Rogowski-tekercses árammér ő rendszer tervezése és fejlesztése

Fekete Ádám, Schmidt László, Szabó László, Dr. Varg a László

Fekete Ádám és Varga BalázsBudapest, 2013.04.24

„Transzformátorok és mér őváltók”

2

A zárlati méréstechnika fejlesztésese a 3D Motion Control Mérnökiroda Kft . és a VEIKI-VNL Kft.

együttműködésével, a KMOP-1.1.4-09-2010-0067 számú pályázat keretein belül az Európai Unió és a Magyar Állam támogatásával

valósult meg.

3

Tartalom

• A zárlati áram (méréstechnikai) tulajdonsága

• Zárlati áramok mérésének lehetőségei

• Áramjeladók általános tulajdonsága

• Rogowski-tekercses árammérés elméleti alapja

• Megvalósítási követelmények

• Az új mérőrendszer kialakítása

• Mérési eredmények, a mérőrendszer kalibrálása

4

• Erősen induktív jellegű, 90°-al késik a feszültséghez képest

• Bekapcsolási időpillanattól függően DC komponenst tartalmaz

A zárlati áram

5

6

• Érzékelők– Zárlati áramváltók– Zárlati söntök

• Rögzítők– Oszcilloszkóp– Tranziens rekorder

• nagy mintavételi frekv.• sokcsatornás (6-16)• galvanikusan vagy

optikailag leválasztott

Zárlati áramok mérésének lehet őségei

H

H

H

AV / A

AV / B

AV / C

k

K

l

L

ShA

k

K

l

L

ShB

k

K

MS

l

L

ShC

Tranziens rekorder

I

I

I

I

A

A

B

C

Próbatárgy

UA0

UB0

UC0

FO / A

FO / B

FO / C

UA0 IBUB0 ICUC0

ÉRZÉKEL KŐ

RÖGZÍTŐ

7

• A vasmagos áramváltók telítődésre hajlamosak

• A vasmag túlméretezése szükséges, ami jelentős méret- és súlynövekedést okoz

Áramváltók

8

Áramváltók

Mérete: 120 cm magas, 80 cm széles, Tömege: ~350 kgfix telepítésű

9

Zárlati söntök• A primer áramkör pontos ellenállású soros eleme• Működési elve: feszültségesés mérése az ellenálláson

• Hátrányai–az áramkör földelt pontjába kell elhelyezni–nagyságrendekben különböző áramok nem mérhetőek egyfajta

sönttel

10

• A zárlati söntök szekunder feszültsége 2 V• kisebb szekunderfeszültség esetén romlik a mérés

jel/zaj viszonya• nagyobb ellenállás választása esetén nagyobb

szekunderfeszültség érhető el, ezzel javul a jel/zaj viszony, DE ebben az esetben megnő a sönt termikus disszipációja

• 50 kA-es söntnél 125 kW hődisszipáció jelentkezik• Névleges árammal csak 1 s időtartamig terhelhetőek

Zárlati söntök

11

Megoldás: több nagyságrendet átfogó söntkészletre van szükség (20A-50A-100A-200A-500A-1kA-2kA-5kA-10kA-20kA-50kA)

Zárlati söntök

50A 2kA 20kA 50kA

12

• Minél kisebb a zárlati sönt ellenállása, annál nagyobb a mérés fázishibája (τ = L / R)

• 50A-es sönt esetén ~15µs, míg 50kA-es söntnél ~250µs• Koaxiális elrendezésű induktívszegény zárlati söntök

alakhű jelátvitelre képesek• Hátrányuk: max. 0,1 s időtartamig terhelhetőek

Zárlati söntök

13

Rogowski-tekercses árammér ő rendszer fejlesztése

Okok:• az áramváltók és söntök alkalmazási nehézségei• lépést kell tartani a technikai fejlődéssel• a jelenleg kapható rendszerek ára nagyon magas

14

Áramjeladók tulajdonságai

Elvárások:

• széles áramtartományban használhatók legyenek

• a mérendő áram pillanatértékével arányos feszültségjelet szolgáltassanak tranziens zárlati áramok esetén is

• költséghatékonyság

15

Újfajta áramjeladók:

• Rogowski-tekercses

• Hall-hatáson alapuló

• Faraday-hatáson alapuló

• Magnetorezisztív jeladó

Áramjeladók tulajdonságai

Gyárthatóság, költséghatékonyság és felhasználhatóság szempontjából a Rogowski-tekercses áramjeladók legmegfelelőbbek.

