Меню

Как контролировать ток нагрузки

Как контролировать ток с помощью операционного усилителя, биполярного транзистора и трех резисторов

Данная статья объясняет работу умной схемы, которая точно измеряет ток источника питания.

Прежде всего, я должен признать, что заголовок немного вводит в заблуждение. Схема, представленная в данной статье, действительно требует только операционного усилителя, транзистора и трех резисторов. Однако она не является самостоятельным контроллером тока в том смысле, что она не измеряет ток и не инициирует действия, основанные на этих измерениях. Поэтому, возможно, «измеритель тока» будет более точным названием, чем «контроллер тока», но даже «измеритель тока» – не совсем корректное название, так как схема не записывает значения тока или не преобразует их в визуальную индикацию.

В конечном счете, я полагаю, что данная схема представляет собой нечто большее, чем «преобразователь ток-напряжение», но имейте в виду, что она преобразует ток в напряжение таким образом, который совместим с приложениями мониторинга потребляемого тока. Поэтому, может быть, мы должны назвать ее «преобразователь тока в напряжение для приложений мониторинга подачи тока от источника питания» («current-to-voltage converter for power-supply-current-delivery-monitoring applications», или аббревиатура CTVCFPSCDMA). Идеально.

Зачем?

Существуют различные ситуации, в которых вы, возможно, захотите измерить ток, потребляемый вашим проектом. Возможно, вы хотите динамически настроить работу одной подсистемы на основе потребления тока другой подсистемы. Возможно, вы пытаетесь оценить срок службы аккумулятора или подобрать минимально возможную микросхему регулятора, которая может обеспечить достаточный выходной ток. Вы даже можете использовать записанные измерения потребления тока как способ с минимальным вмешательством для отслеживания переходов микроконтроллера между состояниями низкого и высокого потребления электроэнергии.

Как обсуждалось выше, данная схема преобразует ток в напряжение. Это может удовлетворить ваши требования к мониторингу тока, если всё, что вам нужно сделать, – это вручную наблюдать за потреблением тока с помощью мультиметра или осциллографа. Я полагаю, вы могли бы даже записывать и анализировать свои измерения потребления тока с помощью устройства сбора данных и некоторого соответствующего программного обеспечения.

Если вам нужна более автономная схема в смысле возможности записывать и/или реагировать на потребление тока, вы, вероятно, захотите оцифровать измерения с помощью микроконтроллера. Если требуется только базовый функционал, и у вас нет других потребностей в процессоре, вы можете использовать компаратор или аналоговый детектор диапазона пороговых напряжений.

Схема

CTVC. представленный в данной статье, основан на схеме, найденной в руководстве к применению под названием «Op Amp Circuit Collection», опубликованном (в далеком 2002 году) компанией National Semiconductor. Моя версия выглядит так:

Преобразователь тока в напряжение. Схема электрическая принципиальная Преобразователь тока в напряжение. Схема электрическая принципиальная

И моя реализация схемы в LTspice:

Преобразователь тока в напряжение. Схема в LTspice Преобразователь тока в напряжение. Схема в LTspice

На первый взгляд схема может показаться немного запутанной, но ее работа довольно проста:

  • Ток протекает от источника питания к нагрузке через резистор R1. R1 работает как типовой резистор датчика тока (токовый шунт), и, как и другие токовые шунты, он имеет очень низкое сопротивление, чтобы уменьшить рассеивание мощности и минимизировать его влияние на измерения и схему нагрузки.
  • Напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход операционного усилителя, равно напряжению источника питания минус (ток источника питания × R1).
  • Не позволяйте PNP транзистору отвлекать вас от того факта, что операционный усилитель на самом деле охвачен петлей отрицательной обратной связи. Наличие отрицательной обратной связи означает, что мы можем применить принцип виртуального замыкания, т.е. можно предположить, что напряжение на инвертирующем входе равно напряжению источника питания минус (ток источника питания × R1).
  • Поскольку верхние выводы R1 и R2 подключены к источнику питания, предположение виртуального замыкания говорит нам о том, что на обоих этих резисторах появляется одинаковое напряжение, и, следовательно, ток через R2 равен току через R1. В схеме LTspice, показанной выше, R2 в 1000 раз больше, чем R1, а это означает, что ток через R2 будет в 1000 раз меньше тока через R1.
  • Ток базы биполярного транзистора очень мал, поэтому можно сказать, что ток через R3 более или менее равен току через R2. Таким образом, мы используем R3 для получения напряжения, которое прямо пропорционально току через R2, который, в свою очередь, прямо пропорционален току через R1.

Схема, приведенная ниже, должна помочь понять это объяснение:

Преобразователь тока в напряжение. Принцип действия Преобразователь тока в напряжение. Принцип действия

Как вы можете видеть, окончательная формула Vвых представляет собой:

Что именно делает PNP транзистор?

