Измерительные трансформаторы тока — назначение, устройство, виды конструкций

Мощные электротехнические установки могут работать с напряжением несколько сот киловольт, при этом величина тока в них может достигать более десятка килоампер. Естественно, что для измерения величин такого порядка не представляется возможным использовать обычные приборы. Даже если бы таковые удалось создать, они получились бы довольно громоздкими и дорогими.

Помимо этого, при непосредственном подключении к высоковольтной сети переменного тока повышается риск поражения электротоком при обслуживании приборов. Избавиться от перечисленных проблем позволило применение измерительных трансформаторов тока (далее ИТТ), благодаря которым удалось расширить возможности измерительных устройств и обеспечить гальваническую развязку.

Назначение и устройство ИТТ

Функции данного типа трансформаторов заключаются в снижении первичного тока до приемлемого уровня, что делает возможным подключение унифицированных измерительных устройств (например, амперметров или электронных электросчетчиков), защитных систем и т.д. Помимо этого, трансформатор тока обеспечивают гальваническую развязку между высоким и низким напряжением, обеспечивая тем самым безопасность обслуживающего персонала. Это краткое описание позволяет понять, зачем нужны данные устройства. Упрощенная конструкция ИТТ представлена ниже.

Конструкция измерительного трансформатора тока

Обозначения:

1. Первичная обмотка с определенным количеством витков (W1).
2. Замкнутый сердечник, для изготовления которого используется электротехническая сталь.
3. Вторичная обмотка (W2 — число витков).

Как видно из рисунка, катушка 1 с выводами L1 и L2 подключена последовательно в цепь, где производится измерение тока I1. К катушке 2 подключается приборы, позволяющие установить значение тока I2, релейная защита, система автоматики и т.д.

Основная область применения ТТ — учет расхода электроэнергии и организация систем защиты для различных электроустановок.

В измерительном трансформаторе тока обязательно наличие изоляции как между катушками, витками провода в них и магнитопроводом. Помимо этого по нормам ПУЭ и требованиям техники безопасности, необходимо заземлять вторичные цепи, что обеспечивает защиту в случае КЗ между катушками.

Получить более подробную информацию о принципе действия ТТ и их классификации, можно на нашем сайте.

Как выбрать трансформатор тока для счетчика: 10 критериев по ГОСТ

Длительная и надежная работа ТТ возможна при соответствии его конструкции:

1. назначению. (Ориентируемся только на измерительные изделия);
2. действующему напряжению электропроводки, которое может меняться от 220 вольт до высоковольтных величин;
3. типу изоляции;
4. допустимому способу монтажа (в закрытых распределительных устройствах или на открытом воздухе);
5. величинам действующих токов, учитываемых коэффициентом трансформации;
6. классу точности;
7. ряду других требований.

Кроме этого придется уточнить конструкцию первичной обмотки, которая может изготавливаться:

• стержневой или шинной;
• с возможностью установки одного витка или нескольких.

Для работы разных цепей измерения, защит или автоматики внутри корпуса ТТ может быть выполнено несколько вторичных обмоток с разными характеристиками. Все их придется учесть, а ненужные надежно зашунтировать.

ГОСТ 7746-2001 таблицей 5 определяет значения 10 основных параметров, обеспечивающих надежную работу ТТ в качестве измерительных устройств для электрических счетчиков.

Более подробная информация изложена внутри этого ГОСТ.

Перечень основных параметров

Технические характеристики трансформатора тока описываются следующими параметрами:

• Номинальным напряжением, как правило, в паспорте к прибору оно указано в киловольтах. Эта величина может быть от 0,66 до 1150 кВ. получит полную информацию о шкале напряжений можно в справочной литературе.
• Номинальным током первичной катушки (I1), также указывается в паспорте. В зависимости от исполнения, данный параметр может быть в диапазоне от 1,0 до 40000,0 А.
• Током на вторичной катушке (I2), его значение может быть 1,0 А (для ИТТ с I1 не более 4000,0 А) или 5,0 А. Под заказ могут изготавливаться устройства с I2 равным 2,0 А или 2,50 А.
• Коэффициентом трансформации (КТ), он показывает отношение тока между первичной и вторичной катушками, что можно представить в виде формулы: КТ = I1/I2. Коэффициент, определяемый по данной формуле, принято называть действительным. Но для расчетов еще используется номинальный КТ, в этом случае формула будет иметь вид: IНОМ1/IНОМ2, то есть в данном случае оперируем не действительными, а номинальными значениями тока на первой и второй катушке.

Ниже, в качестве примера, приведена паспортная таблица модели ТТ-В.

Перечень основных параметров измерительного трансформатора тока ТТ-В

Назначение трансформаторов тока простыми словами

Основная задача

Трансформатор тока (сокращенное общепринятое обозначение ТТ) создан для работы в электрических схемах как простой преобразователь, способный с высокой точностью пропорционально понижать токи высоких величин до номинальных вторичных значений без изменения частоты сигнала.

На его вход подается первичный переменный ток большой величины, а по выходной цепочке протекает уменьшенное, преобразованное значение нагрузки.

Этот процесс легко представить совмещенными графиками синусоид обоих токов с их отображением на простой векторной диаграмме единичной окружности.

Синусоида первичного тока I1, проходящего по силовым шинам, показана графиком с высокой амплитудой, которая может превышать, например, 100 или 200 ампер. Допустим, что она отстоит от начала координат на какой-то угол α.

Ее форма и величина станет преобразовываться в ТТ во вторичную величину I2 со значительно меньшей амплитудой, например, 1 или 5 ампер.

