Измерительные преобразователи больших постоянных токов на основе закона полного тока в дискретной форме

Измерение больших постоянных токов (БПТ) составляет одну из важных проблем современной электроизмерительной техники. Постоянные токи широко используются в системах электроснабжения железнодорожного и городского электрифицированного транспорта, в радиотехнических и электронных устройствах, в системах электропривода. С их помощью производится контроль режимов работы электроустановок и решаются задачи управления этими режимами. Поэтому задача их измерения остается актуальной и в наше время. Это объясняется, во-первых, увеличением объемов потребления и значений токов, а во-вторых, возрастающими требованиями к точности измерения таких токов.

Следует отметить, что для современного уровня техники характерным является развитие энергосберегающих технологий и в отношении рассматриваемой в работе задачи здесь можно выделить два аспекта:

— экономия ресурсов при более правильном ведении технологических процессов, использующих БПТ, что часто выливается в проблему повышения точности измерения;

— экономия ресурсов при создании устройств для измерения БПТ.

Получение информации о больших токах связано с особыми трудностями, поскольку их непосредственное измерение невозможно. Это предполагает использование промежуточных устройств — измерительных преобразователей (ИП), задачей которых является представление информации в наиболее удобном для использования (в данном случае — измерения) виде. Причем измерительная процедура невозможна без таких преобразователей и в этом смысле можно считать, что они используются для измерения соответствующих величин.

Как известно, точность получения информации и степень выполнения требуемых задач (в частности задач по экономии ресурсов) в значительной степени определяется уровнем погрешностей и других характеристик ИП, что делает актуальным поиск путей дальнейшего совершенствования таких устройств, тем более что известные решения часто не дают желаемых результатов.

Этой проблеме посвящены работы Разина Г. И., Щелкина А. П., Спектора С. А., Семенко Н. Г., Гамазова Ю.А.

Также очень важной задачей является необходимость совершенствования системы метрологического обеспечения измерений БПТ, поскольку в отраслях, использующих такие токи, потребляется значительная часть всей вырабатываемой энергии. Несмотря на наличие значительного количества разработок устройств для измерения БПТ, состояние указанной системы далеко от удовлетворительного. В первую очередь это относится к областям, где используются токи свыше 35 к А. Указанная проблема вызвана следующими причинами: особенностями исполнения и эксплуатации цепей БПТособенностями используемых ИПотсутствием сети специальных поверочных лабораторий и отсутствием переносных образцовых преобразователей БПТ, которые допускают проведение поверок стационарных измерительных систем в рабочем режиме без их демонтажа.

В итоге неудовлетворительное состояние системы метрологического обеспечения измерений БПТ в целом сводит на нет все попытки совершенствования прецизионных ИП на основе путей, по которым часто идут исследователи и которые приводят к одному и тому же результату: в лучшем случае разработанное устройство проходит испытания и используется какое-то время, но поскольку оно не вписывается в систему метрологического обеспечения, то по прошествии этого времени доверие к его показаниям пропадает, а возможности проведения очередной поверки отсутствуют. В итоге ИП так и остается опытным образцом, интерес заводов на предмет его производства исчезает, даже когда при испытаниях получены обнадеживающие результаты.

Целью работы является совершенствование принципов построения средств измерения больших постоянных токов на основе дискретного способа измерений и процедуры их поверки, что позволило бы повысить точность измерений и улучшить технико-экономические показатели устройств для измерения БПТ.

Поставленная цель определила следующие основные задачи исследования.

1. Анализ современных решений в области измерений БПТ.

2. Исследование методических погрешностей измерения токов при использовании закона полного тока.

3. Анализ современных решений в области измерения параметров магнитного поля (магнитной индукции).

4. Рассмотрение вопросов, относящихся к непрерывным функциям и их представлению в виде совокупных дискрет.

5. Разработка устройств для измерения магнитной индукции и создания на их основе измерительных преобразователей больших постоянных токов (ИПБПТ).

Методы исследований базировались на теории электрических цепей, теории электромагнитного поля. Применялись классические разделы математического анализа, методы дискретной математики. Проверка основных выводов проводилась посредством компьютерных экспериментов.

Структура диссертации.

В первой главе проведен анализ достижений в области измерений БПТ, рассмотрены особенности измерения БПТ.

Вторая глава посвящена теоретическим основам измерения больших постоянных токов на основе закона полного тока в дискретной форме. Предложен, в частности, метод для определения оптимального числа измерительных элементов, что позволяет значительно упростить процедуру выбора количества датчиков при заданной погрешности.

