PL226855B1

PL226855B1 - Current sensor

Info

Publication number: PL226855B1
Application number: PL410323A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz Kowalski; Andrzej Nowakowski
Original assignee: Inst Tele I Radiotechniczny
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2017-09-29
Also published as: PL410323A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest czujnik prądu, stosowany zwłaszcza w pomiarach prądu w elektroenergetycznych szynach prądowych.The subject of the invention is a current sensor, used in particular in the measurement of current in power busbars.

W wielu zastosowaniach, np. rozdzielnicach średniego i niskiego napięcia, zawierających szyny prądowe, potrzebny jest pomiar prądu płynącego w tych szynach, bez ingerencji w ciągłość szyn. Do takich pomiarów wykorzystuje się czujniki prądu, które pozwalają na pomiar poprzez umieszczenie czujnika blisko szyny.In many applications, e.g. MV and LV switchboards containing busbars, it is necessary to measure the current flowing in the busbars without interfering with the continuity of the busbars. For such measurements, current sensors are used, which allow the measurement by placing the sensor close to the rail.

Znane ze zgłoszenia WO2014154299 rozwiązanie czujnika prądu wykorzystuje światłowodowe elementy optyczne zmieniające parametry pod wpływem temperatury.The current sensor solution known from the application WO2014154299 uses fiber optic elements that change parameters under the influence of temperature.

Innym znanym z opisów patentowych WO2014155908 rozwiązaniem są czujniki zawierające elementy wykorzystujące efekt Halla.Another solution known from the patents WO2014155908 are sensors containing elements using the Hall effect.

Ze zgłoszenia WO2014147996 znane są czujniki zawierające elementy wykorzystujące elementy magnetorezystywne.From the application WO2014147996, sensors containing elements using magnetoresistive elements are known.

Ze zgłoszenia CN201369237Y znany jest czujnik zawierający cewki w postaci ułożonych na krzyż czterech spiral na dwustronnym obwodzie drukowanym, na którym znajduje się również układ całkujący.From the application CN201369237Y there is known a sensor containing coils in the form of cross-arranged four spirals on a double-sided printed circuit, on which also an integrating circuit is provided.

Ze zgłoszenia CN200983314Y znany jest czujnik zawierający cewki w postaci ułożonych na krzyż czterech spiral na dwustronnym obwodzie drukowanym, na którym znajduje się również ścieżka z obwodem prądu pierwotnego.From the application CN200983314Y there is known a sensor containing coils in the form of cross-arranged four spirals on a double-sided printed circuit, which also has a path with a primary circuit.

Innym powszechnie znanym rozwiązaniem są czujniki wykorzystujące cewkę Rogowskiego, czyli bezrdzeniową cewkę powietrzną, otaczającą przewód z prądem jak w zgłoszeniach patentowych P.398525, P.398508, P.398526, przykładowo wykonaną przy użyciu obwodów drukowanych.Another commonly known solution are sensors using a Rogowski coil, i.e. a coreless air coil, surrounding a conductor with a current as in patent applications P.398525, P.398508, P.398526, for example made using printed circuits.

Znane są też czujniki w postaci elementów indukcyjnych zawierających rdzeń ferromagnetyczny, na przykład przekładniki prądowe, dostępne w handlu.Sensors in the form of inductive elements containing a ferromagnetic core, for example current transformers, are also known commercially.

Czujnik prądu według wynalazku zawiera szereg cewek wykonanych w postaci spirali na warstwach obwodu drukowanego składającego się z laminatu, na którego obu stronach znajdują się pola stykowe połączone z zewnętrznym końcem uzwojeń, a wewnętrzne końce uzwojeń połączone są ze sobą za pomocą przepustu przechodzącego przez laminat, przy czym kierunek zwojów uzwojeń jest jednakowy dla obu warstw. Z jednej strony cewki uzwojenie pokryte jest warstwą izolacyjną. Cewki czujnika prądu są ułożone równolegle do siebie i połączone szeregowo za pomocą za pomocą cienkiej warstwy lutowia, tak, aby poszczególne cewki były jak najbliżej siebie. Do skrajnych pól stykowych zestawu cewek dołączone są za pomocą lutowia przewody wyprowadzeniowe. Cały zestaw cewek jest ułożony wzdłuż szyny prądowej, wokół której pole magnetyczne przenika przez uzwojenia cewek indukując w nich napięcie. Stałą pozycję cewek względem szyny prądowej zapewnia obejma wykonana z materiału nieferromagnetycznego.The current sensor according to the invention comprises a series of coils made in the form of a spiral on layers of a printed circuit consisting of a laminate, on both sides of which there are contact areas connected to the outer end of the windings, and the inner ends of the windings are connected to each other by a bushing passing through the laminate, with the direction of the windings is the same for both layers. The winding is covered with an insulating layer on one side of the coil. The current sensor coils are arranged parallel to each other and connected in series with a thin layer of solder so that the individual coils are as close as possible to each other. Leading wires are connected to the outermost contact fields of the set of coils with the use of solder. The entire set of coils is arranged along a current rail, around which the magnetic field passes through the coil windings inducing a voltage in them. The fixed position of the coils in relation to the conductor rail is ensured by a clamp made of a non-ferromagnetic material.

