Проектирование измерительного преобразователя тока в напряжение на основе трансформатора тока и операционного усилителя

КУРСОВАЯ РАБОТА на тему «Проектирование измерительного преобразователя тока в напряжение на основе трансформатора тока и операционного усилителя»

Исходные данные

Спроектировать измерительный преобразователь тока в напряжение на основе трансформатора тока и операционного усилителя (ОУ).

Разработать и описать схему, исследовать погрешность, вносимую трансформатором тока.

Пояснительную записку оформить в соответствии с действующими стандартами.

Исходные данные для расчёта трансформатора тока:

— превичный ток 0 — 5А,

— вторичнй ток 2 мА,

— напряжение на входе ОУ 0 — 10 В,

— сопротивление нагрузки не менее 2 кОм,

— погрешность не более 0,2%

— чатсота 50 ± 10% Гц,

— сталь 80 НХС

Последние годы характеризуются широким внедрением в энергетику и другие отрасли хозяйства полупроводниковой техники, которая всё чаще реагирует на мгновенные значения токов и напряжений, что выдвигает новые требования к трансформаторам и другим устройствам автоматики. Возрастание требований к точности измерений тока и напряжения в энергетике связано также с ростом единичной мощности энергоблоков, с увеличением уровня передаваемой мощности и с повышением сложности задач решаемых автоматикой. Особенно актуальна задача оптимизации промежуточных трансформаторов, устройств ввода тока и напряжения в современные измерительные преобразователи (ИП), где эти трансформаторы по погрешностям и габаритным размерам являются определяющими.

Измерительным преобразователем (ИП), согласно ГОСТу, называется средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Выходным сигналом в аналоговых ИП может быть постоянный ток или напряжение, частота и ряд других информативных параметров. В цифровых преобразователях выходным сигналом является код. Все используемые сейчас в энергетике измерительные преобразователи мощности имеют токовый выходной сигнал ±5 мА.

На выбор структуры ИПАМ и схемных решений существенно влияет частота сигналов контролируемой цепи. Для энергетических преобразователей номинальная частотa входных сигналов 50 Гц, а максимальное отклонена от этого значения ±5 Гц. Входные сигналы ИПАМ не содержат постоянной составляющей и являются выходными сигналами высоковольтных измерительных трансформаторов тока (ВТТ) и напряжения (ВТН), имеющих стандартные номинальные значения выходных сигналов 100 В для ВТН и 1 или 5 А для ВТТ.

К ВТТ и ВТН подключается значительное количество измерительных преобразователей и устройств защиты и автоматики, в силу чего схемы всех подключаемых устройств должны обеспечивать гальваническую развязку выходных и входных цепей, а также входных цепей между собой.

1. Устройства ввода тока

Устройства ввода тока. Использование ПТТ в качестве УВТ в течение многих лет было оправдано малой мощностью, потребляемой от ВТТ, так как первичная обмотка ПТТ представляет собой один виток, продетый в окно сердечника. При переходе к микроэлектронной элементной базе резко уменьшился вторичный ток, а значит, возросло число витков вторичной обмотки. При этом габаритные размеры ПТТ уменьшились мало, поскольку сечение вторичной обмотки невозможно неограниченно уменьшать, возросла индуктивность рассеяния которую трудно точно оценить. Кроме того, появилась проблема ввода вторичною тока ВТТ в ИПАМ через разъем к ПТТ, расположенному па печатной плате. Простое решение, изображенное на рис. 1.1, а, не имеет преимуществ по сравнению с представленным на рис. 1.1, б, так как согласно расчетам минимум погрешности при этом же сердечнике ПТТ имеет место при и, т. е. в схеме рис. 2.1.1, б.

