PL211921B1 - Przekładnik napięciowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przekładnik napięciowy przeznaczony do stosowania w różnego rodzaju układach pomiarowych zwłaszcza w nowoczesnych układach elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej.

Znane z książki Józefa Żydanowicza „Elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa podstawy zabezpieczeń elektroenergetycznych” WNT Warszawa 1979 r., przekładniki napięcia wykorzystują transformatory napięciowe. Przekładniki transformatorowe charakteryzują się znacznymi gabarytami, co w dobie stosowania mikroprocesorowych układów zabezpieczeń znacznie powiększa ciężar i rozmiary tych układów. Ponadto, z uwagi na wzrastające wraz z częstotliwością straty w klasycznym, pakietowanym rdzeniu klasyczne przekładniki napięciowe nie przenoszą wiernie przebiegów napięć odkształconych, co stanowi ich poważną wadę.

Przekładnik napięciowy znany z polskiego zgłoszenia patentowego nr 385042, ma dwa magnetowody, przy czym jedna sekcja uzwojenia pierwotnego jest sprzężona magnetycznie pierwszym magnetowodem, z co najmniej jedną sekcją uzwojenia wtórnego, natomiast co najmniej dwie sekcje uzwojenia pierwotnego są sprzężone magnetycznie drugim magnetowodem. Wszystkie sekcje uzwojenia pierwotnego sprzężone magnetowodami, połączone są sobą szeregowo oraz podłączone do napięciowych zacisków pierwotnych, zaś do napięciowych zacisków wtórnych podłączona jest sekcja uzwojenia wtórnego. Napięcie indukowane na zaciskach wtórnych może stanowić sygnał pomiarowy dla nowoczesnych układów elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej.

Przekładnik napięciowy znany z polskiego zgłoszenia patentowego nr 385043, ma uzwojenie wtórne sprzężone magnetycznie poprzez powietrze z uzwojeniem pierwotnym. Do połączonych ze sobą szeregowo uzwojenia pierwotnego i elementu, korzystnie rezystora, indukcyjności lub pojemności, przyłączone jest napięcie pierwotne. Napięcie strony wtórnej jest indukowane w uzwojeniu wtórnym. Uzwojenia wykonane są jako wielowarstwowe obwody drukowane.

Przekładnik napięciowy znany z polskiego opisu patentowego nr 210220, ma z zaciskami pomiarowymi mierzonego napięcia połączoną równolegle cewkę indukcyjną, korzystnie o dużej indukcyjności, natomiast przewód prądowy tej cewki indukcyjnej umieszczony jest w oknie cewki Rogowskiego połączonej z blokiem pomiarowym. Rozwiązanie to wymaga stosowania dławika, co ogranicza jego obszar zastosowań w zasadzie do obwodów niskiego napięcia. Ponadto układ ten pobiera dodatkowo moc bierną.

Istota przekładnika według wynalazku polega, na tym, że pomiędzy zaciskami pierwotnymi, do których przyłączone jest napięcie pierwotne, włączona jest gałąź utworzona z szeregowo połączonych cewki pierwotnej i co najmniej jednego rezystora pierwotnego, natomiast cewka wtórna włączona pomiędzy zaciski wtórne przekładnika, na których występuje napięcie wtórne, jest połączona równolegle z rezystorem wtórnym.

Korzystnie, gałąź utworzona jest z szeregowo połączonych cewki pierwotnej i dwóch rezystorów pierwotnych, przy czym każdy z rezystorów pierwotnych przyłączony jest do odrębnego bieguna cewki pierwotnej.

Korzystnie, gałąź utworzona jest z szeregowo połączonych cewki pierwotnej i rezystora, a wartość tego rezystora jest równa podwójnej wartości rezystora pierwotnego, przy czym korzystnym jest, gdy biegun cewki pierwotnej przyłączony do zacisku pierwotnego przekładnika, jest na potencjale ziemi.

Zaletą przekładnika według wynalazku jest to, że pomiar napięcia dokonywany jest w izolowanym galwanicznie sygnale wyjściowym obwodu wtórnego przy bardzo małym poborze prądu w obwodzie pierwotnym. Niewielkie gabaryty i mały ciężar predysponują rozwiązanie do instalowania w coraz to bardziej ograniczanych kubaturowo przestrzeniach nowoczesnych aparatów, urządzeń i zabezpieczeń elektroenergetycznych. Dodatkową zaletą jest prosta i lekka zarazem konstrukcja zawierająca ferrytowy rdzeń o niewielkiej kubaturze. Cechy te dają w efekcie niski koszt produkcji, eliminują z produkcji kosztowny park maszynowy i bardzo upraszczają cały proces technologiczny.