16

Rogowski-tekercses árammérés elmélete

Rogowski-tekercsKlasszikus formájában egy- vagy több rétegben, egyenletes keresztmetszetű, hajlékony szigetelőmagra egyenletes sűrűséggel, szigetelt rézhuzalból tekercselt.

A tekercsben indukált feszültség a mérendő áram időbeli differenciálhányadosával arányos.

t

iNMui ∂

∂⋅⋅= 11

17

Rogowski-tekercses árammérés elmélete

A mérőtekercset integrálásra alkalmas mérőáramkörhözkell csatlakoztatni � Áramjeladó

Passzív áramjeladó

• hálózati frekvenciás áramok csak áramintegráló kapcsolásban mérhetők megfelelő pontossággal

Aktív áramjeladó• a mérőáramot elektronikus integráló erősítőbe vezetik• tápfeszültséget igényel

18

Rogowski-tekercses árammérés elmélete

Passzív áramintegráló kapcsolás

• a mérőtekercs nagy fajlagos ellenállású huzalból készül

• egy tekercsből és annak kapcsaira kötött kondenzátorból áll

• a=R/ωL=50..100 értéket kell tartani

• 50 Hz frekvencián ≈0.2 mm átmérőjű huzal szükséges

19

Rogowski-tekercses árammérés elmélete

A egyetlen kis hurok területeN a menetszámµ0 a levegő permeabilitásal a tekercs hosszadI/dt a vezetőben folyó I áram

időbeli differenciál hányadosa

Aktív áramjeladó

20

Megvalósítási követelmények

az áramjeladóra az IEC 60044-8 nemzetközi szabvány vonatkozik• pontossági követelmények, pontossági osztályok

Elektronikus integrátorral szembeni elvárások• kis értékű és stabil offset-feszültség• nagy hőmérsékleti stabilitás• kis áramköri zaj• ideális integrátorhoz közelítő karakterisztika

21

Az új mér őrendszer kialakításaA tekercs elméleti és fizikális megvalósítása

22

Az új mér őrendszer kialakításaAz erősítő-integrátor egység elméleti

és fizikális megvalósítása

Az erősítő változtatható fokozataival (1,2,5,10,20,50 kA/V) a zárlati próbák során előforduló teljes áramtartomány átfogható.

23

Az új mér őrendszer kialakításaA megvalósított integráló erősítő Bode-diagramja

0,2 Hz és 200 kHz között ideális integrátor

24

A mérőrendszer kalibrálása• Kalibrálás a 0,02% osztálypontosságú használati

etalonnal 1-5 kA-es áramtartományban végeztük• A nagyobb áramtartományok fokozatainak kalibrálását a

linearitás igazolása után külső feszültségforrásból végeztük. Az eredménye alapján a 0,5%-on belüli mérési pontosság 200 kA-ig terjeszthető ki.

• A tranziens egyenáramú átvitel jóságának ellenőrzését koaxiális zárlati sönttel végeztük. Eredmény: szöghiba ±15 szögpercen belül van

• STL (Short-circuit Testing Liasion) szervezet rendszeresen szervez sönt-összehasonlító körmérést

25

A mérőrendszer kalibrálásaReferenciasönt névleges paraméterei: 140kAeffektív – 0,1s

26

• Nagy zárlati áramok a telítődés miatt jelalak torzulást okozhatnak az áramváltókkal végzett mérésben

• A zárlati söntök alkalmazhatósága függ a zárlati áram időtartamától, azok termikus terhelési korlátai miatt

• A nagysebességű adatrögzítők megjelenésével szükségessé vált a pontos egyenáramú tranziens átvitelére alkalmas árammérő elemek fejlesztése is

• A 3D Motion Control Mérnökiroda Kft. és a VEIKI-VNL Kft. együttműködésének eredményeképpen több háromfázisú és egy egyfázisú Rogowski-tekercses árammérő rendszer került bevezetésre a zárlati áramok mérésének mindennapjaiba

Összefoglalás

27

adamfkt@gmail.com

bvarga@vnl.hu

Köszönjük a figyelmet!