Вы можете думать о транзисторе либо как о регулируемом клапане, который позволяет операционному усилителю увеличивать или уменьшать ток, протекающий через R2 и R3, либо как об устройстве с переменным падением напряжения, которое операционный усилитель может использовать для установки правильного напряжения в точке Vвых. В обоих случаях конечный результат один и тот же: транзистор является средством, с помощью которого операционный усилитель может заставить напряжение на инвертирующем входе равняться напряжению на неинвертирующем входе.

Транзистор действительно является самой интересной частью данной схемы. Мы часто используем биполярные транзисторы в приложениях «включить или выключить», и важно понимать, что ситуация в данной схеме совершенно иная. Операционный усилитель (конечно с помощью отрицательной обратной связи) на самом деле делает небольшие точные подстройки напряжения эмиттер-база (VЭБ) биполярного транзистора. На следующем графике показано напряжение VЭБ для диапазона токов нагрузки (соответствующих сопротивлениям нагрузки от 50 до 300 Ом).

Зависимость напряжения эмиттер-база транзистора от сопротивления нагрузки Зависимость напряжения эмиттер-база транзистора от сопротивления нагрузки

Обратите внимание, что все эти напряжения близки к типовому порогу открытия (

0,6 В) для кремниевого PN перехода. Это говорит о том, что операционный усилитель очень тщательно согласовывает пороговую область биполярного транзистора, чтобы обеспечить требуемые (и относительно большие) изменения падения напряжения эмиттер-коллектор. Весь диапазон значений VЭБ составляет всего

50 мВ, зависимость изменения напряжения эмиттер-коллектор, равного

4 В, от изменения напряжения эмиттер-база, равного

50 мВ, приведена ниже:

Зависимость напряжения эмиттер-коллектор от напряжения эмиттер-база Зависимость напряжения эмиттер-коллектор от напряжения эмиттер-база

Эффективность

Реальные реализации данной схемы конечно будут иметь источники ошибок, которые приведут к тому, что связь между током нагрузки и выходным напряжением отклонится от приведенной выше идеальной формулы. Даже схема LTspice не совсем идеальна из-за реалистичного поведения, реализованного в модели биполярного транзистора (и, возможно, в модели операционного усилителя). Однако, если у вас есть резисторы высокой точности и хороший операционный усилитель, я думаю, эта схема может быть довольно точной. Следующий график показывает смоделированную ошибку в том же диапазоне сопротивлений нагрузки (помните, что «V_collector» совпадает с Vвых).

Зависимость выходного напряжения схемы от сопротивления нагрузки при моделировании ошибки Зависимость выходного напряжения схемы от сопротивления нагрузки при моделировании ошибки

Два графика почти идеально совпадают, что указывает на хорошую точность. Обратите внимание, как оранжевый график заметно ниже, чем синий, при наименьшем значении сопротивления нагрузки; это обусловлено тем, что сопротивление нагрузки 50 Ом соответствует выходному напряжению 5 В, но Vвых не может быть ровно 5 В, потому что по меньшей мере небольшое напряжение должно падать на R2 и на соединении эмиттер-коллектор.

Заключение

Мы рассмотрели интересную и эффективную схему, которая точно преобразует ток источника питания в напряжение, которое можно измерить, оцифровать или использовать в качестве входного сигнала компаратора. Если вы хотите продолжить изучение этой удобной схемы, то не стесняйтесь сэкономить немного времени, загрузив мою схему LTspice по ссылке ниже.

Источник

Как измерить силу электрического тока в цепи?

В процессе эксплуатации различного оборудования возникает необходимость проверки основных электрических параметров его работы. Это нужно как для проверки определенных характеристик, так и для ремонтных работ. Одним из наиболее сложных и опасных измерений является определение величины токовой нагрузки. Поэтому для всех начинающих электриков будет актуально узнать, как измерить силу электрического тока в цепи правильно и безопасно.

Используемые приборы

Измерить силу тока можно различными способами, однако далеко не все из них применимы в повседневной жизни. К примеру, различные измерительные трансформаторы, подключаемые в цепь, крайне неудобно переносить по дому и даже хранить на полке в гараже. Поэтому актуальными средствами измерительной техники являются амперметры, мультиметры и клещи. Далее рассмотрим детально особенности работы и применения каждого из них.

Читайте также:  Помехи в сети постоянного тока

Амперметр

Это один из наиболее простых измерительных приборов, который реагирует на изменение токовой нагрузки. С электротехнической точки зрения амперметр представляет собой нулевой или бесконечно малое сопротивление. Поэтому в случае приложения напряжения только к прибору, в нем возникнет ток короткого замыкания, из-за чего амперметр включается в цепь последовательно замеряемой нагрузке. Для наглядности стоит пояснить, что измерить силу тока в розетке нельзя, так как без нагрузки (в случае разомкнутой цепи) ток в ней не протекает, на контактах розетки присутствует только напряжение, поэтому подключение амперметра напрямую приведет к замыканию.

