Содержание к диссертации
Введение
1. Феноменология эрозии сильноточных контактов 14
1.1. Анализ предыдущих исследований 14
1.2. Условия возникновения дугового износа и явления, сопровождающие электрическую эрозию сильноточных контактов 20
2. Баланс тепловых потерь в контактном промежутке .27
3. Анализ подхода к обработке данных эксперимента.. 50
3.1. Подход к созданию модели исследуемого объекта 53
3.2. Основные положения теории подобия и моделирования (ТПМ). 55
3.3 описание математической модели, используемой для оценки износа материала контактов 62
4. Описание экспериментальной установки по определению износа контактных поверхностей 71
4.1 Аналоговый входной каскад для измерения напряжения на контактной группе, использующий дифференциальный способ измерения напряжения 72
4.2 Входной силовой каскад. устранение нелинейных искажений аналогового каскада, использующего гальваническую развязку оптического типа 74
4.3 Стыковка аналоговой части схемы с ацп микроконтроллера... 76
4.4 Устойчивость схемы аналогового каскада 79
4.5. Аналоговый входной каскад для измерения тока, протекающего через контактную группу в процессе коммутации 81
4.6 Стыковка микроконтроллерного ядра датчика износа контактов с системой передачи информации 86
4.7. Типы интерфейсов передачи данных 86
4.8 Программное обеспечение для обработки данных, полученных после измерения интегралов тока и напряжения в процессе коммутации 91
4.9 Установка образца на электрической тяговой подстанции этп №5 ГУП «энергохозяйства» г. Москвы 95
Заключение 101
Приложение 1 но
- Условия возникновения дугового износа и явления, сопровождающие электрическую эрозию сильноточных контактов
- Основные положения теории подобия и моделирования (ТПМ).
- Входной силовой каскад. устранение нелинейных искажений аналогового каскада, использующего гальваническую развязку оптического типа
- Стыковка микроконтроллерного ядра датчика износа контактов с системой передачи информации
Введение к работе
Системы распределения электроэнергии играют огромную роль в жизни страны, которую сложно переоценить. Потребление электроэнергии возрастает год от года. Увеличивается количество новостроек. Крупные города и мегаполисы не могут обходиться без электрического транспорта как самого экологически чистого на сегодняшний день. Современное электронное оборудование и высокотехнологичные устройства требуют высокого качества электроэнергии. Все это приводит к повышению предъявляемых требований к надежности систем распределения электроэнергии, а, следовательно, и элементов составляющих эти системы.
Необходимость быстрого реагирования на аварийные ситуации, контроль состояния дорогостоящего оборудования, работающего с большими, распределенными, динамическими нагрузками приводит к тому, что телекоммуникации и системы автоматизации объединяются с силовой частью энергосети в единое целое.
Особенностью крупных систем распределения электроэнергии является неравномерность распределения нагрузки на элементы системы в зависимости от их местоположения в энергетической схеме, времени года, времени суток и режима эксплуатации. Учитывая данную специфику, практически невозможно определить степень износа того или иного компонента системы, не имея реальных данных о том, в каких режимах он эксплуатировался.
Одним из основных типов оборудования, составляющих систему распределения электроэнергии, являются контактные электрические аппараты. Так, например, на 250-и действующих тяговых подстанциях ГУЛ «Энергохозяйства» г. Москвы эксплуатируется свыше 2000 линейных выключателей. В качестве этого типа оборудования, установленного на электрической тяговой подстанции, используются электрические аппараты ВАБ (ВАТ) -43-2000 разных модификаций и года выпуска. Данные аппараты используются в основном для отключения токов короткого замыкания или перегрузки на линии. В связи с появлением новых районов города и
5 необходимостью обеспечения их транспортом, производится установка новых электрических тяговых подстанций, которые, как и ранее, используют в качестве линейных выключателей контактное оборудование. Применение контактной техники обусловлено необходимостью физического размыкания цепи. Несмотря на наличие целого ряда преимуществ, бесконтактные аппараты не осуществляют физического отсоединения нагрузки от источника питания. Скрытые дефекты структуры кристалла полупроводника, которые в свою очередь весьма сложно контролировать, могут привести к пробою ключа и появлению напряжения на линии в процессе ремонтных работ.