Płynący w szynie prądowej prąd wywołuje wokół niej pole magnetyczne, o natężeniu proporcjonalnym do tego prądu. Uzwojenia cewek czujnika są umieszczone prostopadle do powierzchni szyny prądowej i wzdłuż tej szyny. W związku z tym pole magnetyczne przenika przez uzwojenia indukując w nich napięcie, które jest sygnałem wyjściowym czujnika. Zastosowanie cewek wykonanych w technologii płytek drukowanych ma wiele zalet. Uzwojenia mają kształt spirali, umiejscowionej na poszczególnych warstwach tak, aby zachować stały kierunek zwojów. Poszczególne uzwojenia są szeregowo połączone ze sobą w obrębie pojedynczej cewki za pomocą przepustu a pomiędzy cewkami za pomocą zlutowanych pól stykowych.The current flowing in the busbar causes a magnetic field around it, the intensity of which is proportional to this current. The sensor coil windings are located perpendicular to the surface of the current bar and along the bar. Therefore, the magnetic field penetrates the windings inducing a voltage in them, which is the output signal of the sensor. The use of coils made in the technology of printed circuit boards has many advantages. The windings have the shape of a spiral, located on individual layers so as to maintain a constant direction of the turns. The individual windings are serially connected to each other within a single coil by means of a bushing and between the coils by means of soldered contact fields.

Taka konstrukcja umożliwia wykonanie czujnika o niewielkich rozmiarach, a o dużej liczbie zwojów i o dużej powierzchni uzwojeń, co skutkuje dużą czułością czujnika. Obejma ustalająca położenie czujnika względem szyny prądowej gwarantuje zależność napięcia wyjściowego czujnika tylko od wartości prądu. Brak elementów ferromagnetycznych lub półprzewodnikowych powoduje, że czujnik prądu według wynalazku charakteryzuje się bardzo dużą dynamiką i doskonałą liniowością przetwarzania.This design allows the sensor to be made of small dimensions, with a large number of turns and a large area of windings, which results in high sensitivity of the sensor. The clamp positioning the sensor in relation to the busbar guarantees the dependence of the sensor output voltage only on the current value. Due to the absence of ferromagnetic or semiconductor elements, the current sensor according to the invention is characterized by very high dynamics and excellent processing linearity.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania schematycznie na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pojedynczą cewkę, a fig. 2 przedstawia czujnik prądu.The subject of the invention is shown schematically in the drawing in which Fig. 1 shows a single coil, and Fig. 2 shows a current sensor.

Czujnik prądu zawiera cewki 6, wykonane w postaci spirali na warstwach obwodu drukowanego. Każda cewka ma po obu stronach laminatu 3 pole stykowe 1 połączone z uzwojeniem 2, a uzwojenia są ze sobą połączone za pomocą przepustu 4 przechodzącego przez laminat obwodu drukowanego 3. Kierunek zwojów jest jednakowy po obu stronach laminatu 3. Cewki 6 czujnika prądu są ułoPL 226 855 B1 żone równolegle do siebie i połączone szeregowo za pomocą lutowia 10 łączącego pola stykowe 1, przy czym do skrajnych pól stykowych 1 są dołączone przewody wyprowadzeniowe 11. Zestaw cewek 6 tworzący czujnik prądu jest ułożony wzdłuż szyny prądowej 7. Pole magnetyczne 8, wytwarzane przez prąd płynący w szynie prądowej 7, przenika przez uzwojenia 2 cewek 6 indukując w nich napięcie. Stałą pozycję cewek 6 względem szyny prądowej 7 zapewnia obejma 9 wykonana materiału nieferromagnetycznego.The current sensor comprises coils 6, made in the form of a spiral on the printed circuit layers. Each coil has on both sides of the laminate 3 a contact area 1 connected to the winding 2, and the windings are connected to each other by a bushing 4 passing through the printed circuit laminate 3. The direction of the turns is the same on both sides of the laminate 3. The current sensor coils 6 are arranged 855 B1 connected parallel to each other and connected in series by means of solder 10 connecting the contact fields 1, lead wires 11 connected to the extreme contact fields 1. A set of coils 6 forming the current sensor is arranged along the conductor bar 7. The magnetic field 8 produced by the current flowing in the current rail 7 passes through the windings of 2 coils 6 inducing a voltage in them. The fixed position of the coils 6 in relation to the current rail 7 is ensured by the clamp 9 made of a non-ferromagnetic material.

Czujnik prądu znajduje zastosowanie zwłaszcza w pomiarach prądu w elektroenergetycznych szynach prądowych.The current sensor is used especially in the measurement of current in power busbars.

Claims

1. Current sensor including coils in the form of a spiral on layers of a printed circuit, leads, a clamp, characterized in that it comprises a set of coils (6) made in the form of a spiral on the layers of a printed circuit consisting of a laminate (3) on both sides of which there are contact fields (1) connected with the outer end of the windings (2), and the inner ends of the windings (2) are connected with each other by a bushing (4) passing through the laminate (3), while the direction of the windings (2) turns is the same on both sides of the laminate (3), and on one side of the coil (6), the winding (2) is covered with an insulating layer (5), while the coils (6) are arranged parallel to each other and connected in series with a thin layer of solder (10), and to the outermost contact fields of the set of coils (6) are connected with solder lead wires (11), the entire set of coils (6) is arranged along the conductor rail (7), and the constant position of the coils in relation to the conductor rail is provided by a clamp (9) made of non-ferrous material magnetic.