Doktorska disertacija
Natančno širokopasovno izolirano merjenje toka v omreženih napravah
Ogledi: 5 | Prenosi: 7
Povzetek
Z vse bolj razširjeno uporabo naprav in procesov na električni pogon v našem vsakdanjem
življenju je potreba po natančnem merjenju električnih tokov v razponu 15 dekad od nA do
deset ali več sto kA neizogibna tako za obračunavanje in optimalnejšo distribucijo energije
kot tudi za delovanje in avtomatizacijo električnih naprav.
Povečanje potreb po meritvah je še posebej izrazito pri enosmernih (DC) sistemih zaradi
množičnega uvajanja obnovljivih virov energije, kot so vetrne in sončne elektrarne in
omrežni shranjevalniki energije, ter zaradi prehoda avtomobilske industrije na električno
mobilnost. Nekateri od teh sistemov potrebujejo visoko napetostno izolacijo in vrhnje tokove,
ki presegajo kA. Obstoječe standardne, kompaktne in cenejše rešitve za merjenje
enosmernih tokov skoraj nikoli ne dosegajo standardne merilne negotovosti pod 1%, predvsem
zaradi napak odmika in histerez; njihova pasovna širina je običajno v razponu do 250
kHz, polega tega pa imajo takšni merilniki tudi težave s šumom.
Glavni cilj te doktorske disertacije je bil torej zasnovati in karakterizirati novo metodo
za merjenje enosmernih in izmeničnih tokov v širokem frekvenčnem območju. Poseben
poudarek je bil na doseganju ključnih parametrov delovanja, kot so visoka natančnost,
preciznost, občutljivost, velika pasovna širina, nizka stopnja šuma in majhna temperaturna
odvisnost, in sicer s preprostejšo konstrukcijo v primerjavi s trenutno najboljšimi
izvedbami. V ta namen smo se osredotočili na uporabo enega samega magnetnega jedra
brez zračne reže, z nizko porabo energije in majhnimi končnimi dimenzijami, ki je primeren
tudi za omrežne naprave, ki tvorijo internet stvari.
V okviru doktorske disertacije smo najprej opravili pregled splošno uporabljanih metod
in principov merjenja toka s pripadajočimi prednostmi in pomanjkljivostmi. Razvili smo
potrebne modele magnetnih vezij za odprtokodno simulacijsko okolje ngspice, nadgrajeno
z Verilogom in neposredno simulacijo programskih algoritmov, pisanih v programskem jeziku
C. Na osnovi tega znanja in izpopolnjenih razvojnih orodij smo najprej zasnovali,
simulirali in potrdili nov osnovni element za magnetna vezja s tokovno nadzorovano spremenljivo
reluktanco CCVR (ang. current controlled variable reluctance), ki se uporablja
za spreminjanje amplitude ali smeri magnetnega fluksa in tako omogoča njegovo merjenje.
Ta element, sestavljen iz jedra brez zračne reže in posebnega navitja, v kombinaciji s krmilnim
elektronskim vezjem, tvori Platišev senzor magnetnega pretoka (ang. Platiše Flux
Sensor). Nov tip navitij in kompaktna izvedba zagotavljata majhne napake odmika in
histerezo, pasovno širino v razponu MHz, nizko porabo energije in nizkošumno delovanje.
Predlagani Platišev senzor magnetnega pretoka smo integrirali v funkcionalni prototip,
ki deluje po principu zaprto-zančne ničelne metode merjenja enosmernih tokov. Ta prototip
smo nato temeljito preizkusili, potrdili in okarakterizirali v referenčni merilni postavitvi.
Pokazali smo, da je nizkotokovni pretvornik z nazivnim dosegom 40 A izdelan na podlagi
nove metode v splošnem izkazal boljše delovanje v primerjavi s primerljivimi napravami,
ki temeljijo na alternativnih tehnologijah. Takšno delovanje smo z nadaljnjimi raziskavami
in razvojem z uporabo visoko permeabilnih in mehansko trdnejših materialov razširili tudi
na visoko zmogljive pretvornike z nazivnim dosegom do 2000 A.