Рис. 1.1 Схемы УВТ В результате определенное время в СССР (Ф5139) и за рубежом в основном использовалось решение по схеме рис. 1.1, в, где применен шунт с параллельным ПТН. Шунт с сопротивлением 0,02−0,1 Ом крепится на задней стенке ИПАМ, и внутрь ИП к ПТН, расположенному на печатной плате, подводится напряжение шунта. Присоединение токовых цепей ВТТ к шунту осуществляется винтами и доступно наблюдению. ПТН может быть выполнен на сколь угодно малый вторичный ток, и при тех же габаритах, что и ПТТ, его погрешность значительно меньше. Расположение шунта на задней стенке ИПАМ приводит к более быстрому установлению теплового режима внутри корпуса, так как основной источник тепла находится вне ИП. Шунт изготовляется из манганина и может быть выполнен очень стабильным. Ряд заводов имеет большой опыт изготовления стабильных шунтов для измерительных приборов, разнообразных мостов и потенциометров. Однако решение по рис. 1.1, в. не идеально. Его использование увеличивает потребление от ВТТ. Так, в Ф5139 при номинальном токе и сопротивлении шунта 0,1 Ом оно составляет 2,5 Вт на фазу. Усложнился при таком решении переход к другому номинальному значению первичного тока. При переходе к одноамперным ВТТ должен использоваться шунт с сопротивлением 0,5 Ом, чтобы не изменять параметры ПТН.

С повышением надежности и снижением стоимости интегральных ОУ появилась возможность решения проблем построения УВТ и повышения их качества. На рис. 1.2 представлена схема УВТ, в которой осуществляется электронная компенсация погрешностей ПТТ. Причиной погрешности трансформатора тока является конечное значение тока намагничивания, определяемое значением .

Рис. 1.2 Схема УВТ c электронной компенсацией погрешностей ПТТ.

Если уменьшить при неизменных параметрах ПTT, уменьшится погрешность. Максимальное значение связано монотонной зависимостью максимальной индукцией в сердечнике. Следовательно, уменьшая последнюю, мы снижаем погрешность. В пределе справедливо такое утверждение: если ток подбирать так, что точно равно в любой момент, то и погрешность ПТТ отсутствует. Эта идея реализована в схеме рис. 1.2

Если первичные ампер-витки не точно равны вторичным, сердечник ПТТ начинает перемагничиваться и на обмотке появляется напряжение, которое усиливается ОУ. Это приводит к такому изменению тока, что напряжение на обмотке уменьшается. При значительном усилении и широкой полосе пропускай ОУ напряжение на обмотке очень мало и достаточно точно выполняется условие

(1.1)

напряжение преобразователь фильтр трансформатор Основные преимущества схемы рис. 1.2 очевидны. Высокая точность обеспечивается даже при сердечниках ПТТ из низкокачественных ферромагнитных материалов, что позволяет использовать дешевые и технологичные ферритовые сердечники горшкообразной конструкции. Со стороны выхода УВТ (рис. 1.2) сохраняет свойства источника тока как и схема рис. 1.2, б, в отличие от схемы рис. 1.2 в. Последнее свойство позволяет включать на выходе УВТ нелинейные сопротивления без увеличений погрешности. Например, при коммутации выходного тока ключами их сопротивление не влияет на точность преобразования. В схеме рис. 2.2 вновь возникает проблема соединения ВТТ с ПТТ. Все чаще один измерительный элемент используется для выполнения нескольких различных функций. Одновременно преобразуются активная и реактивная мощность, ток, измеряется его направление и т. д. В схеме рис. 1.2.в, к выходу ПТН, а в схеме рис. 1.2 к выходу ОУ можно подключить параллельно входы нескольких независимых ИП, взаимно влияние которых очень мало из-за низкого выходного сопротивления ОУ и ПТН.

УВТ с электронной компенсацией пока не использовались в промышленных отечественных ИПАМ, но решения уже заложены в новых разработках.

2. Фильтр низких частот

Активные фильтры находят широкое применение в измерительной аппаратуре. При построении активных фильтров возможны два подхода. Во-первых, можно использовать классическую теорию LC-фильтров, но вместо реальных катушек индуктивности применять так называемые схемные индуктивности. Во-вторых, южно сразу проектировать фильтры без индуктивности. Второй подход обеспечивает получение более компактных устройств, поэтому он применяется гораздо чаще.

