Trójfazowy przetwornik prądu przemiennego z transformatorem prądowym

Pomiar prądu przekładnikiem prądowym jest najprostszą metodą zapewniająca separację galwaniczną. Do pomiaru prądu w zależności od wersji zastosowano zamknięte przekładniki TA12-200 lub TA1020 firmy YHDC. Przekładnik TA12-200 ma przekładnię 1:2000, umożliwia pomiar prądu 0...5 A, prąd wtórny to 0...2,5 mA na maksymalnej rezystancji obciążenia 800 Ω, a średnica otworu pomiarowego, przez który przeprowadzony jest przewód pierwotny, wynosi 5 mm. Przekładnik TA1020 o przekładni 1:1000 dostępny jest w czterech zakresach pomiarowych 5/10/15/20 A, maksymalna średnica otworu pomiarowego to 9,5 mm, co umożliwia wygodny pomiar prądu także przy dosyć grubych przewodach. Wybór konkretnego typu przekładnika określa aplikacja, tj. maksymalny pobierany przez urządzenie prąd oraz średnica przewodu zasilania.

Budowa i działanie

Moduł konstrukcyjnie został podzielony na płytkę przetwornika i wzmacniacz pomiarowy. Płytka zawiera przekładniki prądowe, zabezpieczenia przepięciowe oraz rezystory pomiarowe wykonana jest w dwóch wersjach uwzględniających różnice mechaniczne i elektryczne obudów przekładników TA12-200/TA1020.

Rysunek 1. Schemat obwodu dla przekładników TA12-200

Płytki różnią się rezystorami pomiarowymi, dla TA12-200 rezystory R1...R6 stanowią obciążenie 800 Ω (rysunek 1), co daje pełny zakres 0...2 V, dla TA1020 obciążenie wynosi 50 Ω (rysunek 2) i zależnie od typu przekładnika 5/10/15/20 A daje odpowiednio napięcie wyjściowe 0,25/0,5/0,75/1 V. Sygnały z przekładników fazowych CT1...CT3 doprowadzone są do złącza CTO.

Rysunek 2. Schemat obwodu dla przekładników TA1020

Schemat układu wzmacniacza został pokazany na rysunku 3. Sygnał z przekładników poprzez złącza CTI oraz filtry RC (dla pierwszego kanału R1, R2, C1, C2, C3) doprowadzony jest do trzech identycznych wzmacniaczy różnicowych, zbudowanych na układzie U1 typu AD8608. Wartość wzmocnienia ze względu na różne zakresy pomiarowe musi być dobrana poprzez odpowiedni dobór rezystorów. Dla kanału pierwszego i przekładnika TA12-200 (0...5 A), którego maksymalne napięcie wyjściowe wynosi 2 V, wzmocnienie ustalone jest na 0,5 V/V (dla pierwszego kanału R5/R3=R6/R4=0,5; 10 kΩ/20 kΩ), co daje napięcie wyjściowe 0...1 V. Dla TA1020 wzmocnienie ustalane jest na 1 V/V (R5/R3=R6/R4=1; 10 kΩ/10 kΩ).

Rysunek 3. Schemat wzmacniacza pomiarowego

Napięcie wyjściowe odniesione jest do poziomu VREF=50% VCC, co umożliwia pomiar prądu przemiennego. Czwarty wzmacniacz U1D generuje i buforuje napięcie VREF z podziału napięcia zasilania dzielnikiem R22/R23. Przy zastosowaniu niskonapięciowego wzmacniacza AD8608 układ pracuje poprawnie w zakresie zasilania 3...5,5 V bez ograniczania napięcia wyjściowego. Sygnały pomiarowe poprzez filtry RC (dla pierwszego kanału R7,C4) wraz z zasilaniem doprowadzone są do złącza PWR, pobór prądu nie przekracza kilkunastu mA.

Montaż i uruchomienie

Schematy płytek przekładników zostały pokazane na rysunkach 4 i 5, natomiast schemat płytki wzmacniacza pokazuje rysunek 6.

Rysunek 4. Schemat płytki PCB przekładników TA12-200

Rysunek 5. Schemat płytki PCB przekładników TA1020

Rysunek 6. Schemat płytki PCB wzmacniacza pomiarowego

Wszystkie płytki wykonane są jako dwustronne. Płytki przystosowane są do montażu w obudowie Hammond 1551KFL, w której należy wyciąć otwory pod przekładniki i złącze PWR. Po sprawdzeniu poprawności montażu odpowiadającą aplikacji płytkę przekładnika lutujemy za pomocą listwy SIP8 (złącze CTI) do płytki wzmacniacza, pamiętając o doborze rezystorów odpowiadających za wzmocnienie. Wygląd zmontowanych płytek przekładników pokazują fotografie 1 i 2, natomiast płytkę wzmacniacza pomiarowego połączonego z płytką przekładników i umieszczonego w obudowie widać na fotografii 3.

Fotografia 1. Zmontowana płytka przekładników TA12-200

Fotografia 2. Zmontowana płytka przekładników TA1020

Fotografia 3. Zmontowana płytka wzmacniacza pomiarowego połączona z płytką przekładników i umieszczona w obudowie

Po poprawnym montażu przetwornik nie wymaga uruchamiania. Warto tylko sprawdzić poprawność przetwarzania i ewentualnie skorygować rozrzuty wzmocnienia i przekładni. Sprawdzenie układu można najprościej wykonać, mierząc prąd w jednej fazie. W tym celu po zamknięciu obudowy, przed podłączeniem układu, należy przez otwory przekładników przeprowadzić przewód z mierzonego obwodu prądu przemiennego, zachowując zgodność kierunków przewlekania przewodu przez kolejne przekładniki. W obwód należy wpiąć amperomierz kontrolny. UWAGA: pracując pod napięciem sieciowym, należy zachować szczególną ostrożność i przestrzegać zasad BHP.

Po zasileniu układu napięciem 3...5 V do wyjść CSOx podłączamy woltomierze prądu przemiennego lub oscyloskop i dla kilku wartości prądu z zakresu 0...100% sprawdzamy poprawność konwersji i zgodność napięcia w poszczególnych kanałach. Dla modelu zmierzona dokładność przetwarzania jest lepsza od 2%. W przypadku gorszej dokładności należy skorygować rezystory obciążenia przekładników lub rezystory wzmacniaczy różnicowych, których dobór jest istotny dla dokładności przetwarzania. Rezystory powinny mieć tolerancję 1% lub lepszą. Podczas pomiarów napięcia sieciowego warto zwrócić uwagę na kształt sinusoidy, który ze względu na obecność zakłóceń może odbiegać od ideału, wpływając na dokładność wskazań.

Adam Tatuś, EP