Усунення впливу магнітних полів в електролічильник з імпульсними трансформаторами

1. Вступ
2. Вимоги по впливам магнітних полів на лічильники електроенергії
3. Нові вимоги до постійних магнітних полів
4. Деякі основи магнетизму
5. Магнітні властивості типових вимірювальних систем на основі 71M6541 / 71M6542 / 71M6543
6. імпульсні трансформатори
7. Інші магнітні компоненти
8. Методи боротьби з несанкціонованим спотворенням показань з використанням магнітів
9. Реєстрація подій
10. Розміщення компонентів, чутливих до магнітних полів
11. екранування
12. Використання альтернативних матеріалів для сердечників
13. моделювання екранів
14. без екранування
15. плоский екран
16. Екран П-подібної форми
17. замкнуте екран
18. Обмеження при моделюванні
19. випробування екранів
20. Випробування альтернативних матеріалів

2013

Вступ

Передісторія

Сімейство мікросхем лічильників електроенергії 71M6541 / 71M6542 / 71M6543 розроблено для застосування спільно з струмовими трансформаторами, традиційно використовуваними в одно- і багатофазних лічильниках, або з шунтирующими резисторами, що підключаються до ізолюючих інтерфейсів віддалених сенсорів. За допомогою малогабаритних недорогих імпульсних трансформаторів 71M6541 / 71M6542 / 71M6543 і 71М6545 через інтерфейс зв'язку з віддаленими сенсорами підключаються до 71M6601, 71M6103 або 71M6113.

Під впливом дуже сильних постійних магнітних полів сердечники в струмових трансформаторах (зазвичай використовуваних в багатофазних лічильниках електроенергії) входять в насичення, і вихідні сигнали трансформаторів виявляються нижче рівня, пропорційного протікає в мережі струму, що, відповідно, призводить до втрат при обліку комунальних послуг. Подібне насичення відбувається при високих значеннях струму, і його складно виявити.

Подібно своїм аналогам, струмовим трансформаторів, імпульсні трансформатори також можуть бути схильні до впливу зовнішніх магнітних полів. У гіршому випадку насичення веде до втрати магнітної проникності і переходу в стан низкоомной навантаження для драйверів електровимірювальних пристроїв. Це призводить до короткого замикання диференціальних драйверів і подальшої перевантаженні джерела живлення.

Відповідно, вимірювальні системи на основі мікросхем лічильників електроенергії 71M6541 / 71M6542 / 71M6543 і ізольованих АЦП 71M6601, 71M6103 або 71M6113, з'єднаних з шунтирующими резисторами, не мають повного імунітету до магнітних полів.

Слід зазначити, що для захисту від магнітних полів не існує єдиного рецепту на всі випадки життя. Кожна конкретна ситуація унікальна в залежності від того, чи діють змінні або постійні поля, занурений чи лічильник в магнітне поле або на нього впливає зовнішній магніт, чи забезпечує конструктив простір для переміщення трансформаторів від джерел полів.

Після короткого огляду вимог в частині впливу магнітних полів до лічильників електроенергії в статті дані основні визначення магнетизму. Також представлені методи зниження впливу: від найпростіших і найменш витратних способів до застосування методик екранування і трансформаторів на основі передових магнітних матеріалів.

Вимоги по впливам магнітних полів на лічильники електроенергії

Традиційно, як в стандарті ANSI, так і в EN / IEC, сказано, що лічильники електроенергії функціонують при відносно невеликих рівнях магнітних полів:

• В ANSI C12.1 (підрозділ 4.7.3.4) описуються випробування з котушкою Гельмгольца розмірами 1,83 × 1,83 м, що працює при змінному струмі 100 А. Цей стандарт допускає максимальне відхилення показань лічильника в Вт / год на ± 1%.
• В IEC 62053-11 (таблиця 8) встановлена ​​щільність змінного магнітного потоку в 0,5 мТл, яка створюється кільцевої котушкою з 400 ампер-витків.
• В IEC 62053-21 (розділ 8.2.4) встановлено вплив постійного магнітного потоку в 1000 ампер-витків (як зазначено в таблиці 11, для лічильників класу 1 допустима похибка реєстрації електроенергії до 2%).
• В EN 50470-1 обмовляється постійне магнітне поле 1000 ампер-витків і описується випробувальна котушка (або, що частіше, постійний магніт), яка при випробуваннях прикладається до всіх доступних поверхнях корпусу лічильника.
• В EN 50470-1 є посилання на EN 61000-4-8 для змінних магнітних полів (настільний обладнання, змінне магнітне поле на промисловій частоті).