Активные фильтры состоят из ОУ, работающих в линейном режиме, и пассивных элементов. Передаточные функции таких цепей представляют собой отношение двух операторных полиномов. Апроксимация характеристик активных фильтров сводится к выбору таких коэффициентов этих полиномов, которые обеспечивают наилучшее в том или ином смысле приближение к желаемым амплитудно-частотной (АЧХ) или фазо-частотной (ФЧХ) характеристикам фильтра.

Наиболее широко применяются следующие типы активных фильтров, отличающиеся друг от друга подходом к нахождению наилучшей аппроксимации: фильтры Баттерворта, Чебышева, инверсный Чебышева, эллиптический, Бесселя.

Идеальный фильтр нижних частот (ФНЧ) пропускает с одинаковым коэффициентом (равным, например, единице) колебания, частота которых лежит в диапазоне от нуля до некоторой частоты среза. Вне этого частотного диапазона идеальный фильтр имеет коэффициент передачи, равный нулю. Однако идеальный фильтр физически нереализуем.

3. Унифицирующее устройство выходного сигнала ИПАМ

Выходные сигналы всех ИП, должны удовлетворять требованиям ГОСТа, т. е. должны быть унифицированы. Для ИП, выходным информативным параметром которых служит среднее значение напряжения или тока, применяются в основном следующие унифицированные сигналы: напряжение ±10 В при нагрузке 2 кОм, ток ±5мА при нагрузке 0−2 кОм и ток ±1мА при нагрузке 0−10 кОм. Однако от ИП, используемых в энергетике, и частности для ИПАМ, часто требуется большая нагрузочная способность. Преобразователи с выходом по напряжению должны допускать уменьшение сопротивления нагрузки до 1−0,5 кОм, преобразователи с токовым выходом 5 мА должны допускать увеличение сопротивления нагрузки до 2,5−3 кОм.

Для унификации выходных сигналов ИПАМ применяются выходные унифицирующие усилители (УУ), которые строятся на ОУ. В ранних выпусках ИПАМ, например Е728, первых выпусках Е748, унифицирующие усилители строились на дискретных элементах. В настоящее время УУ всех выпускаемых ИПАМ (Е748, Е 829, Ф 5139, ИПАМ-301) строятся на основе интегральных ОУ.

Выходной сигнал ИПАМ с выходом по напряжению унифицируется с помощью инвертирующего усилителя или неинвертирующего усилителя. Применение первого предпочтительнее, так на нем проще осуществить суммирование выходных сигналов множителей ИПАМ, однако инвертирующий усилитель нагружает множители. Неинвертирующий усилитель целесообразно использовать, если МУ ИПАМ имеют высокое выходное сопротивление, но в этом случае затруднено суммирование их выходных сигналов. Коэффициент усиления УУ выбирают из условия обеспечения выходного напряжения равным нормирующему значению сигнала ГОСТ при номинальных входных сигналах ИПАМ. Если нагрузочная способность ОУ (5 мА) оказывается недостаточной, применяют умножающие каскады на основе эмиттерных повторителей.

В большинстве случаев в ИПАМ требуется получение унифицированного токового сигнала преимущественно с выходным током 5 мА.

Для получения унифицированного токового сигнала используются преобразователи напряжение-ток (ПНТ). Простейшим ПНТ может служить инвертирующий усилитель на ОУ, если считать, что цепь обратной связи ОУ является выходной цепью ПНТ, а резистор — нагрузочным резистором. Действительно, ток в цепи обрати связи ОУ не зависит от сопротивления цепи обратной связи и определяется только входным током, равным . Эта схема позволяет легко суммировать входные сигналы, ток нагрузки в этом случае

| (3.1)

но имеет низкий коэффициент усиления по току, равный 1. Для увеличения последнего применяют схему рис. 3.16. Здесь нагрузка включена между выходом ОУ, и средней точкой делителя, образованного резисторами,. Ток нагрузки для этой схемы определяется выражением

(3.2)

При надлежащем выборе отношения выходной ток может намного превышать входной ток

4. Расчёт устройства ввода тока, выполненного на промежуточном трансформаторе тока

Рассчитываем сечение первичной обмотки _.

