CC BY
0
УДК 621
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДАТЧИКА МАЛЫХ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ
Н. В. Карабонцева, Л. А. Самотик, Н. В. Штабель
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, пр. имени газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: karabonceva@mail .ru
Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что при снижении сопротивления изоляции появляются токи утечки, измерение малых токов утечки при испытаниях системы электропитания позволит в дальнейшем обнаружить аварийную ситуацию и избежать нежелательных последствий.
Ключевые слова: датчик тока, сопротивление изоляции, токи утечки.
LOW MAGNITUDE DIRECT CURRENT SENSOR SIMULATION N. V. Karabontseva, L. A. Samotik, N. V. Shtabel
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: karabonceva@mail.ru
The relevance of the chosen topic is due to the fact that with a decrease in the insulation resistance, leakage currents appear, the measurement of small leakage currents during testing of the power supply system will allow to detect an emergency situation and avoid undesirable consequences.
Key words: current sensor, insulation resistance, leakage current.
Надежность и безопасность электрических сетей зависят от исправности их токопроводящих жил и состояния изоляции. Значительное количество отказов в работе электрооборудования возникает вследствие снижения электрического сопротивления изоляции. Основные причины — тепловое старение, повышенная влажность и механические повреждения изоляционного слоя.
Сбои в работе системы электропитания (СЭП) космического аппарата (КА) могут привести к нарушению работы других систем, а при ее отказе к завершению срока активного существования КА. Измерение сопротивления изоляции и токов утечки является одним из важных этапов электрических испытаний КА.
В настоящее время в промышленности и быту широко применяются устройства защитного отключения (УЗО) для сетей переменного тока, однако для сетей постоянного тока с большим количеством источников и потребителей защитные устройства практически не применяются из-за сложности обнаружения и измерения малых токов утечки.
В связи с этим для контроля токов утечки целесообразно применять датчики, основанные на эффекте магнитной модуляции [1,2], позволяющие обнаруживать разностный постоянный ток в шинах питания. При этом большое значение имеют погрешность измерения токов, минимальный измеряемый ток, частотный диапазон датчика, а для устройств защиты также время реакции.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2021. Том 2
В данной работе произведено моделирование датчика тока, основанного на эффекте магнитной модуляции. Структурно датчик состоит из обмотки с сердечником, измерительного сопротивления и сопротивления обратной связи, схемы возбуждения с напряжением смещения и фильтра нижних частот.
Рис.1. Принцип работы феррозондового датчика.
Is- измеряемый ток; R- резистор; ивых-выходное напряжение
Отдельного внимания заслуживает выбор материала сердечника датчика, поскольку его параметры напрямую влияют на его характеристики. Основными критериями выбора материала сердечника феррозонда являются: высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила, низкая магнитная индукция насыщения, гладкая (непрямоугольная) форма петли гистерезиса [3]. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют аморфные и нанокристаллические магнитные сплавы.
Моделирование магнитного сердечника с гистерезисом и схемы возбуждения датчика позволяют на первом этапе разработки оценить коэффициент передачи, частотный диапазон, диапазон измерения. Рассмотрим наиболее подходящих материала: ГМ501, 82K3XCP, Supermalloy, ГМ440А, а также произведем моделирование сердечника с помощью модели Джилса-Аттертона в программе Micro-Cap и сравним результаты их исследования по частоте и коэффициенту передачи.
Таблица 1
ГМ501 82K3XCP Supermalloy ГМ440А
Коэрцетивная сила Нс, А/м 0.0019 0.0025 0.008 0.0502
Bmax, Тл 0,4300 0,4500 0,7200 1,5
цтах 600 000 1.5x10е 334 000 200 000
Hmax, А/м 0,7191 0,4396 15,98 5,9925
Схема моделирования датчика тока представлена на рисунке 2. На схеме показаны обмотка возбуждения (Ь3), обмотка с измеряемым током (Ь2), операционный усилитель выполняющий функцию компаратора и генератора импульсов (XI), измерительный резистор (Я2).
В ходе моделирования оценивались следующие параметры: коэффициент передачи (мВ/мА), частота перемагничивания сердечника. Сравнение приведено в таблице 2.
Рис.2. Схема моделирования феррозондового датчика тока: И- измеряемый ток; ФНЧ- фильтр низких частот;
^ых-выходное напряжение датчика; Х1-компоратор; Я2- измеряемое сопротивление; L2- обмотка возбуждения
Таблица 2
Результаты моделирования феррозондового датчика тока _
ГМ501 82K3XCP Supermalloy ГМ440А
Коэффициент передачи мВ/мА 4.48 85 11.075 2.22
Частота 2.054 1.17 1.3 4.54
перемагничивания, кГц
Линейность в ±3 ± 8 ±4 ±10
диапазоне, %
Исходя из результатов видно, что наилучшим коэффициентом обладает материал supermalloy, лучшую частоту обеспечивает материал 82К3ХСР. При этом материал ГМ440А подходит для датчиков малых токов, так как полученные значения: коэффициент передачи 2.22 мВ/мА, частота 4.54 Гц и линейность в диапазоне ±8, при аппроксимации прямой в диапазоне ±10мА, удовлетворяют требованиям. Для разработки датчиков целесообразно применить материалы российских производителей, так как стоимость зарубежных сплавов выше на порядок при сопоставимых характеристиках. Следующим шагом в разработке датчика тока является выбор оптимального числа витков и конфигурации обмоток.
Библиографические ссылки
1. 3E SLD1-100mA [Электронный ресурс] URL: https://ldtn.ru/system/product/335/SLD1-100mA. pdf (дата обращения : 04.04.2021)
2. LEM CTSR-0.3P [Электронный ресурс] URL: https://www.lem.com/ru/ctsr-03p (дата обращения : 05.04.2021)
3. Electronic textbook StatSoft [Электронный ресурс] URL: http://micromake.ru (дата обращения : 29.03.2021)
© Н. В. Карабонцева, Л. А. Самотик, Н. В. Штабель, 2021
