CA/S/10_2: „Opracowanie metody projektowania liniowych przekładników prądowych o częstotliwości pracy do 100kHz”

Cel projektu Opracowanie metody projektowania liniowych przekładników prądowych o częstotliwości pracy do 100kHz. Zadania szczegółowe: Zdefiniowanie typoszeregu cewek Rogowskiego, Opracowanie technologii wytwarzania cewek Rogowskiego na bazie druków wielowarstwowych, Wykonanie i badanie modelu cewki Rogowskiego wykonanej na bazie druków wielowarstwowych, Opracowanie dokumentacji technicznej.

Cewka Rogowskiego to transformator powietrzny, którego jednym uzwojeniem jest kabel średniego napięcia z płynącym przez niego prądem przemiennym, a drugim - cewka wykonana z drutu nawinięta na rdzeniu z materiału dielektrycznego lub płytki drukowanej z gęsto naniesionym uzwojeniem. rozwiązanie eliminujące podstawowe wady standardowego przekładnika prądowego sygnał wyjściowy z cewki Rogowskiego – napięcie proporcjonalne do pochodnej mierzonego prądu. Zalety: bardzo duży zakres prądów mierzonych, Liniowość w dużym zakresie, bardzo szeroki zakres mierzonych prądów. Z uwagi na coraz dokładniejsze metody produkcji płytek drukowanych, jak i zapewnienie powtarzalności obwodów drukowanych, opłacalne stało się wykonywanie cewek Rogowskiego w oparciu o wielowarstwowe druki PCB.

Typoszereg cewek Rogowskiego

Typoszereg cewek Rogowskiego Przyjęto że cewki będą budowane w oparciu o trzy rodzaje płytek drukowanych (trzy rozmiary) z naniesionym uzwojeniem: 20 mm  16 mm, 16 mm  57 mm, 57 mm  16 mm.

Typoszereg cewek Rogowskiego – czułość cewki Podstawowym parametrem cewki Rogowskiego jest jej czułość – zależna od konstrukcji cewki (ilości zwojów na jednostkę obwodu oraz pola przekroju pojedynczego zwoju) – wyrażona zależnością: Gdzie: N – ilość zwojów, Aef – efektywne pole przekroju pojedynczego zwoju ω – pulsacja kątowa, μ0 – przenikalność magnetyczna próżni r - promień pola przekroju cewki

Typoszereg cewek Rogowskiego – czułość cewki Aef – efektywne pole przekroju pojedynczego zwoju, można wyznaczyć jako sumę pól pojedynczych zwojów spirali wg wzoru: a a1 b b1 Rys.: Kształt i rozmieszczenie spiralnego zwoju do obliczania efektywnego pola przekroju Aef

Teoretyczna czułość cewki Typoszereg cewek Rogowskiego Przy użyciu wzorów matematycznych wyspecyfikowano typoszereg cewek Rogowskiego: TYP Cewki C11/27 16x20 C13/27 16x20 C18/27 16x20 C18/27 16x57, otw C18/27 57x16 C18/27 16x57 C40/57 16x20 C120/127 16x20 Teoretyczna czułość cewki [mV/A] 0,73 0,87 1,2 2,96 2,14 3,39 1,43 2,07 Założone czułość cewki 0,6 0,7 1,0 3,0 2,2 3,5 1,5 2,00

Rys.: Wygląd druku czterech sąsiednich warstw płytki prostokątnej z wyprowadzeniami wzdłuż węższej krawędzi

Rys.: Wygląd płyt bazowych, w których wlutowywane są płytki wielowarstwowe: o kształcie prostokątnym 16x20 z wyprowadzeniami wzdłuż węższego boku o kształcie prostokątnym 57x16 z wyprowadzeniami wzdłuż szerszego boku o kształcie prostokątnym16x57 z wyprowadzeniami wzdłuż węższego boku

Technologia wytwarzania cewek Rogowskiego na bazie druków wielowarstwowych

Technologia wytwarzania wielowarstwowych cewek drukowanych Cewki drukowane w postaci płytek: 16-to warstwowych 8-io warstwowych

Technologia wytwarzania wielowarstwowych cewek drukowanych - płytki 16-to warstwowe spirale sąsiednich warstw łączą się ze sobą za pomocą przelotek zagrzebanych w efekcie końcowym - przetworniki o czułości 7,5 mV/A przy polu przekroju pojedynczej spirali równym 8 cm2. wymagają łączenia z płytką bazową za pomocą szpilek. Rys.: Wygląd druku pojedynczej spirali cewki 16-to warstwowej o kształcie kwadratowym z przelotkami zagrzebanymi.