Графики синусоидальных гармоник легко упрощаются векторными выражениями, построенными на плоскости единичной окружности. Они облегчают понимание происходящих процессов, позволяют проще их анализировать.

Векторная диаграмма просто рисуется и наглядно показывает пропорции величин каждой составляющей и их направление.

Сейчас же сделаем простой вывод: в любой момент времени ti синусоида I2 повторяет форму сигнала I1 и отличается от нее строго на определенную величину, называемую коэффициентом трансформации Ктт.

Ктт = I1 / I2

Его так и записывают на шильдике корпуса: выражением отношения первичного тока, показанного на первом месте, ко вторичному, например, 200/5.

В принципе здесь используется та же технология и маркировка, что у обычного трансформатора напряжения, где вместо ампер показываются вольты.

Практическое применение

Трансформаторы тока создаются в качестве измерительных приборов, обладающих определенными метрологическими характеристиками. Они работают в цепях измерения и схемах защитных устройств.

Их оценивают классами точности по двум параметрам:

1. Отклонению реальной амплитуды вторичного тока от расчетного значения, вычисленного по коэффициенту трансформации.
2. Смещению по времени угла вторичной синусоиды ẟ относительно первичного сигнала.

Для сведения: в результате трансформации ТТ частота вторичного сигнала не меняется, остается прежней. Погрешности образуются только по углу ẟ и амплитуде, но они не существенны для измерений, осуществляемых в бытовой электропроводке.

Далее разбираемся с конструкцией и принципами работы.

Виды конструкций измерительных трансформаторов

В зависимости от исполнения, данные устройства делятся на следующие виды:

1. Катушечные, пример такого ТТ представлен ниже.

   
   Катушечный ИТТ

Обозначения:

• A – Клеммная колодка вторичной обмотки.
• В – Защитный корпус.
• С – Контакты первичной обмотки.
• D – Обмотка (петлевая или восьмерочная) .

1. Стержневые, их также называют одновитковыми. В зависимости от исполнения они могут быть:

• Встроенными, они устанавливаются на изоляторы вводы силовых трансформаторов, как показано на рисунке 4.

  
  Рисунок 4. Пример установки встроенного ТТ

Обозначения:

• А – встроенный ТТ.
• В – изолятор силового ввода трансформатора подстанции.
• С – место установки ТТ (представлен в разрезе) на изоляторе. То есть, в данном случае высоковольтный ввод играет роль первичной обмотки.

1. Шинными, это наиболее распространенная конструкция. Ее принцип строения напоминает предыдущий тип, стой лишь разницей, что в данном исполнении в качестве первичной обмотки используется токопроводящая шина или жила, которая заводится в окно ИТТ.

   
   Шинные ТТ производства Schneider Electric

1. Разъемными. Особенность данной конструкции заключается в том, что магнитопровод ТТ может разделяться на две части, которые стягиваются между собой специальными шпильками.

Такой вариант конструкции существенно упрощает монтаж/демонтаж.

Особенности конструкции

Из чего состоят такие трансформаторы? Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения? На эти вопросы можно найти ответы в описании особенностей конструкций. Трансформаторы тока, назначение и принцип действия их, подразумевают постоянство некоторых условий:

• всякий ТТ должен иметь на своём магнитопроводе больше одной обмотки;
• обмотки, являющиеся вторичными, непременно подключаются к нагрузке (Rн);
• сопротивление Rн не должно содержать отклонений от заявленных в документах ТТ;
• первичная обмотка изготавливается как шина, проходящая через сердечник или в форме катушки.

Что такое диод — принцип работы и устройство

Отсутствие нагрузки по вторичной обмотке не обеспечивает возникновение в сердечнике магнитного потока Ф2, который обладает компенсирующим свойством. Это приводит к повышению температуры сердечника и его расплавлению. Нагрев происходит от того, что Ф1 приобретает слишком высокое значение.

Отклонение сопротивления Rн влияет на погрешность измерений и ухудшает их. В случае превышения сопротивления во вторичной обмотке повышается напряжение U2, и изоляция ТТ может не выдержать. Произойдёт пробой, и прибор выйдет из строя.

Информация. Трансформаторы напряжения (ТН) отличаются от ТТ по способу применения и схеме включения. Они присоединяются параллельно и определены для повышения или понижения напряжения, развязки силовой схемы от схемы управления и контроля. Основной регламент работы ТН близок к режиму холостого хода (х.х.). Это обусловлено тем, что параллельно включенные элементы схемы управления потребляют малый ток, а их Rн большое.

Классическое устройство ТТ

Расшифровка маркировки

Обозначение отечественных моделей интерпретируется следующим образом:

• Первая литера в названии модели указывает на вид трансформатора, в нашем случае это будет буква «Т», указывая на принадлежность к ТТ.
• Вторая литера указывает на особенность конструктивного исполнения, например, буква «Ш», говорит о том, что данное устройство шинное. Если указана литера «О», то это опорный ТТ.
• Третьей литерой шифруется исполнение изоляции.
• Цифрами указывается класс напряжения (в кВ).
• Литера, для обозначения климатического исполнения согласно ГОСТ 15150 69
• КТ, с указанием номинального тока первичной и вторичной обмотки.

Приведем пример расшифровки маркировки трансформатора тока.

Шильдик на ТТ с указанием его марки

Как видим, на рисунке изображена маркировка ТЛШ 10УЗ 5000/5А, это указывает на то, что перед нами трансформатор тока (первая литера Т) с литой изоляцией (Л) и шинной конструкцией (Ш). Данное устройство может использоваться в сети с напряжением до 10 кВ. Что касается исполнения, то литера «У», говорит о том, что аппарат создан для эксплуатации в умеренной климатической зоне. КТ 1000/5 А, указывает на величину номинального тока на первой и второй обмотке.