Под электрическим током подразумевается направленное движение заряженных частиц, которое проходит через поперечное сечение проводника за определенную единицу времени. Поэтому запомните, что токовая нагрузка возникает лишь от включения бытового электроприбора к источнику питания. Включение амперметра отдельно к точке электроснабжения или отдельно к рабочему двухполюснику никоим образом не даст информации о силе тока. Если рассмотреть пример на схеме, то чтобы замерить амперы вы должны включить прибор в линию последовательно к объекту измерения:

Пример подключения амперметра

Рис. 1. Пример подключения амперметра

Как видите, основная сложность заключается в том, что процесс измерения происходит непосредственно в момент протекания электрической энергии, соответственно, велика вероятность поражения электрическим током в случае нарушения технологии.

Чтобы избежать плачевных последствий, необходимо соблюдать такие правила:

  • Подключение производится только при отсутствии напряжения;
  • Измерительные провода должны быть заизолированы, а места подключения удалены от человека, при необходимости исключена возможность прикосновения к ним;
  • Выведение амперметра из цепи измерения тока также выполняется при снятом напряжении.

Так как амперметр является узконаправленным прибором для измерения силы тока, его редко кто хранит у себя дома. Поэтому если вы хотите приобрести приспособление, куда выгоднее обзавестись мультиметром, который обладает значительно более широким функционалом.

Мультиметр

Этот прибор также называют тестером, Ц-эшкой, поэтому в обиходе можно встретить разные поколения мультиметра. Принцип использования мультиметра в качестве средства для измерения тока в цепи полностью аналогично амперметру, как по схеме включения, так и по предъявляемым мерам предосторожности. Однако следует отметить, что мультиметр мультиметру рознь, поэтому перед включением тестера обязательно посмотрите, подходит ли он, чтобы измерить ток в вашем случае.

Из конструктивных особенностей сразу отметим:

  • Диапазон измерения – выставляется переключателем на определенную величину силы тока. Выбирается таким, чтобы предполагаемая нагрузка его не превышала, но была соизмеримой.
  • Род тока – переменный или постоянный, заметьте, что некоторые модели мультиметров предоставляют возможность измерить только один вариант.
  • Разделение на слаботочные и силовые измерения – такие приборы имеют отдельную шкалу на мА, мкА и отдельную для А. Также в них могут располагаться отдельные разъемы, чтобы подключить щупы.
  • Наличие защиты от перегрузки при подключении измерительных устройств, обозначается отметкой unfused. Которая свидетельствует о наличии предохранителя, способного предотвратить выход со строя мультиметра от протекания чрезмерной силы тока.

По способу отображения информации все мультиметры подразделяются на циферблатные и дисплейные. Первые из них – довольно устаревшая модель, ориентироваться по ним смогут только искушенные электрики, знакомые с основами метрологии. Новичок же может запутаться в показаниях на шкале, цене деления или какими единицами измеряется нагрузка. Поэтому применение цифрового прибора куда проще и удобнее, на дисплее отображается конкретное число.

Токоизмерительные клещи

Это наиболее удобный прибор, так как чтобы измерить силу тока токоизмерительными клещами, нет нужды разрывать цепь. Конструктивно клещи представляют собой разъемный магнитопровод, в который и помещается проводник, на котором вы хотите померить силу тока. Токоизмерительные клещи имеют схожесть с тем же мультиметром, а в более продвинутых моделях вы встретите такой же переключатель с функцией определения мощности, напряжения, сопротивления, силы тока и разъемы для подключения щупов.

Как измерить силу тока в цепи

Для измерения электрического тока в цепи куда удобнее использовать современные устройства – мультиметры или клещи, особенно для одноразовых операций. А вот стационарный амперметр подойдет для тех ситуаций, когда вы планируете постоянно контролировать силу тока, к примеру, для контроля заряда батарейки или аккумулятора в автомобиле.

Постоянного тока

Разрыв электрической цепи организовывается до начала измерений при отключенном напряжении. Даже в низковольтных цепях вы можете вызвать замыкание батарейки, которое моментально приведет к потере электрического заряда. Далее рассмотрим пример измерения в цепи постоянного тока с помощью мультиметра, для этого:

Использование мультиметра для измерения постоянного тока

Рис. 2. Использование мультиметра для измерения постоянного тока

  • подключите щупы к соответствующим вводам в тестер – черный в COM, красный в разъем с пометкой mA, A или 10A, в зависимости от устройства;
  • при помощи «крокодилов» соедините щупы тестера с цепью измерения последовательно;
  • установите переключателем нужный род тока и предел измерений;
  • можете подключить нагрузку и произвести измерения, на дисплее мультиметра отобразится искомое значение.

