CC BY
16Разъемные датчики тока —
актуальный сегмент на рынке датчиков
Григорий ПОРТНОЙ, к. т. н.
sensor@niiem46.ru
Статья посвящена новому семейству современных измерительных датчиков тока, которые дополняют ряд датчиков тока, напряжения и мощности, разработанных и выпускаемых ОАО «НИИЭМ». Датчики этой серии отличаются высокими точностными и надежностными характеристиками, имеют хорошее соотношение цена/качество, что позволяет «НИИЭМ» на равных конкурировать с зарубежными производителями аналогичной продукции. В статье рассматриваются особенности нового сегмента этого класса приборов — разъемных датчиков тока. Такие датчики незаменимы для контроля тока в производстве непрерывного цикла, для мониторинга действующих токовых цепей и т. д. Приведены сравнительные характеристики разъемных датчиков, которые позволяют измерять постоянный и переменный ток от единиц до 25 000 А.
Бесконтактные датчики измерения тока и напряжения на основе преобразователей Холла становятся все более востребованными в разных отраслях промышленности. Это обусловлено, с одной стороны, высокими характеристиками самих датчиков, а с другой — широкой областью их применения.
Вот только краткое перечисление возможных областей применения датчиков тока и напряжения:
• городской электрический транспорт, включающий вагонные преобразователи; тяговые подстанции;
• частотные преобразователи и приводы различного применения;
• системы контроля сварочного оборудования, источников бесперебойного питания;
• системы автоматики и телемеханики энергосистем;
• выпрямители для электрохимических процессов;
• системы мониторинга токовых цепей и пр.
Интерес к этим датчикам подтверждает и большое количество публикаций, посвященных как зарубежным [1, 2], так и отечественным [3] приборам для измерения тока с гальванической развязкой.
Настоящая статья посвящена новым приборам для измерения тока, которые должны пополнить серию датчиков тока и датчиков напряжения, выпускаемых отделением датчиков компа-
Рис. 1. Внешний вид разъемных датчиков ДТР-01
нии «НИИЭМ», производство которой расположено в г. Истра Московской области. Ранее в работе [4] достаточно подробно были представлены номенклатура и параметры этих датчиков. Потребителям, которым нужны более детальные характеристики бесконтактных датчиков тока, напряжения и датчиков мощности, можно рекомендовать сайт www.niiem46.ru, на котором представлены габаритные размеры и характеристики приборов, выложена техническая документация, свидетельства об утверждении типа средств измерений и указана стоимость датчиков.
Желание оптимизировать и снизить цены на эти приборы привело к тому, что в дополнение к серии универсальных датчиков ДТХ, которые измеряют постоянный, переменный и импульсный токи, появился ряд дешевых датчиков серии ДТТ, предназначенных только для измерения переменного тока. Датчики этого семейства позволяют контролировать ток от единиц до 3000 А, обеспечивая удобный для последующей обработки выходной сигнал 4-20 или 0-20 мА. Есть возможность монтажа этих датчиков на DIN-рейку. Спрос со стороны разработчиков стимулировал развитие еще одного сегмента в серии датчиков — разъемных датчиков тока, описанию которых и посвящена эта статья.
Разъемные датчики для измерения малых токов
Внешний вид разъемных датчиков, получивших обозначение ДТР-01, представлен на рис. 1, а их основные технические характеристики приведены в таблице. Конструкция датчика [5] представляет собой разъемный корпус, состоящий из двух частей — основания и кожуха. В нижней части кожуха выполнен сквозной паз, который при сборке корпуса превращается в сквозное отверстие для размещения в нем проводника с током. Внутри самого корпуса размещается замкнутый магнитопровод (концентратор магнитного поля), выполненный из двух П-образных элементов. Один из них расположен в основании, другой — в кожухе. В кожухе также расположен чувствительный элемент, регистрирующий магнитное поле токового проводника, и печатная плата электрического устройства. В основании кожуха имеются соответствующие отверстия для стягивания болтами двух частей корпуса.
Таблица. Основные технические характеристики разъемных датчиков тока
характеристика ДТР-01 ДТР-03 ДТР-02 ДТх-Ж ДБТ
Диапазон измеряемого тока 0-5, 10, 20, 50 0-100, 150, 200, 300 0-500 0-750 0-1000 0-300 0-500 0-1000 0-1500 0-1000 0-1500 0-3000 0-5000 0-10 000 0-20 000 0-25 000
Допустимая перегрузка по току, раз 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
Диапазон рабочих температур, °С -20...+80 -20...+80 0...+70 -20...+70 -50...+60
Основная приведенная погрешность, не более, % 1,5 1,5 1,5 2,5 0,4
Нелинейность выходной характеристики, не более, % 0,1 0,2 0,2 0,1 0,1
Выходной сигнал при номинальном измеряемом токе, мА 4/20 4/20 4/20 200* 300 1000 5
Коэффициент передачи 1:4000 1:5000 1:5000 1:5000 1:3000 1:4000
Полоса пропускания, Гц 50 65 50 0-50 000
Источник питания, В 8-30 10-30 8-36 ±(18-24) ±(24-36)
Диаметр отверстия под токовую шину, мм Прямоугольное отверстие 20x20 50 Прямоугольное отверстие 10x82 Прямоугольное отверстие
Габаритные размеры, мм 85x55x35 65x109x143,5 116x102x44 194x118x82
Масса, г 130 500 450 700;900
Примечание. * По требованию заказчика возможно изготовление датчиков со стандартным токовым выходом 4—20 мА или TRUE-RMS.