На сегодняшний день периодичность обслуживания линейных выключателей определяется регламентом, который учитывает в качестве критерия износа только количество срабатываний привода контактов электрического аппарата. Таким образом, реальный дуговой износ контактов, который происходит в результате отключения большой нагрузки или короткого замыкания не учитывается. Как следствие, контактная часть электрического аппарата обслуживается либо поздно, поскольку аппарат произвел подряд несколько коммутаций с большим разрываемым током, либо он производил отключение линии без нагрузки, следовательно, интенсивного дугового износа не происходило и состояние его контактных поверхностей не требует проведения профилактических или ремонтных работ.
В первом случае это может привести к потере дорогостоящего оборудования или к негативным последствиям для обслуживающего персонала и населения, во втором случае затраты на обслуживание будут не оправданы.
С учетом предъявления высоких требований к надежности работы системы распределения электроэнергии, оптимальное использование ресурса электрических аппаратов в энергетических системах, и, как следствие оптимальная эксплуатация контактной части электрических аппаратов является актуальной задачей. В частности, определение ресурса контактной части мощной коммутационной аппаратуры в процессе эксплуатации является составной частью этой задачи, поскольку позволяет своевременно производить ремонт и профилактику электрических аппаратов, а также снизить затраты на их обслуживание.
Область исследования контактной аппаратуры начала интенсивно развиваться еще в начале прошлого века. Анализ имеющегося обширного экспериментального материала показал, что он требует систематизации в части исследования дугового износа. Большинство исследователей пришло к выводу, что потери материала в процессе дугового износа связаны с количеством теплоты, подведенной к контактам в течение коммутационного процесса. Автор солидарен с этим положением. Было предложено множество различных расчетных и экспериментальных способов по определению количества энергии, подведенной к контактам.
Расчетные методы давали приемлемый результат только в очень узком диапазоне внешних условий, в связи с тем, что дуговой процесс очень чувствителен к изменению внешних факторов. Таким образом, практически не реализуемо создание полной математической модели, которая полностью описывает процесс во всех типах коммутационного оборудования. В крупных системах распределения электроэнергии износ силовой аппаратуры происходит неравномерно. Некоторые аппараты работают на сильно нагруженных линиях, другие отключаются только для проверки текущего состояния коммутационного оборудования. Предсказать режим работы и тип нагрузки можно только с использованием сложных расчетов, основанных на статистических методах, точность которых недостаточна относительно отдельно взятого контактора.
Для расчетного определения дугового износа контактных поверхностей широко используется формула, основанная на величине разрываемого тока. Однако она имеет ограниченную область использования, поскольку эмпирические коэффициенты, полученные опытным путем, не учитывают изменение типа отключаемой нагрузки. Это особенно актуально для сетей распределения электроэнергии, в некоторых разновидностях которых, тип нагрузки может быть изменяемым. Например, короткое замыкание на линии и
7 перегрузка могут иметь радикально разные активные и реактивные составляющие. В качестве системы, которой в большей степени присущи подобные проблемы, может быть рассмотрена система электроснабжения ГУЛ «Энергохозяйства» г. Москвы, которая обеспечивает электроэнергией наземный электротранспорт.
Экспериментальные исследования данного явления, до недавнего времени, требовали использования оборудования больших габаритов и высокой стоимости и могли проводиться только в лабораторных условиях. Лабораторные исследования далеко не всегда позволяют учесть и воспроизвести все многообразие факторов, влияющих на процесс износа контактных поверхностей. Это обусловлено тем, что методы измерений, которые могут применяться в лабораторных условиях, зачастую не могут быть использованы при промышленной эксплуатации в силу высокой стоимости используемого оборудования или в силу ограничений вызванных особенностями эксплуатации. Например, по требованиям техники безопасности недопустимо шунтировать контакты при измерении напряжения на дуге. Как следствие, результаты эксперимента могут сильно отличаться от реального износа контактов отдельно взятого электрического аппарата.