Но заметьте, подключать мультиметр следует на короткий промежуток времени, так как он может перегреться и выйти со строя.

Переменного тока

Цепь переменного напряжения может измеряться как мультиметром, так и токоизмерительными клещами. Но, в связи с опасностью переменного бытового напряжения для жизни человека, эту процедуру целесообразнее выполнять клещами без измерительных щупов и без разрыва цепи.

Использование клещей для измерения переменного тока

Рис. 3. Использование клещей для измерения переменного тока

Для этого вам нужно:

  • переключить ручку в положение переменных токов на нужную позицию нагрузки, если она изначально неизвестна, то сразу выбирают максимальный диапазон;
  • нажать боковую скобу, которая разомкнет клещи;
  • поместить внутрь клещей токоведущую жилу и отпустить кнопку.
  • данные измерений отобразятся на дисплее, при необходимости их можно зафиксировать соответствующей кнопкой.

Производить измерения можно как на изолированных, так и на оголенных жилах. Но заметьте, в область обхвата должен попадать только один проводник, сразу в двух измерить не получится.

Реальные примеры измерения тока

Далее рассмотрим несколько вариантов того, как подключить измерительный прибор в бытовых нуждах. При замерах батареек вам необходимо один щуп приложить к контакту батарейки, а второй к контакту нагрузки, второй контакт нагрузки подключается к свободной клемме батарейки.

Измерение силы тока в цепи батарейки

Рис. 4. Измерение силы тока в цепи батарейки

Если вы хотите проверить токовую нагрузку в обмотках трехфазного электродвигателя, измерительный прибор подключается поочередно в каждую фазу или если у вас есть три амперметра, можете использовать их одновременно. Для этого щупы подключаются одним концом к выводам обмоток в борно, а вторым, к питающему проводу соответствующей фазы.

Измерение силы тока в цепи электродвигателя

Рис. 5. Измерение силы тока в цепи электродвигателя

Способы на видео


Источник

Контроль нагрузки электродвигателя при помощи датчика тока Seneca T201

Введение

На сегодняшний день электродвигатели используются во всех отраслях промышленности. При этом, как известно, ток потребления электродвигателя зависит от характера нагрузки.

Яркими примерами технологических процессов, где измерение тока двигателя очень важно, являются:

  • измельчение твердого продукта (дробление);
  • поддержание консистенции (перемешивание);
  • экструзия при помощи шнекового пресса.

В этой статье будут рассмотрены основные проблемы, возникающие при автоматизации подобных процессов и различные пути для их решения.

Техника безопасности

1. Примеры технологических процессов

1.1. Измельчение твердого продукта (дробление)

На рисунке 1 показана типовая дробильная установка.

Типовая дробильная установкаРисунок 1 — Типовая дробильная установка

  • конвейера, который осуществляет подачу сырья;
  • непосредственно самой дробилки.

В обоих случаях применяются электродвигатели. Сырьем для дробилки зачастую является горная порода.

Избыточная подача сырья приводит к перегрузке электродвигателя, вращающего дробилку. Недостаточная подача, в свою очередь, свидетельствует о неэффективном использовании ресурсов имеющегося оборудования, т.к. влечет за собой работу в холостом режиме, а следовательно и негативный экономический эффект. Для достижения наилучшей эффективности процесс подачи материала необходимо автоматизировать.

Схема управления в таком случае достаточно проста: в зависимости от загруженности дробилки регулируется скорость подачи сырья, т. е. конвейера. Это возможно осуществить с помощью преобразователя частоты (ПЧ). Для этого необходимо подключить к ПЧ датчик, который будет являться обратной связью. Этого достаточно для организации самостоятельного узла управления.

Алгоритм работы системы заключается в следующем: сигнал от датчика обратной связи показывает текущий уровень загрузки дробилки. В зависимости от этого, преобразователь частоты будет уменьшать или увеличивать обороты двигателя подающего конвейера.

В качестве датчика обратной связи могут применяться оптические или ультразвуковые датчики (рисунок 2).

Читайте также:  Напряжение при котором диод пропускает ток

Определение уровня в дробилке ультразвуковым датчикомРисунок 2 — Определение уровня в дробилке ультразвуковым датчиком

Датчик производит измерение уровня бесконтактно и передает сигнал на частотный преобразователь. Соответственно, чем выше уровень материала, тем выше нагрузка на двигатель дробилки.

Однако, у таких решений есть несколько недостатков. Если процесс дробления сопровождается образованием пыли, использование оптических датчиков невозможно, так как пыль препятствует прохождению светового луча. Этого недостатка лишены ультразвуковые датчики, которые работают даже при высокой запыленности. Тем не менее, оба описанных метода измерений не учитывают размер фракции горной породы, от которого наиболее зависит нагрузка электродвигателя.