Ці вимоги не нові і є результатом таких міркувань:

• У лічильниках можуть виникати похибки при роботі поблизу сільноточних ланцюгів змінного струму.
• Користувачі можуть несанкціоновано впливати на показання лічильника за допомогою постійних магнітів.

Умови випробувань варіюються від стандарту до стандарту, але можуть бути розділені на дві категорії:

• Метод занурення: при випробуваннях лічильник цілком поміщається в магнітне поле, створюване великий котушкою.
• Метод наближення: при випробуваннях джерело магнітного поля прикладається до поверхні корпусу лічильника.

Залежно від методу випробувань можна зробити висновки щодо того, як слід захищати лічильник від магнітних полів. Коли використовується метод наближення, геометричне місце розташування чутливих компонентів має велике значення. Навпаки, при методі занурення геометричне місце розташування чутливих компонентів не має великого значення, так як поле при випробуваннях буде впливати на всі частини лічильника.

Національні стандарти різних країн можуть містити деякі специфічні вимоги крім тих, що прописані в стандартах IEC і EN.

Нові вимоги до постійних магнітних полів

У зв'язку з появою дуже потужних постійних магнітів на основі рідкісноземельних матеріалів, які можуть бути використані для спотворення показань лічильників, на деяких ринках були введені більш суворі вимоги 1 . У німецькому лічильнику електроенергії EHz дуже строгі вимоги до магнітної стійкості поєднуються з малими фізичними розмірами конструктиву і з навіть збільшеною ступенем захисту від впливу магніту.

У таблиці 1 представлені приклади впливу, які можуть надавати постійні магніти на незахищені лічильники електроенергії. Наведені результати були отримані при роботі лічильника з трансформатором струму при наявності і відсутності постійного магнітного поля (яке створювалося тестовим магнітом відповідно до вимог РТВ, Німеччина) 2 . Таблиця демонструє значні похибки при великих значеннях струму як результат насичення сердечника.

Таблиця 1. Зміна величини струму при впливі постійного магнітного поля на струмовий трансформатор Струм, А Показання без впливу
магнітного поля, А Показання з впливом
магнітного поля, А Похибка,% 200 199,7 80 -60 100 99,8 25 -75 50 49,9 49,8 -0,2 10 9,99 9,99 0

З цієї причини струмові трансформатори, розроблені для застосування в сильних магнітних полях, часто мають екран від магнітних полів (що збільшує їх ціну) або замінюються на стійкі до магнітного поля трансформатори DC-tolerant CTs, що також збільшує витрати і негативно впливає на точність вимірювання фазових співвідношень при змінних значеннях струму і температури.

Деякі основи магнетизму

В електротехніці ми використовуємо термін - напруження, які викликають протікання струму через резистори в замкнутому ланцюзі. Можна провести аналогію при вивченні магнітних полів. Тут магніт (або котушка з протікає в ній електричним струмом) виступає в якості джерела напруги. Повітря або магнітні матеріали відіграють роль дискретних резисторів, а магнітний потік є еквівалентом електричного струму. Лінії магнітного поля, створювані на одному полюсі магніту, проникаючи через повітря або магнітний матеріал, повертаються до протилежного полюса магніту.

У таблиці 2 наведені деякі властивості магнітного поля і величини їх вимірювання.

Таблиця 2. Магнітні та електричні характеристики і одиниці виміру Характеристика Символ Розмірність Опис Постійний магніт - - Джерело постійного магнітного поля Напруженість поля Н А / м Величина поля, створюваного магнітом або струмом Відносна магнітна
проникність μr Провідність для магнітного потоку по відношенню
до проникності вакууму (μ0) Магнітний потік Ф Вб Еквівалент струму в електриці Залишкова намагніченість В Тл «Сила» постійного магніту Магнітна індукція,
щільність потоку В Тл В = Ф / А
(Потік на одиницю площі)

Для постійних магнітів лінії магнітного поля найбільш сконцентровані поблизу магнітних полюсів, і напруженість поля зменшується зі збільшенням відстані від полюсів (r). Згідно із законом у відносній близькості до магніту поле зменшується в залежності від відстані приблизно від 1 / r2 і до 1 / r3.