Возможные неисправности

Ошибки при установке и подключении трансформаторов тока, а также неправильно подобранное оборудование вызывают неисправность ТТ.

Важно! Поиск неисправности следует начинать при условии, если вторичный ток ТТ не сочетается с первичным. Слишком низкий ток, не соответствующий заявленному соотношению, говорит о повреждении прибора.

Свидетельствами неисправности трансформатора являются:

• треск и повышенный шум при работе;
• появление искр от обмотки на корпусе или на выводах;
• дым или запах горелой изоляции;
• чрезмерный нагрев деталей устройства.

Неисправный прибор может давать искажённые результаты измерений, что вызовет ложное срабатывание защитной аппаратуры и неправильный учёт электроэнергии. Периодически на подстанциях проводится поэлементная (пофазная) поверка с замером токов под нагрузкой. Полученные по данным измерений расчётные значения должны совпадать с измеренными величинами на выходе ТТ. Допустима погрешность не более 10%.

Схемы подключения

Обмотки трехфазных ТТ могут быть подключены «треугольником» или «звездой» (см. рис. 8). Первый вариант применяется в тех случаях, когда необходимо получить большую силу тока в цепи второй обмотки или требуется сдвинуть по фазе ток во вторичной катушке, относительно первичной. Второй способ подключения применяется, если необходимо отслеживать силу тока в каждой фазе.

Рисунок 8. Схема подключения трехобмоточного ТТ «звездой» и «треугольником»

При наличии изолированной нейтрали, может использоваться схема для измерения разности токов между двумя фазами (см. А на рис. 9) или подключение «неполной звездой» (B).

Рисунок 9. Схема подключения ТТ на разность двух фаз (А) и неполной звездой (В)

Когда необходимо запитать защиту от КЗ на землю, применяется схема, позволяющая суммировать токи всех фаз (см. А на рис 10.). Если к выходу такой цепи подключить реле тока, то оно не будет реагировать на КЗ между фазами, но обязательно сработает, если происходит пробой на землю.

Рис 10. Подключения: А – для суммы токов всех фаз, В и С — последовательное и параллельное включение двухобмоточных ТТ

В завершении приведем еще два примера соединения вторичных обмоток ТТ для снятия показаний с одной фазы:

Вторичные катушки включаются последовательно (В на рис. 10), благодаря этому возникает возможность измерения суммарной мощности.

Вторичные обмотки соединяются параллельно, что дает возможность понизить КТ, поскольку происходит суммирование тока в этих катушках, в то время как в линии этот показатель остается без изменений.

Как работает устройство

Когда стало понятно, что из себя представляет трансформация, пришло время рассмотреть подробнее принцип действия трансформатора тока.

Подключаем трансформатор тока

На замкнутый сердечник (магнитопровод), собранный из пластин, надеты две обмотки. Первая катушка включена последовательно в силовую цепь нагрузки. Вторичная катушка своими выводами подключена к измерителям. Сердечник собран из пластин кремнистой стали холодного качения.

К сведению. Учёт электроэнергии выполнен именно таким способом. В однофазные и трёхфазные цепи включены трансформаторы тока, которые позволяют снимать показания по каждой фазе, подавая данные на счётчик.

При прохождении переменного электричества по виткам первой (основной) обмотки вокруг неё образуется переменный магнитный поток Ф1. Поток Ф1, пронизывая все обмотки трансформатора, индуцирует в них ЭДС (Е). В этом случае возникают Е1 и Е2. При подключении в цепь вторичной обмотки любой нагрузки через неё начнётся движение электричества.

Принцип действия ТТ

Выбор

При выборе трансформатора тока в первую очередь необходимо учитывать номинальное напряжение прибора было не ниже, чем в сети, где он будет установлен. Например, для трехфазной сети с напряжением 380 В можно использовать ТТ с классом напряжения 0,66 кВ, соответственно для установок более 1000 В, устанавливать такие устройства нельзя.

Помимо этого IНОМ ТТ должен быть равен или превышать максимальный ток установки, где будет эксплуатироваться прибор.

Кратко изложим и другие правила, позволяющие не ошибиться с выбором ТТ:

• Сечение кабеля, которым будет подключаться ТТ к цепи вторичной нагрузки, не должно приводить к потерям сверх допустимой нормы (например, для класса точности 0,5 потери не должны превышать 0,25%).
• Для систем коммерческого учета должны использоваться устройства с высоким классом точности и низким порогом погрешности.
• Допускается установка токовых трансформаторов с завышенным КТ, при условии, что при максимальной нагрузке ток будет до 40% от номинального.

Посмотреть нормы и правила, по которым рассчитываются измерительные трансформаторы тока (в том числе и высоковольтные) можно в ПУЭ ( п.1.5.1.). Пример расчета показан на картинке ниже.

Пример расчета трансформатора тока

Что касается выбора производителя, то мы рекомендуем использовать брендовую продукцию, достоинства которой подтверждены временем, например ABB, Schneider Electric b и т.д. В этом случае можно быть уверенным, что указанные в паспорте технические данные, а методика испытаний соответствовала нормам.

Как устроены трансформаторы тока: краткие сведения для новичков

Конструкцию ТТ поясняет нижерасположенная картинка.