1.2. Поддержание консистенции (перемешивание)

В процессах, связанных с перемешиванием продукта (например, производство шоколада), зачастую возникает необходимость отслеживать консистенцию (степень густоты) среды.

Типовой промышленный миксерРисунок 3 — Типовой промышленный миксер

Консистенцию можно определять, основываясь на плотности перемешиваемого продукта. Однако, определение плотности является сложной задачей, связанной с рядом особенностей:

  • большинство датчиков плотности (плотномеров) предназначены для работы только с маловязкими жидкостями;
  • плотномеры требуют непосредственного контакта со средой. Установка их в емкость проблематична из-за наличия перемешивающего устройства;
  • повышенная температура ограничивает применение некоторых датчиков;
  • постоянно работающий миксер вносит погрешность в измерения.

В связи с этим, от определения плотности зачастую либо отказываются, либо определяют её в лаборатории.

1.3. Экструзия при помощи шнекового пресса

Еще один вид процессов, в которых возникает необходимость отслеживания режимов работы электродвигателя — процессы экструзии с использованием шнековых прессов. При этом происходит формирование изделий из полимерных материалов путем выдавливания расплава через специальную форму. Один из типовых примеров такого процесса — экструзия пластика.

На рисунке 4 приведена функциональная схема такого процесса.

Функциональная схема процесса экструзииРисунок 4 — Функциональная схема процесса экструзии

Сырье загружается сначала в бункер, а после поступает непосредственно в пресс с помощью подающего шнека. Для вращения подающего шнека и шнекового пресса используются асинхронные двигатели.

Неравномерная подача сырья приводит к образованию воздушных пустот в расплаве и нежелательных полостей в готовых изделиях. А в случае избыточной подачи сырья может возникнуть перегрев бункера из-за передачи температуры от расплавленной массы.

Поэтому регулирование скорости подачи сырья из бункера обязательно для выпуска качественной продукции и повышения производительности.

2. Нагрузка на валу двигателя и ток потребления

Все описанные процессы имеют общую черту, а именно: применение асинхронных электродвигателей для различных задач. Благодаря этому свойству, задача автоматизации этих процессов становится не такой сложной, как кажется на первый взгляд.

Как уже было упомянуто ранее, при увеличении нагрузки на валу двигателя увеличивается и ток, потребляемый им. Таким образом, именно ток определяет текущий режим работы двигателя. Зная текущий ток потребления, можно судить о состоянии оборудования и процесса в целом. На шильдике двигателя указывается его номинальный ток, соответствующий нормальному режиму работы двигателя. Помимо этого, есть несколько других режимов:

  • Холостой ход. Соответствует работе двигателя без нагрузки (как правило, порядка 30% — 50% от номинального тока).
  • Перегрузка. Двигатель потребляет больший ток, чем номинальный (индивидуально для каждой модели, принято считать ток свыше 110. 120% от номинального).

Для отслеживания тока потребления наиболее подходящими датчиками являются измерительные преобразователи тока Seneca T201, которые и будут рассмотрены далее.

3. Бесконтактные датчики тока Seneca T201

Внешний вид датчиков тока

Рисунок 5 — Внешний вид датчиков тока

Внешне датчики похожи на классические измерительные трансформаторы тока, однако функционально это уже другие приборы.

Рассмотрим их отличительные особенности:

  • в отличие от трансформаторов тока, измерительные преобразователи тока Seneca на выходе формируют унифицированный аналоговый сигнал (4. 20мА или 0. 10В) или имеют цифровой интерфейс RS-485 и протокол Modbus RTU;
  • преобразователи серии T201 имеют высокий класс точности и имеют свидетельство об утверждении типа средств измерений;
  • принцип действия обычных трансформаторов тока основывается на электромагнитной индукции и рассчитан на работу с переменным током. В линейке датчиков тока Seneca присутствуют и модификации, способные работать как на переменном, так и на постоянном токе (T201DCH, основанные на эффекте Холла);
  • преобразователи T201 обладают высокой перегрузочной способностью (например, для стандартной модификации Т201 — до 800А);
  • в датчиках предусмотрена возможность настройки диапазона измерения с помощью DIP-переключателей, а также включения фильтрации, для игнорирования превышения тока индуктивной нагрузки при пуске.