У вакуумі або повітрі індукція (В) пропорційна напруженості поля:

В = μ0 × Н.

Усередині магнітних матеріалів індукція залежить від їх відносної магнітної проникності і напруженості поля:

В = μ0 × μr × Н.

У цьому рівнянні μr сильно нелінійна і залежить від напруженості поля Н, матеріалу, температури і інших чинників. Для типових матеріалів, що застосовуються для магнітного екранування, значення μr може досягати 80 000 при збереженні лінійності. При високих значеннях напруженості поля μr знижується, і подальше збільшення напруженості не супроводжується зростанням індукції В, що і називається явищем насичення.

Постійні магніти зазвичай характеризуються розмірами, залишкової намагніченістю, коерцитивної силою і проникністю повернення.

У таблиці 3 наведені деякі параметри типового редкоземельного магніту невеликого розміру.

Таблиця 3. Параметри невеликого редкоземельного магніту Параметр Значення Опис Розміри, мм 40 × 18 × 12 Геометричні розміри Залишкова намагніченість, Тл 1,35 - Коерцитивна сила, А / м 1 × 106 - Проникність повернення 1,05 Порівнянна з проникністю вільного простору

Магнітні властивості типових вимірювальних систем на основі 71M6541 / 71M6542 / 71M6543

корпус лічильника

Лічильники електроенергії зазвичай мають пластмасові корпуси, через які легко проникають магнітні поля. Тому на практиці при аналізі магнітних явищ такі лічильники слід розглядати як взагалі безкорпусні.

В правильно сконструйованому лічильнику чутливі імпульсні трансформатори повинні розташовуватися якнайдалі від стін корпусу.

імпульсні трансформатори

Для стандартних завдань, тобто в умовах слабких магнітних полів, компанія Maxim рекомендує застосовувати імпульсні трансформатори з феритовими сердечниками спільно з вимірювальними мікросхемами для електролічильників 71M6541 / 71M6542 / 71M6543 і ізольованими АЦП 71M6601 / 71M6103 / 71M6113. Характеристики цих трансформаторів наведені в таблиці 4. Для уточнення даних про виробників і їх номенклатурі слід звертатися до дистриб'юторів компанії Maxim.

Можна виконати деякі основні розрахунки для типового імпульсного трансформатора з феритовим сердечником, описаним в таблиці 4. Магнітна індукція такого трансформатора при насиченні дорівнює 470 мТл. Струм через первинну обмотку буде створювати магнітну індукцію, яка повинна бути набагато менше індукції насичення, так щоб деяка додаткова індукція, створювана зовнішнім магнітним полем, не приводила до насичення сердечника.

Таблиця 4. Магнітні властивості типового імпульсного трансформатора Параметр Значення Коментарі Тип сердечника тороїда - Розмір сердечника (OD), мм 4,8 Зовнішній діаметр Розмір сердечника (ID), мм 2,3 Товщина тороида - 1,27 мм Початкова проникність 2700 При нульовій магнітній індукції
і кімнатній температурі Максимальна проникність 4400 При магнітної індукції 200 мТл
і кімнатній температурі Магнітна індукція при
насиченні, мТл 470 При кімнатній температурі

Для визначення індукції, пов'язаної з проходженням цифрових сигналів, спочатку розрахуємо напруженість поля, яка для тороїдального сердечника описується формулою:

H = (I × N) / (2πr),

де N - число витків в первинній обмотці; I - струм, створюваний драйверами 71M6541 / 71M6542 / 71M6543 / 71M6545; r - радіус тора.

Підставляючи значення I = 12 мА, N = 13 і r = 0,0024 м, отримаємо значення Н - 10,35 А / м.

Для визначення величини магнітної індукції, створюваної цієї напруженістю поля, можна застосувати криву намагнічування (для фериту даного типу), наведену на рис. 1. Індукція, відповідна напруженості 10,35 А / м, дорівнює 170 мТл, що означає теоретичний запас по індукції 470-170 = 300 мТл для полів, що створюються зовнішніми магнітами до настання насичення.