В третьей главе рассмотрены вопросы, относящиеся к дискретизации и восстановлению непрерывных функций. Сформулирована теорема о связи количества дискрет функции и ее рядом Фурье. Предложены способ измерения эффективного значения напряжения и способ определения количества гармоник несинусоидального сигнала. Рассмотрены известные экстрематоры напряжения и предложены новые схемы таких устройств.

В четвертой главе разработана обобщенная классификация датчиков магнитной индукции, рассмотрены существующие измерительные элементы (ИЭ) и ИПБПТ на их основе.

Пятая глава посвящена вопросам практической реализации и поверки ИПБПТ. Разработан измерительный преобразователь БПТ с улучшенной помехозащищенностью. Предложен способ градуировки ИПБПТ, значительно упрощающий конструкцию измерительного преобразователя. Предложен образцовый измеритель больших постоянных токов, который в качестве основных узлов содержит пояс Роговского и аналого-цифровой интегратор.

Научная новизна работы.

1. Разработан метод определения оптимального числа точек измерения (ТИ) при заданной методической погрешности измерения тока при использовании закона полного тока в дискретной форме (ЗПТДФ) на основе разложения несинусоидальных функций в ряд Фурье.

2. Предложен способ измерения постоянного тока на основе разработанного метода определения оптимального числа ТИ.

3. Сформулирована и доказана теорема, устанавливающая связь между количеством гармоник несинусоидальной функции с ограниченным спектром и количеством дискрет этой функции, необходимых для ее точного разложения в ряд Фурье.

4. Предложен способ измерения эффективного значения напряжения на основе оптимального выбора числа п дискрет функции.

5. Рассмотрена новая классификации магнитометрических преобразователей.

Практическая ценность и реализация работы заключается в достижении следующих результатов.

1. Использование предложенного метода определения оптимального числа ТИ при заданной методической погрешности измерения тока на основе разложения несинусоидальных функций в ряд Фурье позволяет более обосновано выбирать количество ИЭ, входящих в состав ИПБПТ.

Разработана методика определения оптимального числа ТИ для линейного токопровода при заданной погрешности измерения. Получены новые, простые формулы для определения погрешности измерения тока при смещении линейного токопровода и при влиянии стороннего магнитного поля.

Разработана методика определения оптимального числа ТИ при заданной погрешности формы реального токопровода для круглого контура интегрирования.

3. Установленная связь между количеством гармоник несинусоидальной функции с ограниченным спектром и количеством дискрет этой функции, необходимых для ее точного разложения, позволила:

— вывести условие, достаточное для точного определения коэффициентов ряда Фурье;

— снизить объем вычислений при определении числа N гармонических составляющих несинусоидальной функции;

— повысить точность определения количества гармоник несинусоидальной функции путем выбора оптимального числа п дискрет функции.

4. Предложенный способ измерения эффективного значения напряжения позволил повысить точность измерения действующего значения напряжения.

5. Представлен новый способ градуировки измерительных преобразователей больших постоянных токов, позволяющий повысить точность градуировки при снижении количества измерительных элементов. На основе этого предложен способ построения измерительных преобразователей, который значительно упрощает конструкцию устройства.

6. Предложен измерительный преобразователь тока пакета шин с улучшенной помехозащищенностью.

7. Представлен образцовый измерительный преобразователь БПТ, который предназначен для поверки стационарных измерительных преобразователей постоянного тока свыше 100 кА, имеющих погрешности 0,2% и выше, на месте их эксплуатации без транспортировки в специальные лаборатории.

8 Результаты диссертации и практические рекомендации были использованы при проектировании измерительных преобразователей постоянного тока в ЗАО «Высокоточная аппаратура». Такие ИП были внедрены на Волгоградском и Красноярском алюминиевых заводах в 2000 и 2002 годах. Погрешность этих преобразователей составляет ±0,2%.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Ульяновского государственного технического университета с 1999 по 2002 гг., на 3-ей российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 2001 г.), на международной конференции «Методы и средства преобразования и обработки аналоговой информации» (Ульяновск, 1999 г.), на 3-ей всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 2001 г.).

По результатам выполненных исследований опубликована 21 печатная работа, в том числе 5 патентов, 1 свидетельство на полезную модель. Кроме того, получено положительное решение о выдаче патента.

Основные результаты этой главы отображены в работах [27, 30, 57, 69, 78].

Заключение

.