Сложности, связанные с проведением экспериментов по определению энергии подведенной к контактам, определяются также тяжелыми температурными условиями, создаваемыми в контактном промежутке во время протекания дугового процесса.
Учитывая актуальность поставленной задачи и указанные выше проблемы, для определения оптимального режима эксплуатации необходимо найти:
1. способ, позволяющий в процессе эксплуатации определять износ контактных поверхностей мощной коммутационной аппаратуры постоянного тока, с медными контактами, работающими на открытом воздухе; формулу износа контактных поверхностей, которая позволяет в широком диапазоне коммутируемых токов производить расчет степени износа контактных поверхностей; способ обслуживания контактов мощной коммутационной аппаратуры в распределенных энергетических системах, оборудованных современными средствами телемеханики и локальной автоматики.
Для решения поставленной задачи были использованы следующие методы и подходы: теория подобия и моделирования, в качестве инструмента для обработки экспериментальных данных и получения формулы для определения износа контактов; корреляционный анализ для обработки данных, полученных предыдущими исследователями и оценки достоверности формулы износа; метод дифференциального измерения сигнала для определения падения напряжения на контактах в процессе коммутации; аппаратный метод компенсации нелинейности для повышения точности измерительного каскада с полной оптической развязкой; принцип модульного построения системы для обеспечения защищенности контроллерной части датчика от воздействия высокого напряжения, упрощения его обслуживания и ремонта; методы теории цепей для расчетов параметров входного каскада и проверки возможности его функционирования; метод цифрового осциллографирования переходного процесса и сохранения полученных данных для дальнейшего анализа с применением уточненной формулы износа контактов; методы тепловых расчетов в нестационарных нелинейных системах.
Появление на рынке высокотехнологичных электронных приборов, таких как недорогие, однокристальные микроконтроллеры, позволило создавать интеллектуальные устройства, способные в корне изменить подход к эксплуатации технологического оборудования. Появилась возможность индивидуального контроля состояния элементов системы и, в частности, мощной контактной коммутационной аппаратуры.
Интенсивное внедрение современных высокотехнологичных систем телекоммуникаций и средств автоматизации в области распределения электроэнергии предоставляет новые возможности для сбора и передачи информации, которую невозможно было получать ранее. Совместное использование возможностей однокристальных микроЭВМ и современных средств телекоммуникаций позволяет реализовывать новые решения в области эксплуатации отдельных частей сложных, распределенных систем.
Наличие информации о реальном состоянии силового оборудования позволит обслуживающему персоналу постоянно контролировать его состояние и оптимально осуществлять все действия связанные с его эксплуатацией. Анализ данных, накопленных в процессе эксплуатации, позволит своевременно осуществлять профилактический ремонт, наблюдать за степенью износа оборудования, выдавать рекомендации по применению соответствующего типа аппарата в определенном месте системы и, тем самым, улучшить условия эксплуатации и обслуживания системы в целом.
Если рассматривать коммутационный процесс в отдельно взятом электрическом аппарате, то он происходит при достаточно близких начальных условиях. Это обусловлено неизменностью материала контактов, дугогасительной системы, практически одинаковой скоростью расхождения контактов (привод в мощных воздушных выключателях изнашивается на порядок медленнее контактных поверхностей). Учитывая эти ограничения, которые определены реальной эксплуатацией оборудования, имеется возможность рассматривать процесс горения дуги как физическое явление, обладающее определенными закономерными свойствами. Как результат,
10 появляется возможность использования уточненной, специальной формулы дугового износа контактов для каждого конкретного аппарата с учетом его индивидуальных особенностей.