Описанные преимущества позволяют успешно использовать датчики во всех описанных выше технологиях:

  1. Измельчение твердого продукта (дробление). В процессе дробления можно добиться автоматического поддержания скорости движения конвейера в зависимости от загрузки двигателя дробилки. Использование токовых датчиков T201 наиболее предпочтительно, так как потребляемый двигателем ток напрямую зависит от нагрузки на валу, определяемой размером фракции сырья (см. рисунок 6). Функциональная схема контроля работы скорости подающего конвейераРисунок 6 — Функциональная схема контроля работы скорости подающего конвейера
  2. Поддержание консистенции (перемешивание). В процессах перемешивания также используются бесконтактные датчики тока (рисунок 7). На основании измеренного тока формируется зависимость загруженности двигателя от консистенции сырья. Полученные таким образом данные о консистенции (плотности) используются в системе автоматического регулирования процесса перемешивания. Контроль тока потребления промышленного миксераРисунок 7 — Контроль тока потребления промышленного миксера
  3. Экструзия при помощи шнекового пресса. Измерение тока двигателя шнекового пресса позволяет регулировать скорость подачи сырья из бункера. Это реализуется при помощи частотного преобразователя, управляющего двигателем подающего шнека. Датчик тока Т201 подключается к ПЧ и выступает в качестве датчика обратной связи для автоматического регулирования. Функциональная схема процесса приведена на рисунке 8. Контроль подачи сырья в экструдерРисунок 8 — Контроль подачи сырья в экструдер

4. Пример применения датчиков Seneca T201

Рассмотрим более подробно применение бесконтактных измерителей тока в процессах дробления совместно с частотным преобразователем.

В примере используется частотный преобразователь ELHART EMD-MINI. ПЧ имеет аналоговый вход 4. 20 мА (0. 10 В), который можно использовать для задания скорости вращения. При этом логика регулирования будет обратной: чем больше сигнал от датчика тока (выше нагрузка), тем медленнее должен вращаться конвейер. Если контейнер дробилки загружен слишком сильно, то подача нового материала должна быть остановлена на некоторое время.

Бесконтактный датчик подбирается по номинальному току основного двигателя (дробилки), который указывается на шильдике. Датчик следует подбирать с запасом, при этом существует возможность подстройки диапазона измерения датчика. К примеру, если номинальный ток двигателя дробилки составляет 23А, то можно использовать преобразователь Seneca T201, настроенный на диапазон 0. 30А. Настройка датчика осуществляется при помощи DIP-переключателей, расположенных на корпусе (необходимое положение переключателей показано на рисунке 9).

Настройка диапазона работы датчика DIP-переключателямиРисунок 9 — Настройка диапазона работы датчика DIP-переключателями

В свою очередь, частотный преобразователь подбирается по номинальному току двигателя конвейера. Для подключения датчика Т201 к ПЧ дополнительно понадобится блок питания =24V DC. На рисунке 10 принципиальная электрическая схема подключения:

Принципиальная электрическая схема подключения

Сигнал от измерителя тока Seneca T201 подключается на аналоговый вход преобразователя частоты. Для работы ПЧ в режиме измерения тока 4. 20 мА необходимо установить DIP-переключатель на корпусе частотного преобразователя в положение, показанное на рисунке 11.

Установка dip-переключателя преобразователя частоты

Рисунок 11 — Установка dip-переключателя преобразователя частоты

В данном примере к дискретному выходу ПЧ подключена сигнальная лампа для индикации перегрузки основного двигателя. Данный выход можно также использовать и для других целей (например, для остановки частотного преобразователя).

Настройки преобразователя частоты приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Настройки преобразователя частоты

Параметр Знач. Описание
Р117 8 Сброс на заводские настройки
Р000 10 Параметр, отображаемый на дисплее частотного преобразователя: отображение величины обратной связи ПИД-регулятора
Р209 * Номинальное напряжение электродвигателя конвейера в вольтах. Настраивается для защиты двигателя подающего механизма. Устанавливать согласно шильдику электродвигателя.
Р210 * Номинальный ток электродвигателя конвейера в амперах. Настраивается для защиты двигателя подающего механизма. Устанавливать согласно паспорту на электродвигатель.
Р300 1 Настройка минимального и максимального напряжения на аналоговом входе. Значения «1» и «5» соответствуют сигналу 4. 20 мА.
Р301 5
Р325 14 Логика работы выходного реле преобразователя частоты. Значение «14» соответствует срабатыванию по превышению верхнего уровня аналогового сигнала для индикации перегрузки основного двигателя (дробилки).
Р600 1 Активация ПИД-регулятора.
Р604 ** Уставка ПИД-регулятора. Этот параметр определяет, насколько должен быть загруженным двигатель дробилки/перемешивающего устройства.
Определяется как P 604 = I ном ⋅ раб . т . / I диап , P604=I_ном cdot раб.т. / I_диап,

где:
Iном – номинальный ток двигателя дробилки;
Iдиап – верхний предел диапазона датчика тока (в нашем примере 30А);
раб.т. — оптимальная загруженность двигателя в процентах (как правило, находится в пределах 80. 100% от номинального тока).