Малюнок 1. Крива намагнічування сердечника

Інші магнітні компоненти

При розробці «магнітоустойчівих» лічильників ми не повинні випустити з уваги той факт, що до складу цих приладів можуть входити деякі інші компоненти, піддані впливу магнітних полів. Прикладами таких компонентів є:

• Трансформатори та дроселі в джерелах живлення.
• Ферити, що застосовуються в ланцюгах придушення радіоперешкод.
• Трансформатори, що використовуються в схемах PLC.
• Трансформатори в ізолюючих ланцюгах.

Методи боротьби з несанкціонованим спотворенням показань з використанням магнітів

Для розробників лічильників можна одним із способів боротьби з магнітними перешкодами. Перераховані нижче методи наведені в порядку зміни їх собівартості та ефективності:

• реєстрація подій;
• грамотне розташування компонентів, чутливих до магнітних полів;
• магнітні екрани;
• використання трансформаторів з альтернативними матеріалами сердечників, які мають високу індукцію насичення.

Реєстрація подій

«Перша лінія захисту» від насичення трансформаторів зовнішніми магнітними полями - проста реєстрація собитій3. Фіксація зовнішнього магнітного поля може супроводжуватися різними заходами боротьби проти правопорушника - від правових методів до відключення від мережі (з використанням комутуючого пристрою) або штрафу за максимальними тарифами.

Для виявлення зовнішніх магнітів можна використовувати різноманітні способи. При виробництві приладів обліку застосовують такі методи захисту:

• Герконові реле. Ці мініатюрні реле мають феромагнітні контакти, які замикаються під впливом зовнішнього магнітного поля. Контакти зазвичай підключають до висновків I / O мікросхеми лічильника.
• Датчики на основі ефекту Холла. Ці аналогові датчики формують вихідну напругу, пропорційне прикладеному магнітному полю. Вихід датчика Холла зазвичай підключають до входу АЦП або компаратора мікросхеми лічильника.

Програмне забезпечення демонстраційних плат 71M6543F-DB і 71M6541F-DB дозволяє виявляти провали напруги живлення, пов'язані з насиченням трансформаторів, і реєструвати спроби несанкціонованого спотворення показань. Код допомагає розрізняти природні втрати потужності і втрати, зумовлені впливом штучно створеного магнітного поля, за наступними критеріями:

1. Втрата потужності пов'язана з отриманням відповідного сигналу від обчислювача (CE).
2. Втрата потужності, викликана несанкціонованим магнітним впливом і не пов'язана з провалами напруги. Виконання коду короткочасно буде переведено в аварійний режим brownout, зовнішні підключення будуть відновлені після переходу в робочий режим. Якщо вплив магнітного поля все ще присутній, буде встановлено «біт 0» в регістрі VSTAT [2: 0], і мікроконтролер зареєструє цю подію як спробу несанкціонованого втручання.

Розміщення компонентів, чутливих до магнітних полів

При випробуваннях методом наближення магніту, для випадків з найбільш жорстким магнітним впливом, слід враховувати розташування магніточутливих компонентів, таких як трансформатори та дроселі джерел живлення, а також імпульсних трансформаторів, які повинні розташовуватися якнайдалі від доступних поверхонь корпусу лічильника.

Раніше ми відзначили, що за законом у відносній близькості від магніту його поле послаблюється від 1 / r 2 до 1 / r 3. Звідси можна зробити висновок, що на відстані 2 см від магніту поле буде принаймні в чотири рази слабкіше в порівнянні з дистанцією в 1 см. Це відіграє особливу роль при забезпеченні захисту, коли простий метод реєстрації подій сам по собі не є достатньою мірою.

Іншим важливим моментом є орієнтація трансформаторів. Тороїдальний трансформатор більш схильний до дії магнітних полів, якщо до магніту звернена одна з плоских поверхонь його сердечника. На рис. 2 показані дві різні орієнтації сердечника. Варіант розташування зліва менш схильний до дії магнітного поля від магніту, зображеного вгорі.

Малюнок 2. Орієнтація ферритового сердечника трансформатора:
а) вертикальна; б) горизонтальна

екранування

Якщо вимоги до лічильників не обмежені реєстрацією подій, а можливості видалення імпульсних трансформаторів подалі від стінок корпусу обмежені, то для зменшення впливу зовнішнього магнітного поля можна використовувати екранування. Для економії екрануючого матеріалу слід встановити всі трансформатори в одному компактному місці на платі, яке потім і буде захищено екраном.