Внутри корпуса из негорючего диэлектрического материала, например, пластика, не поддерживающего горения, расположены:

• первичная обмотка, выполненная шиной с отверстиями для болтового монтажа к силовой цепи;
• магнитопровод, собранный из шихтованных пластин электротехнического железа;
• вторичная обмотка, намотанная витками медного провода, поверх магнитопровода с изоляцией. Медь снаружи покрыта слоем лака с высокими диэлектрическими свойствами;
• клеммные выводы для подключения монтажных проводов вторичной схемы.

Количество витков вторичной обмотки определяет величину коэффициента трансформации, а ее поперечное сечение подбирается по величине нагрузки в номинальном и аварийном режиме.

У отдельных измерительных ТТ вместо первичной обмотки сразу создается сквозное отверстие в корпусе, через которое пропускается силовая шина распределительного шкафа или мощный провод. Их так и называют: шинные.

Среди таких конструкций существуют модели с разъемным сердечником, позволяющим оперативно надевать и снимать ТТ, выполнять измерения без выполнения дополнительных подготовительных работ. По этому принципу работают обычные электроизмерительные клещи.

Я их показываю здесь потому, что они могут быть использованы для проведения тех же замеров, что и ТТ, стационарно установленные для подключения к электросчетчикам. По ним осуществляют контрольный замер первичной, да и вторичной нагрузки, проходящей по цепям измерения.

Как работает трансформатор тока в электрической схеме счетчика: последовательное объяснение с демонстрацией наглядными картинками

По первичной обмотке от электроснабжающей организации к потребителям течет силовой ток I1. Он преодолевает электрическое сопротивление подключенных шин.

Вокруг токопровода формируется вращающееся поле с магнитным потоком fe1, расположенным перпендикулярно движению вектора I1.

Он пронизывает железо магнитопровода, улавливается им. Внутри сердечника наводится магнитный поток F1.

Такая схема ориентации обеспечивает минимальные потери энергии, затрачиваемые на преобразования электромагнитных полей.

Магнитный поток F1, пересекая перпендикулярно расположенные ему витки вторичной обмотки, создает в них электродвижущую силу Е2. Под ее влиянием в замкнутой на измерительный прибор вторичной катушке по закону Ома возникает электрический ток I2.

I2 преодолевает полное сопротивление вторичной обмотки и подключенной к ней нагрузке. Ей может быть токовая катушка амперметра, электромагнитного реле или электросчетчика.

По обмотке измерительного прибора протекает синусоида, уменьшенная строго на величину коэффициента трансформации ТТ. Его величина задается во время проектирования устройств, а замеряется при наладках и проверках работы электрической схемы.

Какие 2 опасности существуют при эксплуатации трансформаторов тока: их важно знать

Что происходит при пробое или повреждении изоляции

Сердечник ТТ выполнен из электротехнической стали, обладающей хорошей проводимостью. Он покрыт диэлектрическим слоем, разделяющим первичные и вторичные электрические цепи, но связывает их магнитным потоком.

Этот слой может быть случайно поврежден по разным причинам. Тогда происходит стекание высокого потенциала первичной схемы на вторичную цепочку.

Опасный потенциал способен не только повредить менее защищенное измерительное оборудование, но и нанести серьезные повреждения здоровью людей, вызвать у них электротравмы.

Для предупреждения этого явления все вторичные цепи ТТ подлежат обязательному заземлению.

Оно призвано безопасно отводить случайно возникающий потенциал с работающего оборудования на заземляющий контур здания и дальше.

Эксплуатация вторичных цепей ТТ без их заземления запрещена правилами безопасности электроустановок.

Чем опасен режим работы при разомкнутой вторичной цепи

ПУЭ предъявляет повышенные требования к монтажу и прочности вторичных цепей ТТ. Они должны выполняться медным проводом с сечением не менее чем 2,5 мм квадратных.

При прохождении тока I1 по первичной обмотке во вторичной схеме протекает энергия с очень большим потенциалом напряжения. В рабочем режиме она всегда замкнута накоротко, а если ее разомкнуть, то на разрыве сразу возникает высоковольтное напряжение в несколько киловольт.

Оно опасно как для низковольтного оборудования, так и людей, находящихся рядом. Поэтому ТТ, даже выведенные в резерв, запрещено оставлять с разомкнутыми выводами. На них всегда должна стоять надежная шунтирующая закоротка.

Работа вторичных цепей ТТ без их заземления, как и наличие в них разрывов и ненадежных соединений считаются грубыми нарушениями действующих правил безопасности.

ТТ массово используются не только в сети 0,4 киловольта, но и во всех высоковольтных схемах. Они выполняют не только задачи точного измерения текущих нагрузок, но и обеспечивают надежную работу систем защит и противоаварийной автоматики при возникновении аварийных режимов.

Обычно для всех цепей выше 1000 вольт ТТ изготавливают комбинированными устройствами, состоящими из одной силовой первичной обмотки и двух или более вторичных:

• одна создается для выполнения наиболее точных измерений и подключается к амперметрам, ваттметрам, счетчикам, регистраторам и другим измерительным приборам;
• другие применяются для надежной работы при возникновении аварийных режимов и используются в цепях релейных защит или автоматики (класс точности Р).

Трансформаторы тока высоковольтного оборудования, в соответствии с действующим напряжением электроустановки, могут располагаться в специальных закрытых ячейках или монтироваться на открытых распредустройствах.