Сечение провода определяется максимальным действующим значением длительно протекающего в обмотке тока и допустимой плотностью тока:

=;

т. к., а ,

то ;

Таблица 1 — Параметры тороидального сердечника

Количество витков первичной обмотки: W₁= 1

Первичный виток проходит снаружи вторичной обмотки в технологическом отверстии тороидального сердечника, а остальное место в окне сердечника целесообразно полностью заполнить вторичной обмоткой. Откуда сечение провода вторичной обмотки определяется из условия заполнения окна сердечника обмоткой:

(2)

где k_m=0.2%.

Количество витков вторичной обмотки определяется по формуле:

(3)

Длина меди определяется по формуле:

; (4)

габаритные размеры магнитопровода и находим из таблицы параметров тороидальных сердечников (Таблица 1);

— коэффициент укладки, находим из соответствия сечения провода из меди и коэффициента укладки по таблице параметров обмоточных проводов стандартного сечения (приложение 3).

Амплитуду номинальной индукции находим из выражения

(5)

где ;

.

Определяем максимальное значение погрешности по формуле:

. (6)

Для получения значения погрешности в процентах, рассчитанное значение необходимо умножить на. Таким образом конечная формула для значения фазовой погрешности примет вид:

(7)

При этом должно выполняться условие, что расчетная погрешность должна быть меньше допустимой (заданной), но максимальной из рассчитанных по принятым типоразмерам сердечника.

Т.е.. (8)

Функцию для стали 80НХС находим по формуле:

(9)

Рассмотрим несколько вариантов расчетов типоразмеров сердечника:

— сердечник ОЛ20/25−5:

Определяем длину меди по формуле (4):

Амплитуду номинальной индукции находим по формуле (5):

Функцию для стали 80НХС найдем из формулы (9):

%

— сердечник ОЛ20/28−5:

Амплитуду номинальной индукции находим по формуле:

Функцию для стали 80НХС найдем из формулы (9):

%

— сердечник ОЛ22/30−5:

Амплитуду номинальной индукции находим по формуле:

Функцию для стали 80НХС найдем из формулы (9):

%

Выполним проверку условия (9):

Таким образом, из выше перечисленных данных и заданного условия (9) можно сделать вывод что поставленным требованиям удовлетворяют все 3 рассмотренных типоразмера сердечника: ОЛ1/25−5, ОЛ20/2−5 и ОЛ22/30−5; но исходя из экономических соображений мы выбираем типоразмер ОЛ20/25−5.

Заключение

В данной курсовой работе мы спроектировали измерительный преобразователь тока в напряжение на основе трансформатора тока и операционного усилителя.

Разработали структурную и принципиальную схеме измерительного преобразователя тока в напряжение более подробно ознакомились с принципом действия рассматриваемого устройства. Произвели расчёт измерительного трансформатора тока.

В теоретической части рассмотрены элементы, которые входят в состав преобразователя тока в напряжение.

В результате расчёта промежуточного трансформатора тока мы пришли к выводу мы пришли к выводу, что нам необходим тороидальный сердечник ОЛ 20/25−5, т. к. он удовлетворяет всем необходимым требований (вносимая погрешность не более 0,2%).

Используемые источники информации

1. Кизилов В. У. Проектирование измерительных трансформаторов тока и напряжения, трансформаторов и дросселей переменного тока устройств автоматики энергосистем. Харьков, ХПИ, 2000.

2. Кизилов В. У., Максимов В. М., Смилянский И. И. Измерительные преобразователи активной мощности энергообъектов. Высшая школа, 1983.

3. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — М.: Энергия, 1988.