Ідея магнітного екранування полягає в тому, що при заданій напруженості поля його індукція буде максимальна в матеріалі з більш високою проникністю. Екранує матеріал буде «вбирати» магнітне поле (як губка вбирає воду), відводячи його від чутливих компонентів. Однак при досягненні певного рівня напруженості поля екран може насититися і не зможе зберегти пропорційність магнітної індукції напруженості поля. Важливо знати проникність і інші магнітні властивості екраніруемого компонентів. Так само як і матеріал, який використовується для екранування, ці компоненти будуть концентрувати в собі силові лінії магнітного поля, тому що проникність їх сердечників зазвичай набагато вище, ніж проникність повітря.

Слабкі магнітні поля можуть бути ефективно екрановані мю-металом, сплавом з високою відносною проникністю (зазвичай від 70000 до 80000). Багато виробників випускають такі матеріали у вигляді фольги або фольги з адгезивним шаром. Ці типи фольги легко ріжуться і вигинаються для отримання необхідної форми екрану при лабораторних випробуваннях. Після того як буде експериментально визначена оптимальна конструкція екрана, можна використовувати штампування для формування екрану у вигляді короба або кришки.

При експериментах з магнітними екранами корисно дотримуватися деяких вказівки, а саме:

• Екрани краще працюють, коли їх кути не гострі, а плавно вигнуті.
• При виготовленні екрана з декількох частин фольги слід передбачити їх перекриття в місцях стиків.
• Подвійний або потрійний екран з зазором між шарами працює краще, ніж одиночний екран вдвічі або втричі більшої товщини. Для поділу екранують шарів між собою потрібно використовувати папір або пластик.

Ефективність екранування обмежена, особливо при впливі сильних магнітів. На практиці екранують матеріали з високою проникністю мають властивість насичуватися раніше і з цієї причини втрачати свої екранують властивості. Для екранування від сильних магнітних полів слід розглядати маловуглецевої (м'яку) сталь або інші матеріали. Однак ефективне екранування можливо тільки при використанні великого обсягу екрануючого матеріалу, що робить лічильник важким і дорогим.

Використання альтернативних матеріалів для сердечників

Феритові сердечники стандартних імпульсних трансформаторів насичуються при 450-500 мТл. Такі трансформатори є хорошим вибором при роботі в слабких зовнішніх магнітних полях, коли є можливість використовувати реєстрацію подій або розміщення лічильника і (або) його екранування забезпечує хороший результат.

Але не всім сценаріями зовнішніх магнітних впливів здатні протистояти подібні трансформатори. Іноді проти величезних і потужних магнітів єдино ефективним засобом протидії є трансформатор з сердечником з великою індукцією насичення. Компанія Maxim співпрацює з виробниками трансформаторів для пошуку найбільш придатних матеріалів для сердечників, що забезпечують хороше поєднання електричних і магнітних властивостей, а також собівартості.

В результаті інтенсивних досліджень були відібрані два матеріали для сердечників - MPP і Hi-Flux.

Для уточнення даних про виробників і їх номенклатурі слід звертатися до дистриб'юторів компанії Maxim.

Деякі результати випробувань представлені в розділі «Випробування альтернативних матеріалів».

моделювання екранів

Моделювання екранів виконувалося за допомогою симулятора магнітних взаємодій Vizimag 2-D. При цьому використовувалися моделі екранують пластин товщиною 1 мм з проникністю 80000.

без екранування

Без екранування силові лінії магнітного поля пронизували друковану плату, як повітря, і створювали магнітну індукцію 92 мТл в центрі і 75 мТл на відстані 15 мм (рис. 3).

Малюнок 3. Магнітне поле без екранування

Важливо відзначити, що наведені результати (92 або 75 мТл) ні повторені при наявності в даному магнітному полі сердечника трансформатора. Феритове осердя, володіючи порівняно високою проникністю, буде «всмоктувати» в себе лінії магнітного поля. Це призведе до створення в ньому набагато більшою індукції, ніж значення, отримані при моделюванні на повітрі.

плоский екран

Плоский екран знижує індукцію незначно. Введення екрану шириною 40 мм з проникністю 80000 і товщиною 1 мм зменшує індукцію до 40 мТл в центрі і до 57 мТл на відстані 15 мм від центру. Ефект екранування можна оцінити по відстані між силовими лініями (рис. 4), яке приблизно в два рази більше, ніж у моделі, представленої на рис. 3.