Обслуживание

Необходимо обратить внимание, что при соблюдении режима и условий эксплуатации, правильно подобранных номиналах и регулярном обслуживании ТТ будет служить 30 лет и более. Для этого необходимо:

• Обращать внимание на различные виды неисправностей, заметим, что большинство из них можно обнаружить при визуальном осмотре.
• Производить контроль нагрузки в первичных цепях и не допускать перегрузку выше установленной нормы.
• Необходимо отслеживать состояние контактов первичной цепи (если таковые имеются), на них должны отсутствовать внешние признаки повреждений.
• Не менее важен контроль состояния внешней изоляции, почти в половине случаев ее стойкость нарушается из-за скопления грязи или влаги, которые закорачивают контакты на землю.
• У масляных ТТ осуществляют проверку уровня масла, его чистоту, наличие подтеков и т.д. Обслуживание таких установок практически не сильно отличается от других силовых установок, например, емкостных трансформаторов НДЕ, разница заключается в небольших технических деталях.
• Поверка ТТ должна проводиться согласно действующих нормативов (ГОСТ 8.217 2003).
• При обнаружении неисправности производится замена прибора. Поврежденный ТТ отправляют в ремонт, который производится специализированными службами.

Требования к конструкции

При выборе конструкции отталкиваются от того, для чего нужен трансформатор. Зачем устанавливать шинный или проходной ТТ, если напряжение, с которым ему придётся работать, лежит в пределах от 1 до 3 кВ?

К требованиям можно отнести следующие пункты:

• выбранное устройство должно подходить к условиям эксплуатации и месту установки;
• при наружном применении выводы трансформатора должны содержать защитные крышки;
• выводы обмоток обязаны иметь маркировку;
• наличие мест захвата для подъёма у тяжёлых ТТ (более 50 кг);
• знак заземления у места присоединения заземляющего проводника.

Выполнение всех контактных зажимов обмоток выполняются согласно требований ГОСТ 10434-82 (при внутренней установке) и ГОСТ 21242-75 (при наружном размещении).

Датчики и микроконтроллеры. Часть 3. Измеряем ток и напряжение

Мы переходим к завершающей части обзорного цикла датчиков, в которой рассмотрим датчики постоянного и переменного тока и напряжения. По всем остальным датчикам, которые не попали в основную серию мы сделаем дополнительные обзоры когда они вдруг понадобятся в будущих статьях. Данная статья открывает новый цикл материалов про измерение параметров качества электроэнергии, куда войдут вопросы подключения датчиков тока и напряжения к микроконтроллеру, рассмотрение алгоритмов работы анализаторов качества электроэнергии, смысл тех или иных показателей качества электроэнергии и что они обозначают. Кроме того, мы затронем волнующую многих тему точности оцифровки и обработки данных, упомянутую в комментариях к первой статье.

Содержание

Часть 1. Мат. часть.
В ней рассматривается датчик, не привязанный к какому-то конкретному измеряемому параметру. Рассматриваются статические и динамические характеристики датчика.
Часть 2. Датчики климат-контроля.
В ней рассматриваются особенности работы с датчиками температуры, влажности, давления и газового состава
Часть 3. Датчики электрических величин.
В этой части я рассмотрю датчики тока и напряжения

ВНИМАНИЕ: Не вставляйте спицы в розеткуНе лезьте в сеть 220В без необходимых на то навыков!

Бывает постоянный ток, бывает переменный. Бывает все и сразу, что иногда приносит много проблем. Но об этом позже. Для начала, разберемся с терминологией.

Рисунок 1: напряжение в цепях переменного тока
При измерении переменного тока мы имеем 4 различных величины, которыми будем руководствоваться при проведении измерений. Все нижеприведенные формулы и термины применимы и к измерителю тока.
1. Мгновенное значение напряжения
— это разность потенциалов между двумя точками. Измеренная в определенный момент времени. Это значение является базовым во всех остальных вычислениях. Фактически, наша задача будет заключаться в считывании последовательного набора мгновенных значений напряжения через равные промежутки времени, чтобы впоследствии с их помощью получить некие другие данные.
u = u(t)
(1) Получится примерно следующий график:

Рисунок 2: Измерение серии мгновенных значений напряжения
При выборе частоты опроса датчиков мы руководствуемся теоремой Котельникова-Шеннона, когда для того, чтобы восстановить сигнал с частотой f необходимо производить считывание с частотой Больше чем 2f. Отмечу необходимость строгого неравенства, т. е. если нам надо оцифровать сигнал с частотой 50Гц, то считывание необходимо производить с частотой, не менее 101 Гц. Но, понятное дело, чем больше тем лучше. Если вспомнить ГОСТ на показатели качества электроэнергии, то в разделе Гармоник мы найдем, что интересными для нашего измерения являются гармоники вплоть до 40, т. е. до 2кГц. И микросхемы счетчиков электроэнергии производят считывание с частотой 4096 раз в секунду. Степень двойки выбрана для того, чтобы можно было применять быстрые алгоритмы преобразования Фурье. Имея этот большой набор данных, собранный за единицу времени, например, 1с переходим к следующим:
2. Амплитудное значение напряжения
— которое определяется как максимальное по модулю значение из нашей выборки: (2) где [u(t)] – массив с данными. Для гармонических колебаний это значение используется в следующей формуле: (3)
3. Среднее значение напряжения,
т. е. Среднее арифметическое, т. е. постоянная составляющая переменного напряжения. (4) Где — период дискретизации аналогового сигнала. Я намеренно пишу сумму вместо интеграла. В промышленной сети переменного тока среднее значение должно быть равно нулю. Если это условие не выполняется, могут быть определенные проблемы, так как постоянный ток подмагничивает трансформаторы, вводя их в насыщение, либо подогревает питающую линию. Последнее кстати может быть полезно для решения проблемы намерзшего льда на проводах — провод подогревают и лед отваливается. В слаботочных аналоговых цепях постоянная составляющая присутствует сплошь и рядом и может быть очень полезна. А если она нам будет мешать, то мы от нее быстро избавимся, но об этом позже.
4. Среднеквадратичное значение напряжения
. — известное также как действующее значение напряжения — на линейной активной нагрузке оно совершает ту же самую работу, что и постоянное напряжение аналогичного уровня. Определяется по следующей формуле: (5) При измерении напряжения в розетке нас, как правило, интересует именно это самое действующее напряжение, которое составляет 230/380В. Амплитудное и действующее значения синусоидального напряжения связаны между собой через . Во время проектирования измерительной системы нас будет интересовать в первую очередь именно амплитудное значение напряжения и тока. Во время измерений будем руководствоваться одной из следующих схем:

