Przekładniki prądowe LEM ITxx - znakomite parametry w każdej aplikacji

Fot. 1. Przekładniki prądowe firmy LEM zapewniają wysoką dokładność i liniowość. Są dostępne dla zakresu od 12,5 A do 24 kA. Modele do 60 A mogą być montowane na PCB

Od ponad dekady produkty firmy LEM IT wyznaczają standardy precyzyjnych pomiarów prądu w takich obszarach, pozwalając na dokładne wyznaczanie mocy w szerokim spektrum zastosowań.

Jak wiadomo moc elektryczna jest iloczynem chwilowych wartości napięcia i prądu. Aby system pomiarowy był w stanie precyzyjnie określić rozkład pobieranej mocy, konieczne jest rejestrowanie chwilowych wartości napięcia i prądu, po to, aby z zależności amplitudowych i fazowych wydzielić składową czynną, bierną i pozorną oraz pozostałe parametry, jak współczynnik szczytu, zapotrzebowanie na moc, itd. Fundamentalną sprawą dla tych pomiarów jest dokładna akwizycja napięcia z uwzględnieniem amplitudy i fazy oraz prądu.

Z napięciem jest łatwiej zwłaszcza do wartości ok. 1000 V, ale pomiar prądu z dużą dokładnością nie jest już zagadnieniem banalnym i konieczne jest użycie przekładnika prądowego. Wystarczy, że przekładnik będzie charakteryzował się błędem fazy rzędu 1°, aby przy pomiarach w układach zasilających, gdzie współczynnik mocy jest niski, np. 0,1 błąd pomiaru mocy sięgnął aż 17,4%. Gdy współczynnik mocy jest równy 1 ten błąd wynosi tylko 0,2%, co pozwala uśpić czujność inżyniera za pomocą danych katalogowych, ale w rzeczywistych instalacjach PFC=1 pojawia się niezwykle rzadko.

Fot. 2. Rozwiązania wielokanałowe dla analizatorów jakości energii

Największy problem z wyznaczaniem efektywności energetycznej urządzeń i prowadzeniem badań pod kątem poboru mocy jest więc taki, że trudno jest dokonać tego zadania z wystarczającą dokładnością. Najbardziej precyzyjne mierniki osiągają dokładność podstawową rzędu 0,02-0,1%, ale wyznaczenie strat mocy w urządzeniu niezbędnych do wyliczenia sprawności musi odbywać się poprzez pomiar różnicy mocy na wejściu i wyjściu. Stąd błędy pomiaru mogą się kumulować, bo każdy pomiar jest obarczony wadą pomiarową, a dodatkowo im wyższa sprawność, tym różnica mocy między wyjściem a wyjściem jest mniejsza. A im jest mniejsza, tym błędy pomiarowe wpływają na pomiary w większym stopniu.

Rys. 3. Podstawowy układ pomiarowy

Inwertery dużej mocy mają sprawność rzędu 98%, napędy 95%, zatem podczas pomiarów o mocy rzędu 100 W różnica między wejściem a wyjściem może wynosić ok. 5 W, a błąd pomiaru, nawet urządzeniem o klasie dokładności 0,1%, sięgnie aż 4%. W takich sytuacjach warto sięgnąć po przekładniki prądowe LEM Ultrastab.

W zakresie offsetu i liniowości mają one doskonałe parametry mierzone w ppm wartości zakresu pomiarowego (1 ppm = 0,0001%) i mierzą prąd od DC do kilkudziesięciu kHz, co pozwala analizować z dużą dokładnością sygnały odkształcone. Błąd fazy nie przekracza 1 minuty (1/60°), a dryf temperaturowy 6,7 ppm/K. Dzięki pełnej separacji galwanicznej zapewniają zarówno duże bezpieczeństwo, jak i brak sygnałów wspólnych o dużej wartości zaburzających pomiary.

Rys. 4. Schemat wewnętrzny układu pomiarowego z dwoma uzwojeniami kompensacyjnymi oraz dwoma rdzeniami

Maksymalne prądy mierzone sięgają 2...5 kA, co pozwala na szeroki zakres aplikacyjny, łącznie z generatorami wiatrowymi i badania instalacji solarnych. Wykonania takie jak IT i ITN pozwalają z kolei na pomiary w zakresie 60...1000 A, a więc takich wartości które najczęściej spotykane są w przemyśle (inwertery, napędy, energoelektronika).

Przekładniki tego typu nadają się też do wykorzystania w analizatorach jakości energii, które mają od 3 do 6 kanałów pomiarowych dla prądu (fot. 2). Przekładniki LEM mogą pracować jako elementy pojedyncze, ale firma też dostarcza rozwiązania wielokanałowe, zawierające kilka przekładników w jednej obudowie, wraz z zasilaczem i kablami. Wysoka dokładność pozwala na używanie przekładników także w kalibratorach prądów DC i AC. Z uwagi na doskonałą liniowość wykorzystuje się je także w systemach serwomechanizmów pozycjonujących opartych na ruchomej cewce (voice-coil), używanych np. w manipulatorach, skanerach laserowych 3D lub aplikacjach pick & place, gdzie dzięki dużej liniowości przekładnika zapewniona jest wysoka powtarzalność i precyzja mechanizmu.

ITxx Fluxgate - zasada działania

Rys. 5. Schemat blokowy układu pomiarowego w przekładniku LEM

Warto przez chwilę skupić się na zasadzie działania przekładników prądowych ITxx, aby zrozumieć, skąd wynikają ich doskonałe parametry. Sama metoda pomiaru jest bowiem znana od wielu lat i powszechnie stosowana przez licznych producentów.

Pomiar prądu stałego za pomocą przekładnika polega na wykorzystaniu pierścieniowego elementu magnetycznego o dwóch uzwojeniach. Przez uzwojenie Ns płynie badany prąd. Aby zmierzyć jego wartość, przez uzwojenie Np przepuszcza się prąd o takiej wartości, aby skompensować strumień magnetyczny w rdzeniu do zera. Wówczas prąd N_P·I_P - N_S·I_S = 0, co przy znanej liczbie zwojów Np i Ns pozwala wyznaczyć natężenie (rys. 3).

Ponieważ po kompensacji strumień magnetyczny w rdzeniu pierścieniowym jest zerowy, zapewniona jest duża liniowość (brak nasycenia), szeroki zakres pomiarowy, wysoka stabilność i niewrażliwość na zaburzenia.

Kluczowym elementem tego układu pomiarowego jest detektor wartości strumienia magnetycznego, pozwalający wykryć moment pełnej kompensacji. Ponieważ trudno jest precyzyjnie mierzyć wartości pola magnetycznego bliskie zera, producenci przekształtników stosują szereg metod z dodatkową kompensacją układu pomiarowego, podwójnym układem pomiarowym z dwoma a nawet trzema rdzeniami i skomplikowanym układem uzwojeń jak na rysunku 4. W dalszej kolejności za wysoką dokładność i liniowość odpowiedzialne są układy elektroniczne współpracujące z czujnikiem, które zapewniają też właściwą kompensację częstotliwościową układu pomiarowego. W efekcie otrzymuje się układ pomiarowy zbliżony do tego, co pokazano na rysunku 5.

Dacpol Sp. z o.o.
www.dacpol.eu