Малюнок 4. Магнітне поле з плоским екраном

Переміщення екрану вгору або вниз не змінює істотно індукцію на поверхні друкованої плати. Цікаво, що товщина екрана із мінімальним впливом на індукцію.

Екран П-подібної форми

Загинання країв екрану вниз для надання йому П-подібної форми (рис. 5) зменшує індукцію до 25 мТл в центрі і до 29 мТл на відстані 15 мм від центру. Силові лінії прагнуть рухатися по мю-металу і проникають в друковану плату тільки в двох місцях.

Малюнок 5. Магнітне поле з П-образним екраном

Подальше вдосконалення можливо за рахунок подовження стінок екрану. На рис. 6 показано розподіл силових ліній магнітного поля при використанні П-образного екрану зі стінками довжиною 12 мм. Силові лінії прагнуть уникнути попадання в порожнину під екраном і залишають мю-метал на самих краях стінок екрану. Цей прийом дозволяє зменшити індукцію до 15 мТл в центрі і до 12 мТл в 15 мм від центру друкованої плати. У порівнянні з варіантом без екрану в даному випадку досягнуто шестиразове зменшення індукції.

Малюнок 6. Магнітне поле з екраном з подовженими бічними стінками

Відзначимо, що при зазначеному варіанті екран вставляється в друковану плату, а значить, в ньому потрібно робити пази.

Після того як було досягнуто значне зменшення індукції в сердечниках за рахунок екранування, результати були перевірені шляхом введення в модель тороїдальних трансформаторних сердечників з фізичними характеристиками, наведеними вище (рис. 7).

Малюнок 7. Магнітне поле з екраном з подовженими бічними стінками і трансформаторними сердечниками

Результати моделювання показують, що максимальна індукція в сердечниках досягає 2 мТл, і це набагато нижче порога насичення. Для порівняння, індукція в сердечниках без екрану досягає 200 мТл, що близько до максимального значення відповідно до встановленого раніше допуску (рис. 8).

Малюнок 8. Магнітне поле без екрану з трансформаторними сердечниками

замкнуте екран

Досягти найкращих результатів можна при екранування з усіх боків захищається вузла. Через проблеми конструювання і забезпечення електричної ізоляції це може виявитися непрактичним, але у виняткових випадках може бути єдиним методом. Двомірне моделювання показує величину індукції 1,6 мТл в сердечниках, розміщених всередині замкнутого екрана (рис. 9).

Малюнок 9. Магнітне поле з екраном з сердечниками, поміщеними в замкнутий екрані

Обмеження при моделюванні

Прості програми моделювання, застосовані для отримання представлених вище результатів, мають обмеження, а саме:

• Двовимірна: немає даних щодо третього виміру.
• Характеристики тороідов неможливо уявити точно по їх орієнтуванні в просторі. Як видно на ілюстраціях, осі тороідов перпендикулярні поверхні паперу (вісь Z). При звичайному монтажі трансформаторів на друковану плату осі тороідов були б спрямовані паралельно папері (вісь Y).
• Найважливіше: екранує матеріал буде насичуватися поблизу сильних магнітів і з цієї причини втрачати свої екранують властивості.

Ці обставини не дозволяють точно на основі моделювання передбачити поведінку екранів в реальних умовах. У разі якщо необхідна більш висока точність моделі, необхідно застосовувати програми тривимірного моделювання.

Крім того, екранування ускладнюється наступними обставинами:

• Магнітні матеріали є провідниками.
• На трансформаторах часто присутня висока напруга.
• Для екранування краще застосовувати тривимірні конструкції.
• Слід дотримуватись вимог по зазорам і протяжності шляхів витоку для високовольтних ланцюгів.

В реальних умовах розробник буде прагнути розміщувати металеві конструкції подалі від імпульсних трансформаторів. Це обмежує застосовність екранів тими областями, що знаходяться далеко від імпульсних трансформаторів. Той факт, що трансформатори краще працюють, коли розміщені всередині тривимірної екранує конструкції, також означає, що на фізичні конструкції накладені обмеження: вони не можуть перетинати друковані плати.

випробування екранів

Випробування екрану лічильника EHz

Випробування були проведені з типом корпусу, вельми схожим з корпусом однієї з моделей лічильника серії EHz (Німеччина).