Верхнее значение аварийного сигнала ПИД-регулятора. Параметр определяет, при каком токе двигателя дробилки срабатывает сигнальная лампа. Определяется из номинального тока двигателя и диапазона измерения датчика тока.

Управление преобразователем частоты внешним переключателем.

Настраивается в случае, если запуск конвейера необходимо осуществлять с помощью внешнего переключателя

* — Зависит от параметров применяемого двигателя
** — Параметр настраивается в зависимости от объекта

Заключение

В описанном выше примере применение преобразователя частоты совместно с датчиком тока позволяет осуществлять точный контроль подачи материала, при этом:

  • повышается экономическая эффективность, так как исключается простой оборудования;
  • осуществляется дополнительная защита основного двигателя дробилки за счет остановки подачи материала;
  • уменьшается влияние человеческого фактора за счет автоматизации процесса.

В данной статье были рассмотрены три типовые примера применения датчиков тока Seneca T201 в процессах дробления, перемешивания и экструзии. Во всех рассмотренных случаях использование этих датчиков является оптимальным решением для контроля нагрузки электродвигателя.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Черемисин П.В.

Список использованной литературы:

  1. Руководство по эксплуатации. Преобразователь частоты EMD-MINI
  2. Паспорт. Датчик тока Т201
  3. Stephen J. Chapman: Electric Machinery Fundamentals. 5th edition. 2012.
  4. Ким В.С. Теория и практика экструзии полимеров. — М.: Химия, КолосС, 2005. — 568с.

Источник



Датчики электрического тока

Глобальные тренды — спрос на снижение выбросов CO2, повышение интенсивности энергосбережения — приводят к необходимости сбалансированного потребления энергии, для чего большую помощь могут оказать электронные схемы управления процессами. Наиболее распространённые случаи — это оптимизация эксплуатационных характеристик аккумуляторов, контроль скорости вращения двигателей и переходных процессов в серверах, управление солнечными батареями. Для операторов таких систем важно, в частности, знать, какой ток протекает в цепи. Неоценимую помощь в этом могут оказать датчики тока.

практика применения датчиков тока

Почему необходимы датчики тока

Датчиками называют блоки, задача которых измерить некоторый параметр, а потом, сравнив его с эталонным для данной технической системы значением, подать соответствующий сигнал на исполнительный элемент схемы. Поскольку большинство систем используют электродвигатели, то наиболее распространёнными типами являются датчики тока и напряжения (общий вид последнего представлен на следующем рисунке).

Широкое внедрение таких устройств обусловлено развитием сенсорных методов управления, когда исходный сигнал — электрический или оптический — преобразуется в необходимые параметры управления.

По сравнению в другими управляющими технологиями (например, контакторного контроля) датчики обеспечивают следующие преимущества:

  1. Компактность.
  2. Безопасность в применении.
  3. Высокую точность.
  4. Экологичность.

датчик напряжения в сборе

Малые размеры и вес часто позволяют изготавливать многофункциональные датчики, например, такие, которые могут контролировать несколько параметров цепи. Таковыми являются современные датчики тока и напряжения.

В состав таких детекторов входят:

  • Контактные группы входа;
  • Контактные группы выхода;
  • Шунтирующий резистор;
  • Усилитель сигнала;
  • Несущая плата;
  • Блок питания.

Идея того, что устройства можно подключать к уже имеющейся сети, не выдерживает проверку временем, ибо часто в экстремальных ситуациях (пожар, взрыв, землетрясение) именно системы встроенного электроснабжения первыми выходят из строя.

Детекторы подразделяют на активные и пассивные. Первые не только передают конечный сигнал на управляющий элемент, но и управляют его действием.

Классификация и схемы подключения

Датчики тока предназначаются для оценки параметров постоянного и/или переменного тока. Сравнение выполняется двумя методами. В первом случае используется закон Ома. При установке шунтирующего резистора в соответствии с нагрузкой системы на нём создаётся напряжение, пропорциональное нагрузке системы. Напряжение на шунте может быть измерено дифференциальными усилителями, например, токовыми шунтирующими, операционными или разностными. Такие устройства используются для нагрузок, которые не превышают 100 А.

Измерение переменного тока выполняется в соответствии с законами Ампера и Фарадея. При установке петли вокруг проводника с током там индуцируется напряжение. Этот метод измерения используется для нагрузок от 100 А до 1000 А.

Схема описанных измерений представлена на рисунке:

слева – измерение малых токов; справа - измерение больших токов

Измерение обычно производится при низком входном значении синфазного напряжения. При помощи чувствительного резистора датчик тока соединяется между нагрузкой и землей. Это необходимо, поскольку синфазное напряжение всегда учитывает наличие операционных усилителей. Нагрузка обеспечивает питание прибора, а выходное сопротивление заземляется. Недостатками данного способа считаются наличие помех, связанных с потенциалом нагрузки системы на землю, а также невозможность обнаружения коротких замыканий.