Рисунок 3: Подключение измерительных приборов
Загадка для ума — обе схемы подключения правильные, но при каких обстоятельствах важно правильно выбрать одну из них? Ответы в комментариях.

Датчики напряжения

Первым делом произведем измерение напряжения. Все нижесказанное относится к напряжениям не менее напряжения питания АЦП нашего контроллера. Таким образом, нам необходимо измерить напряжение с амплитудой большей, чем АЦП способен прожевать. Следовательно, уровень напряжения необходимо понизить — т.е. произвести ослабление сигнала. Для малых напряжений (например как термоЭДС термопары из прошлой статьи) нужна обратная задача — усиление сигнала. Это более сложная задача и мы обязательно к ней вернемся в следующих статьях. Поставим условие для расчета наших датчиков: Измеряемое напряжение: переменное, 0-1000В, частота 50/60Гц. Для трехфазного напряжения в 380В амплитудное составляет почти 600В, а ведь есть сети и на 660В. Так что пусть будет. На самом деле этот расчет я взял из своей железки и переделывать его мне лень. Выходное напряжение ± 1,65В — половина от питающего +3,3В

Делитель напряжения

Самым простым способом будет делитель напряжения.

Рисунок 4: Делитель напряжения
Напряжение на нашем измерительном приборе будет определяться как входное напряжение, умноженное на коэффициент делителя: (6) При выборе сопротивления резисторов необходимо определиться со следующими требованиями: 1. Ток через цепь резисторов должен быть на 1-2 порядка больше, чем ток нашего измерительного прибора для того, чтобы этот ток не влиял на показания. Измеритель имеет конечное значение сопротивления и получается, что к резистору R2 подключен еще один резистор. Чем внутреннее сопротивление больше, чем ближе общее сопротивление к сопротивлению R2. Сопротивление внутренних цепей АЦП ATmega, к примеру, 100 МОм. 2. Мощность, выделяемая на нашем делителе не должна быть слишком большой 3. Приложенное входное напряжение должно быть меньше напряжения пробоя резистора. Пусть ток через наш делатель составит 1мА. Тогда, общее сопротивление резисторов будет равно: (7) Определим требуемый коэффициент передачи нашего делителя: (8) По ряду номиналов резисторов E24 выберем ближайшее значение, дающее около 1МОм: R1 = 990 кОм (три резистора по 330 кОм) тогда резистор R2 = K·R1 = 1,63 кОм Из ряда Е24 выбираем второй резистор R2 = 1,6 кОм Проверим коэффициент: (9) Погрешность с ранее расчетным 2,3%, что нас вполне устроит. Вообще-то можно точно подобрать резисторы из ряда Е192, но в моем случае это не обязательно — напряжение в 1000В на входе — это нештатный режим, да и калиброваться система все равно будет потом. Выглядеть измерительная цепь будет следующим образом:

Рисунок 5: Цепь измерителя напряжения
При разработке делителя напряжения на большие рабочие напряжения необходимо учитывать предельно допустимые напряжения для используемых резисторов. Например номинальное рабочее напряжение для SMD резисторов — 15 В (0201); 50 В (0402, 0603); 150 В (0805); 200 В (1206, 2010, 2512), А предельно-допустимое — 50 В (0201); 100 В (0402, 0603); 200 В (0805); 400 В (1206, 2010, 2512). Именно поэтому я использую три последовательно-соединенных резистора типоразмера 1206 — они укладываются в 555 вольт рабочего и 1000В предельно-допустимого. Разумеется, все эти резисторы должны быть высокоточными, так как от их сопротивления и термостабильности этого сопротивления зависит точность измерения. На базе цепочки R4-C1 собран фильтр низких частот, чтобы никакие помехи нам не были страшны. Можем кстати быстренько посмотреть что делает этот фильтр:

Рисунок 6: Частотная характеристика фильтра
Как видно из графика ЛАЧХ, для рабочего диапазона частот от 0 до 2000Гц фильтр практически не портит амплитуду и фазу сигнала. А вот помехи на частотах порядка 100кГц и выше, исходящие от ВЧ преобразователей, надежно давятся. Так что все супер.
Достоинства:

• широкий диапазон напряжений и частот, определяемый номиналами резисторов;
• высокая точность, опять таки определяемая точностью и термостабильностью резисторов;
• измеряет постоянное и переменное напряжение.