Цей корпус має довжину 135 мм, ширину 90 мм і висоту 80 мм. Подібні малі розміри ускладнювали задачу проектування для розробників, так як магнітні компоненти не можна було розмістити далі ніж в 45 мм від зовнішніх стінок корпусу (рис. 10).

Малюнок 10. Розміри корпусу лічильника EHz з місцем розташування трансформаторів

При випробуваннях використовувався стандартний магніт PTB, зазначений в специфікації на лічильник EHz: згідно з технічними умовами FNN Lastenheft EDL магнітна індукція на доступній поверхні корпусу лічильника, коли він встановлений в робоче положення, повинна становити 380 мТл. Рекомендований метод випробувань передбачає використання магніту з матеріалу Nd2Fe14B 280/167 відповідно до стандарту IEC 60404-8-1 із залишковою намагніченістю 1200 мТл (при розмірах 75 × 50 × 25 мм), який прикладається «широкої стороною», тобто майданчиком 75 × 50 мм , безпосередньо до корпусу лічильника.

На рис. 11 показаний найгірший сценарій, при якому магніт прикладений до корпусу лічильника збоку.

Малюнок 11. Розміри корпусу лічильника EHz з місцем розташування трансформаторів

Після установки на чотирьох сторонах корпусу листів сталі товщиною 0,75 мм (рис. 12а) трансформатори можна було розмістити у вузькій зеленій області по поздовжній осі корпусу (якщо дивитися на корпус зверху). Трансформатори при цьому «заховані» на глибину більше 48 мм від верхньої стінки корпусу для виключення магнітного взаємодії.

Малюнок 12. Корпус EHz:
а) з одношарової екрануванням; б) з двошаровою екрануванням

При використанні двошарового екранування з товщиною екранують шарів 0,75 мм, розділених між собою пластиковою плівкою товщиною 0,2 мм зсередини корпусу (рис. 12б), трансформатори можна було розмістити на великій зеленій майданчику (якщо дивитися на корпус зверху). І в цьому випадку трансформатори «заховані» на глибину понад 48 мм від верхньої стінки корпусу. Подвійне екранування збільшує вагу лічильника, але ціна використовуваних матеріалів залишається помірною. Однак можливості розміщення трансформаторів обмежені, що не дозволяє розробнику бути повністю вільним у виборі місця для них.

Випробування альтернативних матеріалів

Були випробувані зразки трансформаторів з сердечниками на основі MPP, Hi-Flux і Sendust, надані виробниками магнітних матеріалів, які співпрацюють з компанією Maxim. Попередні випробування показали, що допустима відстань до магніту PTB може бути зменшено на 50% в порівнянні з відстанню для стандартних феритових сердечників.

Трансформатори з сердечниками з трьох різних матеріалів були закріплені на демонстраційній платі 71M6543F-DB і піддані впливу магніту PTB. При випробуваннях відстань від трансформаторів, на якому був встановлений магніт, змінювали (рис. 13). Магніт також переміщували по вертикалі (від 0 до 10 мм). Випробування проводилися при різних значеннях струму навантаження і дистанції.

Малюнок 13. Випробування лічильника з зовнішнім магнітом PTB

Результати виявилися хорошими для сердечників з матеріалів Hi-Flux і MPP, навіть коли випробувальний магніт розташовувався на відстані всього 17 мм від трансформаторів (рис. 14). Для порівняння, звичайний феритовий трансформатор насичувався, коли магніт PTB знаходився на відстані 40 мм від нього.

Малюнок 14. Залежність похибки вимірювань від відстані до магніту PTB і струму навантаження:
а) з сердечником MPP; б) з сердечником Hi-Flux

1. Як приклад, див. Вимоги з специфікації на продавані в Німеччині лічильники Lastenheft EDL з описом впливу магнітом розмірами 75 × 50 × 25 мм із залишковою намагніченістю 1200 мТл, який прикладають до зовнішніх поверхонь корпусу лічильника при випробуваннях.
2. Вимірювання виконувалися за допомогою токового трансформатора на 200 А і випробувального магніту PTB розмірами 75 × 50 × 25 мм із залишковою намагніченістю 1200 мТл, який розташовувався на відстані 30 мм від токового трансформатора.
3. Специфікація Lastenheft EDL (Німеччина) обумовлює наявність в складі лічильників електроенергії магнітних датчиків для реєстрації впливу зовнішнього магнітного поля з сигналізацій.

Завантажити статтю в форматі PDF

повідоміті про помилки