Rys.: Widok płytek bazowych 8-mio warstwowych. Technologia wytwarzania wielowarstwowych cewek drukowanych - płytki 8-io warstwowe spirale sąsiednich warstw łączą się ze sobą za pomocą przelotek przechodzących na wskroś płytki czułość do ok. 4 mV/A przy polu przekroju pojedynczej spirali równym 8 cm2 - ze względów konstrukcyjnych optymalna czułość waha się od 1mV/A do 2,5 mV/A. łączą się z płytką bazową przez wkładanie ich do odpowiednio wyfrezowanych otworów dzięki czemu w trakcie montażu wyeliminowano połączenia szpilkowe. Rys.: Widok płytek bazowych 8-mio warstwowych. Rys.: Wygląd druku pojedynczej spirali cewki 8-io warstwowej o kształcie prostokątnym z przelotkami przechodzącymi przez wszystkie warstwy.

Technologia wytwarzania płytek bazowych Płytki bazowe opracowane w postaci dwuwarstwowych obwodów drukowanych mogących być wykonywanych praktycznie w dowolnym zakładzie produkującym obwody drukowane. Płytki bazowe do łączenia cewek drukowanych 8-io warstwowych wymagają precyzyjnego frezowania otworów do mocowania cewek. Czułość: płytki bazowe do cewek drukowanych 16-to warstwowych pozwalają wykonywać przetworniki o czułości od 1.4 mV/A do 7,5 mV/A płytki bazowe do cewek 8-io warstwowych pozwalają na wykonywanie przetworników o czułości 4 mV/A.

Rys.: Sposób lutowania pinów do cewek wielowarstwowych. Sposób montażu wielowarstwowych cewek drukowanych do płytek bazowych – Cewki 16-to warstwowe Etap II: wlutowanie cewek wielowarstwowych do odpowiedniej płytki bazowej - cewki powinny być wlutowane pod kątem prostym do płytki bazowej Etap I: wlutowanie pinów do cewek wielowarstwowych Rys.: Sposób lutowania pinów do cewek wielowarstwowych. Rys.: Sposób lutowania cewek wielowarstwowych do płytki bazowej za pomocą pinów

Sposób montażu wielowarstwowych cewek drukowanych do płytek bazowych – Cewki 8-io warstwowe Etap II: oblutowywanie połączeń Etap I: wciskanie cewek drukowanych do otworów wyfrezowanych w płytce bazowej Rys.: Sposób lutowania cewek 8-mio warstwowych do płytki bazowej Rys.: Sposób mocowania cewek 8-mio warstwowych do płytki bazowej

Badanie modelu cewki Rogowskiego wykonanej na bazie druków wielowarstwowych

Pomiary czułości I Oscyloskop cyfrowy Kalibrator CR Rys.: Układ pomiarowy do pomiaru czułości cewek Rogowskiego Tabela.: Zmierzone czułości cewek Rogowskiego cewka CPrPoz CPrPion CKw czułość 1.4 mV/A 3 mV/A 3.5 mV/A Pobudzenie prądem sinusoidalnym 50Hz o wartości skutecznej 20A, Na wyjściu cewek Rogowskiego umieszczony filtr dolnoprzepustowy RC o stałej czasu 0.1ms (dla wytłumienia przebiegów o wyższej częstotliwości).

Pomiary parametrów elektrycznego układu zastępczego cewek Rogowskiego Rys.: Odpowiedź na skok prądowy cewki CPrPoz. Rys.: Układ do pomiaru czułości parametrów cewki Rogowskiego Tabela.: Parametry cewek Rogowskiego R [] L [mH] C [pF] f0 [kHz] Q  Rkr [k] CPrPoz 802 11.18 43.63 227.863 20 0.025 7.8 CPrPion 762 7.9 73.47 208.884 13.6 0.037 5 CKw 1000 19.77 64.32 141.138 17.5 0.029 8.5 Pobudzanie cewki skokiem prądowym o amplitudzie 2A przez zamknięcie wyłącznika. Wykreślenie odpowiedzi na skok prądowy.

Charakterystyki częstotliwościowe cewek Rogowskiego Obciążenie rezystancją 100 k i rezystancją równą rezystancji krytycznej właściwej dla każdej cewki. !!! Wyraźnie zaobserwowany charakter rezonansowy odpowiedzi częstotliwościowych cewek – zjawisko niekorzystne, gdyż zwiększa poziom szumów i sygnałów zakłócających na wyjściu cewki w stosunku do sygnału pożądanego. Charakter rezonansowy odpowiedzi częstotliwościowej cewki znika przy obciążeniu rezystancją bliską rezystancji krytycznej bez pogorszenia czułości cewki. Pasmo użyteczne rozciąga się znacznie powyżej 50 kHz, co pozwala mierzyć prądy o zawartości harmonicznych powyżej 1000. Rys.: Przykładowa charakterystyka częstotliwościowa cewki (przykład dla cewki CPrPoz)

Przyrząd do montażu cewek Rogowskiego

Rys.: Przyrząd do montażu cewek Rogowskiego.

Wyniki pracy

Wyniki pracy Typoszereg cewek Rogowskiego Technologia wytwarzania cewek Rogowskiego na bazie druków wielowarstwowych Dokumentacja techniczna Projekt i wykonanie przyrządu do montażu cewek Rogowskiego Dla potrzeb projektu powstał arkusz kalkulacyjny do obliczania czułości cewek Rogowskiego na podstawie ich parametrów.

Dziękuję za uwagę