Недостатки:

• отсутствует гальваническая развязка — при взаимодействии с промышленной сетью необходимо предусмотреть защиту пользователя от электрических цепей, либо использовать гальваническую развязку;
• низкий КПД — весь ток делителя уходит в тепло;

Трансформатор напряжения

Рисунок 7: Трансформатор напряжения
Для случаев, когда нужно измерить очень высокие напряжения, 6/10кВ и выше, используется трансформатор напряжения Фактически, он представляет собой обычный трансформатор, основным режимом работы которого является режим холостого хода. Класс точности такого трансформатора зависит от рабочего участка характеристики намагничивания. Ведь нам надо пропустить через него не просто сигнал с определенной амплитудой, но и не испортить ее форму. Здесь как раз проблема — большинство трансформаторов напряжения практически не пропускает гармоники. Все дело в металлическом сердечнике и потерях на перемагничивание. При этом, чем тоньше пластины сердечника. тем лучше его частотные характеристики. Обычный класс точности трансформатора — 0,5, 1, 3
Достоинства:

• огромный диапазон рабочих напряжений — до сотен киловольт и выше;
• столь необходимая гальваническая развязка.

Недостатки:

• работает на определенной полосе частот;
• работает только с переменным напряжением;

Последний недостаток слегка надуман, так как если надо, можно воспользоваться измерительным трансформатором постоянного тока. Да, трансформаторы постоянного тока «существуют», но правильное название устройства — магнитный усилитель. Точность и линейность таких приборов оставляет желать лучшего — работа происходит на участке насыщения сердечника подмагничиванием. Выглядит это вот так:

Рисунок 8: Измерение постоянного тока с помощью магнитного усилителя
Почитать об этом чуде техники можно здесь: analogiu.ru/6/6-2-2.html Если тема будет интересна, то запилю обзор этих старинных регуляторов.

Электронный изолированный датчик

Недостатков и той и другой схемы лишен электронный изолированный датчик. Фактически, он представляет собой завершенное устройство. Внутри которого имеется и делитель напряжения, и операционные усилители, и блок гальванической развязки и схема изолированного питания всего этого безобразия:

Рисунок 9: Структурная схема электронного изолированного датчика
Мне попадались на глаза только промышленные датчики с выходом по напряжению 0-10В или по току 0-10мА. В отличие от предыдущих датчиков выдает однополярный сигнал. В принципе, такую схему можно разработать и самостоятельно, применив, к примеру. изолированный аналоговый усилитель вроде HCPL-7850. Главный недостаток схемы — очень сложно и очень дорого. И как верно отмечает в комментариях тов. progchip666

Передать аналоговый сигнал с точностью даже один процент по гальваноразвязанному интерфейсу крайне трудно, поэтому часто в этом случае приходится перегонять его в цифру и в таком виде уже перегонять. К сожалению на усилитель, изображённый на схеме надо ещё и питание подать. Разумеется от гальваноразвязанного источника.

Достоинства:

• гальваническая развязка;
• высокая точность;
• широкий диапазон напряжений и частот;
• измеряет постоянное и переменное напряжение.

Недостатки:

• дорого;
• сложная схемотехника.

Дополнительные ссылки

датчики тока и напряжения ABB www.power-e.ru/2006_03_56.php датчики тока и напряжения LEM www.sensorica.ru/pdf/LEM.pdf Измерители электроэнергиии STMP32 www.compel.ru/lib/ne/2015/4/2-dlya-odnofaznyih-i-mnogofaznyih-schetchikov-novyie-izmeritelnyie-mikroshemyi-ot-st ru.wikipedia.org/wiki/Электрическое_напряжение

Датчики тока

Измерительный шунт

Самый простой и самый точный способ измерения тока. Как известно, при протекании тока через активное сопротивление, на нем происходит падение напряжения, пропорциональное измеряемому току. Отлично, берем резистор и помещаем его в разрыв измеряемой цепи:

Рисунок 10: Датчик тока токовый шунт
Падение напряжения на шунте пропорционально пропускаемому току: (10) Соответственно в зависимости от требуемого напряжения на выходе датчика подбираем нужное сопротивление шунта. Но! Падение напряжения на шунте приведет к потерям мощности, выделяемым в тепло, соответственно при больших токах мы вынуждены довольствоваться малыми значениями напряжения с датчика, дабы ограничить потери. Вот эти выпускаемые промышленностью шунты типа ШСМ обеспечивают стандартное выходное напряжение в 75мВ при номинальном токе:

Рисунок 11: Токовый шунт типа ШСМ
На напряжение в 75мВ откалибровано большинство измерительных головок для шунтов. Обратите внимание на вторую пару винтов — они предназначены специально для подключения к измерительному прибору для повышения точности измерений за счет разделения токов силовой и измерительной цепи… Для измерения тока с помощью таких шунтов требуется использовать операционные усилители. При этом, средний коэффициент усиления составляет 20-40, что под силу широко-распространенным операционным усилителям. В принципе, в некритичных цепях постоянного тока можно воспользоваться и усилительным каскадом на базе одного транзистора. Линейность такой схемы будет хромать, но для пороговых цепей защиты — это простой и надежный вариант. Получим следующую схему:

Рисунок 12: Использование ОУ в качестве усилителя Следует учитывать, что при измерении переменного тока, выходной сигнал будет биполярный и операционный усилитель требуется запитать от двухполярного источника питания. Глянем на всякий случай, как работает наша схема:

Рисунок 13: Моделирование усилителя датчика тока
На вход подаем 75мВ, умножаем на 20, на выходе имеем сигнал с амплитудой 1,5В для тока в 10А. В следующем материале мы разберемся, чем может быть неудобен биполярный сигнал.
Достоинства
:

• высокая точность;
• широкий диапазон напряжений и частот;
• измеряет постоянный и переменный ток.

Недостатки:

• отсутствует гальваническая развязка;
• низкий КПД.

