2.8. Датчики токов и напряжений

Такие датчики широко применяются в системах автоматики электроприводов. Для контроля переменных токов и напряжений используются измерительные трансформаторы тока и напряжения. В качестве примера на рис. 2.51 показана схема измерения тока и напряжения в электроприводе переменного тока.

Датчик тока состоит из трансформатора тока ТА, выпрямителя UZ1 и RC-фильтра. Выходной сигнал датчика пропорционален току I фазы электродвигателя M.

Рис. 2.51. Датчики тока и напряжения в электроприводе переменного тока

Датчик напряжения включает в свой состав трансформатор напряжения TV, выпрямитель UZ2 и RC-фильтр. Выходное напряжение датчика пропорционально линейному напряжению U, подаваемому на обмотки статора электродвигателя.

В электроприводах постоянного тока для измерения токов и напряжений применяются аналоговые и цифровые датчики. На рис. 2.52 приведена обобщенная структура аналогового датчика тока/напряжения, выполненная по схеме М – ДМ (модулятор-демодулятор).

Выходной сигнал датчика представляет собой напряжение постоянного тока , пропорциональное измеряемому току I или напряжению U.

Схема М – ПР – ДМ совместно с ГТИ обеспечивает гальваническое разделение силовых цепей и цепей управления в системах электроприводов постоянного тока, что повышает существенно надежность функционирования последних.

Рис. 2.52. Аналоговый датчик постоянного тока/напряжения

В состав датчика входят:

ВЦ – входная цепь (шунт/делитель напряжения), формирующая входной сигнал в виде напряжения постоянного тока, пропорциональный измеряемому току или напряжению I/U;

М – модулятор, преобразующий входной сигнал в переменное напряжение;

ПР – потенциальный разделитель (трансформатор);

ДМ – демодулятор – преобразователь переменного напряжения в постоянное;

УС – усилитель;

ГТИ – генератор тактовых импульсов, синхронизирующий работу М – ДМ.

Цифровые датчики постоянного тока/напряжения (рис. 2.53) имеют в своем составе помимо ВЦ и ПР также входной усилитель ВУ и аналого-цифровой преобразователь АЦП для формирования цифрового сигнала (кода) N на выходе.

В цифровых датчиках потенциальное разделение сигналов осуществляется с помощью оптопар. Достоинством оптронной гальваноразвязки является простота ее реализации по сравнению со схемой М – ДМ, так как отпадает необходимость в модуляции сигнала.

Рис. 2.53. Цифровой датчик постоянного тока/напряжения

В качестве примера реализации аналогового датчика постоянного тока по схеме М – ДМ рассмотрим устройство типового датчика ДТ-ЗАИ (рис. 2.54).

Рис. 2.54. Датчик постоянного тока ДТ-ЗАИ

В состав датчика входят:

RS – измерительный шунт;

VT1, VT2 – транзисторные ключи модулятора;

Т – разделительный трансформатор;

УН – усилитель переменного напряжения;

ФЧВ – фазочувствительный выпрямитель, формирующий унифицированный выходной сигнал.

Датчик тока имеет реверсивную линейную с ограничением статическую характеристику.

Работа датчика тока основана на принципе модуляции – трансформирования – усиления переменного напряжения – демодуляции. Модуляция входного сигнала осуществляется с частотой 30 кГц, формируемой ГТИ.

Рис. 2.55. Статическая характеристика датчика постоянного тока типа ДТ-ЗАИ

Датчик напряжения постоянного тока типа ДН-2АИ выполнен аналогично датчику тока ДТ-3АИ. Однако в нем отсутствует усилитель напряжения УН, так как с делителя напряжения, включаемого в силовую цепь электропривода, снимается достаточно высокий по уровню входной сигнал.

Основные характеристики датчиков ДТ и ДН:

Параметр	ДТ-3АИ	ДН-2АИ
Коэффициент передачи	53–133	0,6–1
Полоса пропускания, кГц	2	1,3
Потенциал разделяемых цепей, кВ	1	1

Датчики напряжения и тока на эффекте Холла

Датчик напряжения на эффекте Холла (ДНХ) предназначен для измерения напряжений постоянного тока, переменного тока промышленной частоты с гальванической развязкой силовой цепи и цепей контроля.

Датчик ДНХ (рис. 2.56) состоит из замкнутого магнитопровода с зазором и обмотками и , датчика Холла и электронного усилителя. К измеряемому напряжению U датчик подключается через входной резистор , выполняющий функции токозадающего сопротивления, позволяющего установить номинальный ток через обмотку при номинальном значении измеряемого напряжения.

Рис. 2.56. Датчик напряжения на эффекте Холла: – входной резистор для настройки входного тока ; МЗ – магнитопровод с зазором; ­­– входная и компенсационная обмотки; ДХ – датчик Холла; ЭБ – электронный блок (усилитель); – напряжение, соответственно, измеряемое на выходе датчика Холла, на выходе датчика напряжения, источника питания

Магниточувствительный датчик Холла закреплен в зазоре магнитопровода, а его выходное напряжение подается на вход электронного блока.

При протекании по входной обмотке тока , пропорционального измеряемому напряжению, в магнитопроводе возникает магнитное поле. Датчик Холла, реагирующий на возникающее магнитное поле, вырабатывает напряжение Холла , пропорциональное току во входной цепи. Выходной сигнал с датчика Холла усиливается электронным усилителем и подается в виде сигнала отрицательной обратной связи по току в компенсационную обмотку . Возникающее при этом магнитное поле компенсационной обмотки компенсирует магнитное поле входной обмотки, т.е. измерение напряжения осуществляется по компенсационной схеме, что обеспечивает высокую точность работы датчика: в диапазоне измерения напряжения 60-600 В погрешность измерения не превышает 1 %. Токовый выход ДНХ нагружается таким сопротивлением (сопротивлением нагрузки), чтобы получить напряжение, удобное для дальнейшего использования: при номинальном выходном токе 40 мА и сопротивлении = 150 Ом на выходе датчика напряжение будет равно 6 В.

Номинальный входной ток ДНХ = 10 мА. Величина сопротивления входного резистора (кОм) определяется из выражения:

.

Датчик тока на эффекте Холла (ДТХ) предназначен для измерения постоянного или переменного токов с гальванической развязкой силовой цепи от цепей контроля. Устройство и принцип действия ДТХ практически такие же, как у датчика ДНХ, за исключением входной цепи: в датчике тока функции входной цепи выполняет силовая шина, по которой протекает измеряемый ток. Шина охватывается замкнутым магнитопроводом с зазором, в котором размещается датчик Холла. Измерение тока осуществляется также по компенсационной схеме, как и в датчике напряжения.

Диапазон измеряемых токов датчиков типов ДТХ – 50/100/150/200 равен соответственно 0–50, 0–100, 0– 50, 0–200 А. Основная приведенная погрешность измерения не превышает 1 %. Выходное напряжение всех датчиков типа ДТХ при номинальных значениях измеряемых токов одинаково и составляет 6 В. Настройку датчика измерения тока по необходимому выходному напряжению можно осуществить подбором нагрузочного сопротивления.