Budowa umożliwia konstruowanie całego typoszeregu przekładników na różne wielkości napięć pierwotnych z wykorzystaniem typowego modułu. Izolowany galwanicznie od monitorowanego napięcia sygnał może stanowić wielkość kryterialną działania wielu współczesnych układów elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie realizacji na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy przekładnika napięciowego napięcia międzyfazowego z dwoma rezystorami

PL 211 921 B1 pierwotnymi, fig. 2 - wykres wskazowy przekładnika napięciowego napięcia międzyfazowego z dwoma rezystorami pierwotnymi, fig. 3 - schemat ideowy przekładnika napięciowego napięcia fazowego z jednym rezystorem, a fig. 4 - wykres wskazowy przekładnika napięciowego napięcia fazowego z jednym rezystorem.

P r z y k ł a d I

Przekładnik napięciowy napięcia międzyfazowego z dwoma rezystorami pierwotnymi przeznaczony jest do pracy przy zasilaniu strony pierwotnej napięciem międzyfazowym. Do zacisków pierwotnych M, N obwodu pierwotnego przyłączona jest gałąź zawierająca połączone szeregowo dwa rezystory pierwotne R1 oraz cewkę pierwotną 1 o liczbie zwojów z1. Rezystory pierwotne R1 są przyłączone do zacisków pierwotnych M, N każdy. Zaciski wtórne m, n strony wtórnej przekładnika przyłączone są do cewki wtórnej 2 o liczbie zwojów z2. Do zacisków wtórnych m, n przyłączony jest rezystor wtórny R2. Cewki 1 i 2 sprzężone są ze sobą magnetycznie magnetowodem 3 ferrytowym, stanowiącym jednocześnie układ izolacyjny pomiędzy stroną pierwotną i wtórną przekładnika. Pod wpływem przyłączonego do zacisków pierwotnych M i N napięcia pierwotnego U1 płynie prąd Ii który przetransformowany z cewki pierwotnej 1 do cewki wtórnej 2 przybiera wartość I2 = I1 · z1/z2. Prąd wtórny I2 wywołuje spadek napięcia wtórnego U2 na rezystorze wtórnym R2. Na fig. 2 przedstawiono wykres wskazowy przekładnika napięciowego napięcia międzyfazowego. Napięcie pierwotne U1 przekładnika stanowi napięcie UAC układu trójfazowego. Z uwagi na symetryczne usytuowanie cewki pierwotnej 1, jej zaciski znajdują się na możliwie najniższym potencjale U w stosunku do potencjału przewodu neutralnego 0. Potencjał ten jest równy połowie wartości napięcia fazowego układu, co stanowi istotną zaletę ze względów bezpieczeństwa. Napięcie wtórne U2 indukowane w cewce wtórnej 2 jest równe iloczynowi prądu wtórnego I2 i rezystancji wtórnej R2. Napięcie wtórne U2 przeliczone na stronę pierwotną przekładnika przybiera wartość U*R2. W ten sposób napięcie pierwotne UAB zostaje podzielone na trzy spadki napięcia, z których dwa spadki napięcia Uri występują na dwóch rezystorach pierwotnych R1 oraz spadek napięcia U*R2.

W ogólnym przypadku, pomijając znikomą wartość reaktancji zastępczej układu cewek 1 i 2 w porównaniu z bardzo dużą wartością rezystancji pierwotnej R1, można napisać:

I1 · z1 = stąd

I2 = I1

Napięcie wtórne U2 przekładnika wynosi:

U2 = l2 · R2 = Ii · R2 · - = Ił · R2, ^z2 gdzie: R'2 jest rezystancją rezystora wtórnego R2 przeliczona na stronę pierwotną. Prąd pierwotny Ii przekładnika wynosi:

· z2 ,

Ξΐ. ^z2

Ii =

Ul

U1

2Ri + R'₂ 2Ri + R₂ — ^z2

Stąd napięcie pierwotne Ui można zapisać jako:

Ui = Ii [2 R ₁ + R ₂|].

Oznaczając przez θ przekładnię przekładnika otrzymuje się:

_ U, _ ^2R1^+Rz^ _ 2Ri z₂ θ = — =

U₂ r₂ · ^z2 z- . -+1.

^r2 zi

Przy sugerowanej równej liczbie zwojów zi = z2 przekładnia O wynosi:

θ = ϋ! = fil + 1

U₂ R₂

PL 211 921 B1

W celu zapewnienia stałej wartości przekładni 3, niezależnie od wpływu temperatury otoczenia na zmianę rezystancji, korzystnym jest zapewnienie jednakowej temperatury rezystorom R1 i R2.