Для слежения работой мощных систем детектор присоединяют к усилителю между источником питания и нагрузкой. В результате непосредственно контролируются значения параметров, подаваемых источником питания. Это позволяет идентифицировать возможные короткие замыкания. Особенность подключения заключается в том, что диапазон синфазного напряжения на входе усилителя должен соответствовать напряжению питания нагрузки. Перед измерением выходного сигнала контролируемого устройства нагрузка заземляется.

Как функционирует датчик тока

Работа данного элемента включает следующие этапы:

  1. Измерение нагрузки в контролируемой схеме.
  2. Сравнение полученного значения с эталонным, которое программируется в процессе настройки.
  3. Фиксация полученного результата (может быть выполнена в цифровом или аналогом виде).
  4. Передача данных на панель управления.

Для выполнения указанных функций (в частности, реализации высокой точности измерений) к элементам детектора предъявляются следующие требования:

  • Допустимое падение напряжения на шунтирующем резисторе должно быть не более 120…130 мВ;
  • Температурная погрешность не может быть выше 0.05 %/°С и не изменяться во времени работы;
  • В функциональном диапазоне значений характеристики сопротивления резисторов должны быть линейными;
  • Способ пайки токочувствительных резисторов на плату не может увеличивать общее сопротивление схемы подключения.

Монтажные схемы устройств, которые предназначены для контроля цепей постоянного и переменного тока представлены соответственно на рисунках.

Подключение датчика постоянного тока

подключение датчика переменного тока

Практика применения

Чаще всего данные изделия используются как измерители в схемах токовых реле, которые управляют режимами работы различного электроприводного оборудования и предохраняют его от экстремальных ситуаций.

Токовые реле способны защитить любое механическое устройство от заклинивания или других условий перегрузки, которые приводят к ощутимому увеличению нагрузки на двигатель. Функционально они определяют уровни тока и выдают выходной сигнал при достижении указанного значения. Такие реле используются для:

  • Сигнала сильноточных условий, например, забитая зёрнами доверху кофемолка;
  • Некоторых слаботочных условий, например, работающий насос при низком уровне воды.

Чтобы удовлетворить требования разнообразного набора приложений, в настоящее время используется блочный принцип компоновки датчиков, включая применение USB-разъёмов, монтаж на DIN-рейку и кольцевые исполнения устройств. Это обеспечивает выполнение следующих функций:

  • Надёжную работу на любых режимах эксплуатации;
  • Возможность применения трансформаторов;
  • Регулировка текущих параметров, которые могут быть фиксированными или регулируемыми;
  • Аналоговый или цифровой выход, включая и вариант с коротким замыканием;
  • Различные исполнения блоков питания.

В качестве примера рассмотрим схему датчика тока для управления работой водяного насоса, обеспечивающего подачу воды в дом.

отключение питающего насоса датчиком тока при низком уроне воды в резервуаре

Кавитация — это разрушительное состояние, вызванное присутствием пузырьков, которые образуются, когда центробежный насос или вертикальный турбинный насос работает с низким уровнем жидкости. Образующиеся пузырьки затем лопаются, что приводит к точечной коррозии и разрушению исполнительного узла насоса. Подобную ситуацию предотвращает токовое реле.

Когда насос работает в нормальном режиме, и жидкость полностью перекрывает его впускное отверстие, двигатель насоса потребляет номинальный рабочий ток. В случае снижения уровня воды потребляемый ток уменьшается. Если кнопка запуска нажата, одновременно включаются стартёр M и таймер TD. Реле CD настроено на максимальный ток, поэтому его контакт при первоначальном запуске двигателя не будет замкнут. При падении силы тока ниже установленного минимума реле включается, а, после истечения времени ожидания TD, включается в его нормально замкнутый контакт. Соответственно контакты CR размыкаются и обесточивают двигатель насоса.

Применение такого детектора исключает автоматический перезапуск насоса, поскольку оператору необходимо убедиться в том, что уровень жидкости перед впускным отверстием достаточен.

Датчик тока своими руками

Если приобрести стандартный датчик (наиболее известны конструкции от торговой марки Arduino) по каким-то соображениям невозможно, устройство можно изготовить и самостоятельно.

датчик тока фирмы Arduino. Стрелкой указан USB-разъём

  1. Операционный усилитель LM741, или любой другой, который мог бы действовать как компаратор напряжения.
  2. Резистор 1 кОм.
  3. Резистор 470 Ом.
  4. Светодиод.

Общий вид устройства в сборе, сделанного своими руками, представлен на следующем рисунке. В данной схеме используется эффект Холла, когда разность управляющих потенциалов может изменяться при изменении месторасположения проводника в электромагнитном поле.

самодельный датчик тока

Видео по теме

Источник