Суть предлагаемой методики состоит в осциллографировании тока и напряжения в процессе коммутации, дальнейшей обработки сохраненных данных с помощью индивидуального контроллера, устанавливаемого на каждый линейный выключатель и передачи информации о состоянии в диспетчерский центр. Получение данных от оборудования, находящегося в реальной эксплуатации, а также использование алгоритма их обработки, основанного на уточненной формуле износа контактных поверхностей позволяет использовать полученную информацию для диагностики коммутационной аппаратуры в процессе работы и оптимизировать процедуру ее обслуживания.
Научная новизна диссертационной работы: предложена математическая модель, позволяющая оценить степень износа контактных поверхностей для коммутационного оборудования, работающего на постоянном токе; разработаны измерительные аппаратные и программные средства для проведения автоматизированного, натурного эксперимента на линейных выключателях, устанавливаемых на электрических тяговых подстанциях городского транспорта.
В первой главе работы содержится обзор известных исследований по эрозии сильноточных контактов, а также основные направления и этапы в развитии этой области исследований. Рассматриваются способы, предложенные для оценки эрозии контактов, а также экспериментально полученные зависимости эрозии от коммутируемого тока. Отмечено наличие огромного научного капитала в этой области знаний. Рассматривается возможность использования предложенных методов исследования для оценки износа контактов электрических аппаратов в процессе их эксплуатации.
Рассматриваются условия возникновения дугового износа, явления сопровождающие эрозию сильноточных контактов и процессы, протекающие в контактном промежутке во время размыкания контактов.
Во второй главе рассматривается баланс тепловых потерь в контактном промежутке и соотношение его с электрической мощностью, затраченной в процессе коммутации. Рассматриваются стадии размыкания контактов. Рассматриваются источники теплоты (поверхностный и объемный). Рассмотрено влияние потоков плазмы на контактные поверхности. Отмечено, что в реальном электрическом аппарате процессы теплообмена определяются его конструкцией, и, это позволяет принять отношение между суммарной энергией, выделяющейся в контактном промежутке и энергией, выделяющейся непосредственно на контактах, равной константе. Рассмотрены методики расчета нестационарных тепловых процессов, протекающих в материале контактов при воздействии поверхностного источника теплоты, возникающего в процессе горения дугового разряда.
В третьей главе анализируется подход к обработке данных эксперимента. Рассмотрены подходы к обработке данных, которые были использованы предыдущими исследователями. Предложен подход к построению модели, в качестве базовой теории для построения зависимости, определяющей износ контактов, была выбрана Теория Подобия и Моделирования (ТПМ). Проведен анализ, который определяет процесс горения дугового разряда как нелинейную систему. Приводится описание математической модели, используемой для оценки износа материала контактов. Рассматривается предложенная формула и приведен расчет, подтверждающий возможность ее использования в более широком диапазоне коммутируемых токов.
В четвертой главе приведено описание экспериментальной установки по определению износа контактных поверхностей. Определены функции, которые должны быть обеспечены созданным оборудованием. Рассмотрены способы измерения напряжения на контактном промежутке в момент коммутации. Приведено описание оригинальной схемы измерения напряжения на дуге.
12 Рассмотрена стыковка аналоговой и цифровой частей схемы датчика износа и способ измерения напряжения. Проанализированы вопросы, связанные с устойчивостью аналогового каскада. Дано описание реализации метода стабилизации, который был использован при проектировании аппаратной части датчика. Рассмотрены вопросы, связанные с измерением тока в процессе коммутации, с учетом специфических требований, предъявляемых ГУЛ «Энергохозяйства» г. Москвы. Приведено краткое описание стандартной ячейки линейного выключателя. Изложены требования, предъявляемые к измерителю тока. Рассмотрены варианты реализации датчика тока, проанализированы их преимущества и недостатки. На основании проведенного анализа был выбран способ измерения напряжения на константановом шунте с применением полной гальванической развязки, как по измеряемому сигналу, так и по питанию. Проанализированы типы интерфейсов, которые могут быть использованы для подключения микроконтроллерного ядра датчика к системе телемеханики. Выбран последовательный интерфейс с гальванической развязкой. Приведены данные по точности и эффективности устройства. Приведено описание программного обеспечения для обработки данных. В приложениях приведены тексты программ на языке C++ и cross-ассемблер для микроконтроллеров семейства МС68НС11, блок-схемы программного обеспечения, структурная схема датчика износа и аналогового измерительного каскада для измерения напряжения на контактном промежутке, а также схемы подключения датчика к системе телемеханики. В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты и выводы.