Измерительный трансформатор тока

Измерительный трансформатор тока представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого подключается к источнику тока, а вторичная замыкается на измерительные приборы или устройства защитной автоматики. Трансформаторы тока используются для измерения токов в сильноточных цепях, зачастую я высоким потенциалом. Например, нам захотелось измерить ток в сети 10кВ. Либо, мы хотим получить простой и относительно дешевый способ гальванической развязки измеряемой цепи тока нашего устройства на 220В. Основная проблема трансформаторов тока заключается в том, что они умеют измерять только переменное напряжение. Трансформатор тока всегда нагружается. Если вторичная обмотка трансформатора тока окажется разомкнутой, то на ней возникнет потенциал в пару тысяч киловольт, который покалечит персонал и выведет из строя прибор, пробив его изоляцию. Трансформаторы бывают со встроенной первичной обмоткой. Например такие: Рисунок 14: Трансформатор тока серии CS2106L от Coilcraft
Либо вот такие слоники, имеющие подобие первичной обмотки в виде огромной шины, либо вовсе окно для пропускания через него провода

Рисунок 15: Промышленный трансформатор тока на много ампер
Основной недостаток трансформатора тока — это работа только на определенной частоте 50, 60 или 400Гц из-за металлического сердечника. Разумеется, трансформатор тока способен передать сигнал и большей частоты, однако с гораздо меньшей точностью. При этом, следует обратить внимание на толщину листа используемого сердечника — чем тоньше железо в трансформаторе тока, тем выше предельно допустимая рабочая частота. Кстати существуют трансформаторы тока из феррита, которые используются для измерения систем с частотой 50-60 и более кГц. Например серия CS1 от Coilcraft рассчитана для работы в диапазоне 20-50кГц и может найти применение в импульсных источниках питания. А вот если мы его удалим, то получим воздушный трансформатор, или, т. н. Катушку Роговского:

Рисунок 16: Схема подключения катушки Роговского
В отличие от остальных датчиков, требующих взаимодействия с измеряемой цепью, катушку Роговского можно установить поверх проводов измеряемой цепи как поясок. Некоторые измерительные приборы комплектуются такими датчиками:

Рисунок 17: Датчик катушка Роговского
Диапазон измеряемых токов — от десятков до тысяч ампер, но они страдают от невысокой точности.
Достоинства:

• гальваническая развязка;
• работа с большими токами в тысячи Ампер;

Недостатки:

• измеряет только переменный ток в определенном диапазоне частот(кроме катушки Роговского);
• изменяет фазу сигнала и требует компенсации

Датчики тока на эффекте Холла

Датчики этого типа используют эффект возникновения разности потенциалов при помещении проводника с током в магнитное поле. Рисунок 18: Эффект Холла
При создании датчика мы берем магнитопровод, пропускаем через него провод измеряемой цепи и в разрез магнитопровода помещаем датчик Холла, получая датчик тока открытого типа:

Рисунок 19: Датчик тока на эффекте Холла открытого типа
Достоинством такого датчика является простота. Недостатком — наличие подмагничивания сердечника, следовательно, повышение нелинейности показаний. Добавим на сердечник обмотку и пустим по ней ток, пропорциональный измеряемому току:

Рисунок 20: Датчик тока на эффекте Холла компенсационного типа
С нулевым подмагничиванием сердечника мы повышаем линейность датчика и его класс точности. Однако по своей конструкции такой датчик приближается к трансформаторам тока, соответственно его стоимость повышается в разы. Как и трансформаторы, бывают разновидности датчиков, позволяющие пропустить через себя силовой провод:

Рисунок 22: Датчик тока на эффекте Холла
Существуют датчики с разделяемым сердечником — однако их стоимость просто зашкаливает. Датчики с интегрированной силовой цепью на базе эффекта Холла с гальванической развязкой 2,1кВ и 3кВ выпускаются компанией Allegro. Ввиду своих малых размеров они не обеспечивают высокой точности, но зато компактны и просты в использовании.

Рисунок 23: датчик тока Allegro ACS754

• Датчик ACS712 – измерение постоянного и переменного тока до 30А с точностью ± 1,5%
• Датчик ACS713 – оптимизирован для измерения постоянного тока до 30А. Имеет вдвое большую чувствительность чем его универсальный собрат.
• Датчик ACS754 – измерение постоянного и переменного тока до 200А с точностью ± 1,5%
• Датчик ACS755 – оптимизирован для измерения постоянного тока.
• Датчик ACS756 – датчик для измерения постоянного и переменного тока до 100А с напряжением питания 3-5В.

Рисунок 24: Зависимость выходного напряжения датчика от токаДостоинства
:

• широкий диапазон измеряемых токов с частотой до 50-100кГц и выше;
• измеряет постоянный и переменный ток.
• гальваническая развязка

Недостатки
:

• Дорого

Дополнительные ссылки:

Измерительные трансформаторы постоянного тока analogiu.ru/6/6-2-2.html Катушки Роговского www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2193/doc/54046 Эффект Холла в википедии: ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Холла Датчики Холла robocraft.ru/blog/electronics/594.html Данилов А. Современные промышленные датчики тока www.soel.ru/cms/f/?/311512.pdf Проектирование схем на базе аналогового усилителя HCPL-7851 www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2010_04_26.pdf

Заключение

Я поставил перед собой задачу сделать обзорный материал по датчикам, наиболее часто используемым сообществом при разработке различных устройств. Большинство датчиков не вошли в цикл лишь по той причине, что в ближайшем будущем для моих материалов они не понадобятся, но некоторые из них в планах. Обязательно сделаю отдельный материал с датчиками ускорения, угловых скоростей, компасом и примерами, так что следите за новыми статьями!