одном направлении и не пропускать его в противоположном направлении. Диоды VD1, VD2, VD3, VD4 кольцевого модулятора включены в плечи моста. Применяются диоды с одинаковыми вольтамперными характеристиками (ВАХ). На рис. 8.25б ВАХ диода представлена в виде кусочно-линейной зависимости тока I_VD от напряжения U_VD (для номинального режима работы модулятора). Вправо от начала координат ВАХ откладывается прямое напряжение на диоде, влево - обратное.

Режим работы модулятора определяется переменным коммутирующим напряжением u_к, которое приложено между точками a и b моста от вторичной обмотки трансформатора Т1. В полупериоде коммутирующего напряжения, в котором его плюс приложен к точке а, коммутирующие токи идут в направлениях:

от точки a через диоды VD1, VD2 к точке b;

от точки a через диод VD1 с точке с и далее через верхнюю секцию обмотки трансформатора Т2 (сверху вниз), источник входного сигнала u₂ к среднему выводу обмотки трансформатора Т1;

от среднего вывода обмотки трансформатора Т1 через источник сигнала u₂, верхнюю секцию трансформатора Т2 (снизу вверх), диод VD2 к токе b.

По верхней секции обмотки трансформатора Т2 один коммутирующий ток, обозначим его i_↓, протекает сверху вниз, другой i_↑ – снизу вверх. По нижней секции обмотки Т2 коммутирующие токи не протекают. При смене полярности напряжения u_к, т.е. в полупериоде, в котором плюс u_к приложен к точке b, коммутирующие токи i_↑, i_↓ будут протекать по нижней секции обмотки трансформатора Т2. Результирующий ток i_S = i_↓ - i_↑ равен нулю.

При u₂=0 имеем только i_↑ = i_↓ . Следовательно, тока во входной обмотке трансформатора Т2 нет, напряжение u_D на выходе модулятора и, соответственно, на входе амплитудного детектора равно нулю.

Если u₂≠0, то потенциалы средних выводов обмоток трансформаторов Т1 и Т2 будут различаться. Следовательно, по одной секции обмотки Т2 в течение полупериода напряжения u_к будет протекать ток, созданный источником сигнала u₂. В следующем полупериоде ток будет протекать по другой секции и т.д. В результате на выходе модулятора формируется переменное напряжение u_D , амплитуда которого пропорциональна величине напряжения u₂. Амплитудная модуляция несущей u_к сигналом u₂ иллюстрируется левой и средней диаграммами на рис. 8.25в.

Демодулятор (в рассматриваемом случае амплитудный детектор) состоит из однополупериодного выпрямителя, выполненного на диоде VD5, и емкостного С-фильтра (см. рис. 8.25а). Получая на входе переменное напряжение u_D, амплитуда которого изменяется в соответствии с сигналом u₂, детектор выделяет огибающую этого напряжения (правая диаграмма на рис. 8.25в).

Амплитудный детектор имеет недостаток – он не реагирует на полярность напряжения u₂. Этот недостаток может быть устранен, если в качестве демодулятора применить рассмотренный кольцевой модулятор, поменяв местами роли входа и выхода.