Разъемный датчик монтируется непосредственно на проводнике. Протекающий по проводнику переменный ток формирует в магнитопроводе магнитный поток, который наводит в катушках индуктивности (чувствительном элементе) ЭДС, пропорциональную значению протекающего тока.
При протекании по проводнику постоянного тока чувствительными элементами прибора являются два датчика Холла, расположенные в зазорах между двумя частями магнитопровода. Катушки индуктивности в этом случае по своей функции являются компенсационными. Магнитный поток, создаваемый катушками, компенсирует магнитный поток от тока, протекающего в проводнике. Питание датчика и снятие выходного сигнала, пропорционального измеряемому току, осуществляется с помощью разъема на лицевой панели корпуса. Питание датчика 10-30 В осуществляется по токовой петле 4-20 мА с гальванической изоляцией входной шины от цепей питания выхода.
Разъемные датчики для больших токов
Конструкция датчика ДТР-01 позволяет осуществлять его питание непосредственно на токовой шине, и это одно из главных достоинств такого типа датчиков. Особенно удобно использовать эти датчики при измерении тока в труднодоступных местах или когда необходимо провести мониторинг токовых цепей без остановки производства и без разрыва токовой шины.
Такие датчики разрабатывались с расчетом на малое квадратное «окно» под токовую шину. Размеры «окна» под токовую шину — 20x20 мм. Поэтому ток, измеряемый датчиками ДТР-01, ограничен величиной в 300 А (таблица). Эти недостатки устранены в конструкции другого разъемного датчика — ДТР-03
(рис. 2). Внутренний диаметр разъемных полуколец составляет 50 мм, что позволяет измерять ток до 500, 750 и 1000 А (таблица). При этом преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью стандартного интерфейса «токовая петля 4-20 мА» с гальванической изоляцией входной шины от цепей питания и выхода. Выходной сигнал датчика 4-20 мА пропорционален среднеквадратичному значению измеряемого тока.
Датчик легко монтировать в шкаф или блок, так как на основании его корпуса есть специальные крепежные панели, а прилегающая ответная часть разъема позволяет быстро включить его в электрическую цепь.
Датчики ДТР-01 и ДТР-03 используются для контроля тока, который протекает по круглым шинам. Однако во многих видах подвижного транспорта, в электрохимическом производстве и пр. для подачи больших токов используются плоские шины, и тогда требуется другая конструкция датчиков.
На рис. 3 представлена конструкция разъемного датчика с размерами «окна» под
датчики I 17
плоскую шину 10x82 мм. Для удобства потребителей и с целью снижения цены кроме универсального разъемного датчика, представленного на рис. 3б (он измеряет постоянный, переменный и импульсный ток от 1000 до 3000 А), разработан упрощенный вариант датчика. Этот датчик (рис. 3а) предназначен для измерения только переменного тока. Принцип работы этих датчиков идентичен описанным выше приборам.
Датчики ДТР-02 по требованию заказчиков комплектуются стандартным токовым выходом 4-20 или 0-20 мА или изготавливаются с выходом среднеквадратических значений TRUE-RMS. Датчики ДТХ-1000Ж, ДТХ-1500Ж и ДТХ-3000Ж содержат преобразователи Холла и используют компенсационный метод измерения проходящего по шине тока. Питание датчиков ДТР-02 от 8 до 36 В осуществляется по токовой шине. Для датчиков ДТХ необходимо питание от стабилизированного двуполяр-ного источника постоянного напряжения:
• для ДТХ-1000Ж, 1500Ж — ±(18-24) В ±5%;
• для ДТХ-3000Ж — ±(24-36) В ±5%.
Выходной сигнал датчиков пропорционален действующему значению измеряемого тока.
С учетом специфики применения этих приборов на подвижном транспорте в конструкции датчиков проведена замена разъема на отдельные резьбовые винтовые соединения. Крепление датчиков осуществляется непосредственно на токовой шине с помощью прижимной струбцины.