Задача измерения больших постоянных токов остается актуальной на протяжении многих десятилетий. Это объясняется тем, что в отраслях, использующих БПТ свыше десятков килоампер, потребляется около половины всей вырабатываемой электроэнергии, причем происходит увеличение, как объемов потребления, так и значений токов.

При этом возникают задачи повышения точности измерений и улучшения технико-экономические показателей устройств для измерения БПТ, что вытекает в свою очередь в совершенствование принципов построения средств измерения больших постоянных токов и процедуры их поверки.

Для достижения выше поставленной цели была проделана вся эта работа и получены следующие результаты.

1. Рассмотрены принципы измерения БПТ на основе использования ДСИ.

При этом, был указан существующий недостаток в рассматриваемых.

ИПБПТ: невозможность точного определения количества точек измерения для получения заданной методической погрешности. Такой подход в ряде случаев приводит либо к усложнению конструкции устройства при использовании большого количества ТИ, когда нет необходимости получать малые погрешности измерения, либо к снижению точности измерения тока, тогда как для получения малых погрешностей необходимо увеличение количества ТИ.

2.С целью устранения указанного выше недостатка был разработан новый метод определения оптимального числа точек измерения при заданной методической погрешности измерения тока на основе разложения несинусоидальных функций в ряд Фурье. Этот метод позволяет упростить конструкцию устройства, реализующего дискретный способ измерения тока.

3. Предложен способ измерения постоянного тока на основе разработанного метода определения оптимального числа ТИ.

4. Получены новые, простые формулы для определения погрешности измерения тока при смещении линейного токопровода и при влиянии стороннего магнитного поля.

5. Разработана методика определения оптимального числа ТИ при заданной погрешности формы реального токопровода для круглого контура интегрирования.

6. Сформулирована и доказана теорема о связи количества дискрет функции и ее ряда Фурье, которая позволила:

— вывести условие, достаточное для точного определения коэффициентов ряда Фурье, с целью дальнейшего нахождения оптимального числа ТИ при использовании ЗПТДФ;

— снизить объем вычислений при определении числа N гармонических составляющих несинусоидальной функции;

— повысить точность определения количества гармоник несинусоидальной функции путем выбора оптимального числа п дискрет функции.

7. Проанализированы существующие способы измерения эффективного значения переменного напряжения. Отмечены их достоинства и недостатки. С целью устранения недостатков известных способов предложен способ измерения эффективного значения напряжения на основе оптимального выбора числа п выборок мгновенных значений напряжения. При этом упрощается процедура вычисления действующего значения напряжения.

9. Разработан простой метод определения количества гармоник несинусоидальных сигналов.

10. С целью практической реализации предложенных решений рассмотрен один из типов устройства выборки-хранения, а именно, экстрематоры напряжения:

— проанализированы известные экстрематоры напряжения;

— разработаны новые схемы пикового детектора и экстрематора напряжений, в которых повышается точность детектирования максимального значения.

11. Предложена новая классификация магнитометрических преобразователей, которая позволяет лучше ориентироваться среди существующих магнитометрических преобразователей.

Рассмотрены существующие магнитометрические преобразователи, их достоинства и недостатки и предложен вариант ИП магнитной индукции в качестве измерительного элемента в ИПБПТ.

12. Предложено устройство для измерения тока пакета шин. С целью устранения влияния пульсаций измеряемого тока, прелагаемое устройство снабжено датчиком переменной составляющей тока в виде трансформатора тока, с помощью выходного сигнала которого производится компенсация сигнала от переменной составляющей измеряемого тока в выходном напряжении датчика Холла.

13. Представлен новый способ градуировки измерительных преобразователей больших постоянных токов, позволяющий повысить точность градуировки при снижении количества измерительных элементов.

14. Предложен способ построения измерительных преобразователей БПТ, при котором возможно существенное упрощение конструкции устройства.

15. Предложен образцовый измеритель больших постоянных токов, который в качестве основных узлов содержит пояс Роговского и аналого-цифровой интегратор. Он предназначен для поверки стационарных измерительных преобразователей постоянного тока свыше 100 кА, имеющих погрешности 0,2% и выше, на месте их эксплуатации без транспортировки в специальные лаборатории.

16. Результаты диссертации и практические рекомендации были использованы при проектировании измерительных преобразователей постоянного тока в ЗАО «Высокоточная аппаратура». Такие ИП внедрены на Волгоградском и Красноярском алюминиевых заводах в 2000 и 2002 годах. Погрешность этих преобразователей составляет ±0,2%.