P r z y k ł a d II

Przekładnik napięciowy napięcia fazowego z jednym rezystorem przeznaczony jest do pracy przy zasilaniu strony pierwotnej napięciem fazowym. Do zacisków pierwotnych M, N obwodu pierwotnego przyłączona jest gałąź zawierająca połączone ze sobą szeregowo rezystor 2R1 oraz cewkę pierwotną 1 o liczbie zwojów z1. Korzystnym jest aby rezystor 2R1 był przyłączony do zacisku M będącego na potencjale napięcia fazowego, zaś zacisk N do przewodu neutralnego 0. Zaciski wtórne m, n przekładnika przyłączone są do cewki wtórnej 2 o liczbie zwojów z2. Do zacisków wtórnych m, n przyłączony jest rezystor R2. Cewki 1 i 2 sprzężone są ze sobą magnetycznie magnetowodem 3 korzystnie ferrytowym, stanowiącym jednocześnie układ izolacyjny pomiędzy stroną pierwotną i wtórną przekładnika. Pod wpływem przyłączonego do zacisków pierwotnych M i N napięcia pierwotnego U1 płynie prąd pierwotny I1, który przetransformowany z cewki pierwotnej 1 do cewki wtórnej 2 przybiera wartość I2 = I1 · z1/z2. Prąd wtórny I2 wywołuje spadek napięcia wtórnego U2 na rezystorze wtórnym R2. Na fig. 4 przedstawiono wykres wskazowy przekładnika napięciowego napięcia fazowego. Napięcie pierwotne U1 przekładnika stanowi napięcie fazowe UA układu trójfazowego. Z uwagi na usytuowanie cewki pierwotnej 1 przy zacisku pierwotnym przekładnika N będącym na potencjale ziemi Z, jej zaciski znajdują się na najniższym z możliwych potencjałów układu, na potencjale ziemi. Wykres wskazowy przekładnika napięciowego napięcia fazowego przedstawiono na fig. 4. Napięcie pierwotne U1 przekładnika stanowi napięcie fazowe UA układu trójfazowego. Napięcie wtórne U2 indukowane w cewce wtórnej 2 jest równe iloczynowi prądu wtórnego I2 i rezystancji wtórnej R2. Napięcie wtórne U2 przeliczone na stronę pierwotną przekładnika przybiera wartość U*R2. W ten sposób napięcie fazowe UA zostaje podzielone na dwa spadki napięcia: spadek napięcia U2R1 na rezystorze 2R1 oraz spadek napięcia U*R2.

W ogólnym przypadku, pomijając znikomą wartość reaktancji zastępczej układu cewek 1 i 2 w porównaniu z bardzo dużą wartością rezystancji pierwotnej R1, można napisać:

I1 · z1 = stąd

I2 = I1

Napięcie wtórne U2 przekładnika wynosi:

U2 = l2 · R2 = I1 · gdzie: R'2 jest rezystancją rezystora wtórnego R2 przeliczoną na stronę pierwotną. Prąd pierwotny I1 przekładnika wynosi:

I2 · z2 , . Ξΐ.

Z2

R2 · = Ii · R2,

Ui

I - ^Ul Ii = 7Γ^-

2Ri + R'2 2Ri + R2 Stąd napięcie pierwotne Ui można zapisać jako:

Ui = Ii [2 R ! + R ₂|].

Oznaczając przez O przekładnię przekładnika otrzymuje się:

TT 2R1+R2— on

A = -i = ^z2 ₌ ^2R! . H -Lj

U 2 ^_ R₂ · ~ - .

^z2 ^R2 ^Z1

Przy sugerowanej równej liczbie zwojów zi = z2 przekładnia 3 wynosi:

= Hi ₌ £Hi ₊ !

u₂ r₂

W celu zapewnienia stałej wartości przekładni niezależnie od wpływu temperatury otoczenia na zmianę rezystancji, korzystnym jest zapewnienie jednakowej temperatury rezystorom Ri i R2.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Przekładnik napięciowy, w którym cewka pierwotna sprzężona jest magnetycznie magnetowodem z cewką wtórną, znamienny tym, że pomiędzy zaciskami pierwotnymi (M, N), do których przyłączone jest napięcie pierwotne (U1) włączona jest gałąź utworzona z szeregowo połączonych cewki pierwotnej (1) i co najmniej jednego rezystora pierwotnego (R1), natomiast cewka wtórna (2) włączona pomiędzy zaciski wtórne przekładnika (m, n), na których występuje napięcie wtórne (U2), jest połączona równolegle z rezystorem wtórnym (R2).
2. 2. Przekładnik według zastrz. 1, znamienny tym, że gałąź utworzona jest z szeregowo połączonych cewki pierwotnej (1) i dwóch rezystorów pierwotnych (R1), przy czym każdy z rezystorów pierwotnych (R1) przyłączony jest do odrębnego bieguna cewki pierwotnej (1).
3. 3. Przekładnik według zastrz. 1, znamienny tym, że gałąź utworzona jest z szeregowo połączonych cewki pierwotnej (1) i rezystora (2R1), przy czym wartość tego rezystora (2R1) jest równa podwójnej wartości rezystora pierwotnego (R1).
4. 4. Przekładnik według zastrz. 3, znamienny tym, że biegun cewki pierwotnej (1) przyłączony do zacisku pierwotnego przekładnika (N), jest na potencjale ziemi (Z).