Из таблицы следует, что максимальный ток, который можно измерить датчиком ДТХ-3000Ж, не превышает 4000 А. Однако для многих крупных предприятий электрохимической и электрометаллургической отраслей необходимо измерять ток на порядок больше. Кроме того, специфика таких предприятий накладывает целый ряд ограничений по отношению к датчикам больших токов, и к этим приборам предъявляются дополнительные требования.
Разработанный в компании «НИИЭМ» датчик тока ДБТ (рис. 4) предназначен для из-
Рис. 3. Конструкция:
а) разъемного датчика ДТР-02; б) датчика ДТХ-1000Ж под плоскую токовую шину
мерения любого вида тока с гальванической развязкой силовой цепи и цепей контроля. Датчик выполнен по компенсационной схеме и состоит уже из двух устройств: измерительного контура и источника питания, который обеспечивает измерительный контур необходимым питанием и формирует выходной сигнал. Измерительный контур представляет собой замкнутый магнитопровод, он выполнен в виде квадрата с вырезом и охватывает в процессе измерения токонесущую шину. В зазорах магнитопровода расположены магниточувствитель-ные элементы — датчики Холла (ДХ). На магнитопровод намотаны компенсационные катушки и так называемая поверочная обмотка. Магнитопровод с ДХ и катушками заключен в дюралюминиевый кожух. На кожухе расположен двуполярный усилитель, выполненный по мостовой схеме. Нагрузкой усилителя являются компенсационные катушки. Последовательно с катушками соединен измерительный резистор, который расположен в блоке источника питания.
Разъемный измерительный контур монтируется непосредственно на токовой шине. При протекании тока по токонесущей шине в маг-нитопроводе измерительного контура наводится магнитное поле. Датчики Холла преобразуют магнитное поле в токовый сигнал, про-
Рис. 4. Внешний вид датчика больших токов ДБТ: а) измерительный контур; б) источник питания
порциональный полю, и этот сигнал поступает на вход усилителя. Далее усиленный сигнал подается на компенсационные катушки. Через компенсационную обмотку и измерительный резистор течет ток, пропорциональный измеряемому магнитному полю токонесущей шины и, следовательно, измеряемому току [6].
Основные параметры датчика больших токов приведены в таблице. Питание датчика ДБТ осуществляется от промышленной сети переменного тока 50 Гц, 220 В ±10%. Датчик работоспособен при перегрузке в 1,5 раза по отношению к номинальному току. Датчик ДБТ в 3-3,5 раза дешевле зарубежных аналогов, однако поскольку он является материалоемким прибором, то изготавливается исключительно под заказ. В связи с этим в таблице не указаны массо-габаритные данные прибора, поскольку они могут меняться от образца к образцу по требованию заказчиков.
Помимо цены, существенным достоинством датчика больших токов является возможность его периодической поверки без демонтажа измерительного контура. ■
Литература
1. Данилов А. Современные промышленные датчики тока // Современная электроника. 2004. № 10.
2. Чекмарев А. Датчики тока и напряжения АВВ — от печатной платы до преобразователей-гигантов // Силовая электроника. 2006. № 3.
3. Портной Г. Я. Обзор современных магниточувствительных датчиков Холла и приборов на их основе // Электронные компоненты. 2012. № 12.
4. Портной Г. Я. Датчики электрических величин для электроэнергетики и электропривода // Электронные компоненты. 2005. № 11.
5. Разъемный датчик тока. Патент № 108634. Г. Я. Портной, О. А. Болотин.
6. Датчик больших токов. Патент № 110193. Г. Я. Портной, О. А. Болотин.
новости силовая электроника
Toshiba расширяет модельный ряд диодов Шоттки
со сверхнизким прямым напряжением
Компания Toshiba Electronics Europe (TEE) расширяет свой модельный ряд диодов с барьером Шоттки для поверхностного монтажа новым полупроводниковым прибором CxS15S30.
Диод Шоттки CxS15S30 имеет максимальные параметры среднего выпрямленного тока и пикового обратного напряжения, равные 1,5 А и 30 В соответственно. Варианты исполнения включают сверхкомпактный LGA-корпус CST2C (CCS15S30) с размерами 1,6x0,8x0,48 мм и стандартный корпус SOD-323 (CUS15S30).
Новый диод Toshiba подходит, в частности, для условий ограниченного пространства, когда основными требованиями являются высокая сила тока
и низкое прямое напряжение (ип). CxS15S30 обеспечивает высокую эффективность, которая необходима для устройств, работающих от батареи, и других систем с низким электропотреблением. Низкое типовое прямое напряжение ип = 0,39 В при 1,5 А и низкий типовой обратный ток 200 мкА гарантируют минимальные потери при работе в таких распространенных схемах, как цепи светодиодной подсветки или защита от обратного тока при зарядке батареи.
Полная типовая емкость диода всего 200 пФ означает, что CxS15S30 можно также использовать в распространенных схемах быстродействующих переключателей.
www.toshiba-components.com