Выражаю свою глубокую признательность: научному руководителю к.т.н. Макарычеву Ю.М., к.т.н. Жаворонкову М.А., д.т.н. Розанову Ю.К., к.т.н. Стефанюку А.Р., коллективу кафедры «Электрических и Электронных Аппаратов» МЭИ (ТУ) за объективную оценку работы и критические замечания, исправление которых позволило глубже понять суть проблемы и природу происходящих процессов; коллективу НЛП ВНИИЭМ за ценные замечания, консультации и поддержку; коллективам фирмы «РеалтаЙм» и ГУЛ
13 «Энергохозяйства» г. Москвы, которые оказали неоценимую помощь в проведении установки датчика РИДЭК600МВ на электрической тяговой подстанции №5 ГУП «Энергохозяйства» г. Москвы; а также всем тем, кто помогал в работе над диссертацией.
Условия возникновения дугового износа и явления, сопровождающие электрическую эрозию сильноточных контактов
Общепринятым мнением считается, что эрозия сильноточных контактов и электродов есть следствие процесса плавления и выноса контактного материала с их поверхности под воздействием мощного, концентрированного источника теплоты в области границы дугового столба и поверхности электрода. В процессе коммутации (особенно при размыкании электрической цепи), энергия, запасенная нагрузкой и энергия источника, поддерживающая разряд, выделяется в виде дуги. В местах соприкосновения дугового столба с поверхностью электродов образуется область с большой плотностью тока (происходит так называемое сжатие токовых линий). Данная область контактов сильно разогревается. Далее, под действием целого ряда факторов осуществляется выброс разогретого материала в виде парообразной и/или жидкой фазы.
Для того чтобы произошел выброс материала, на него должны действовать определенные силы, в то же время, определенные силы препятствуют выбросу материала. В частности, это силы поверхностного натяжения или пленка окислов, препятствующая разбрызгиванию материала контактов. Количество выброшенного материала относительно расплавленного может быть разным. Коэффициент, определяющий это отношение, называется коэффициентом выброса. В более плотных средах выброс материала происходит более интенсивно. За счет сильного разогрева среды и быстрого, локального ее расширения, образуются струи сильно разогретого газа. Эти струи имеют довольно высокую скорость (около 103 м/с) [6], и под действием их гидродинамических сил материал контактов разбрызгивается. К нагреваемому в процессе горения дуги контактному материалу подводится и отводится определенное количество теплоты [5]. Рассмотрим возможные источники теплоты: - локальный разогрев пятна на поверхности контакта за счет большой плотности тока, протекающего через поверхность; - локальный разогрев некоторого объема материала (имеет место при высоком удельном сопротивлении материала контактов); - разогрев за счет энергии выделяющейся в дуге (конвективные потоки, тепловое излучение, соприкосновение с телом дуги, бомбардировка заряженными частицами, выброшенными противолежащим электродом). От разогреваемого пятна также происходит отвод энергии (рассматривается отвод теплоты до момента начала выброса материала или его испарения): - отвод теплоты за счет теплопроводности контактного материала; - отвод теплоты за счет теплового излучения пятна; - отвод теплоты за счет охлаждения внешней средой; - отвод теплоты за счет испарения. После того, как материал в том или ином количестве был расплавлен (пока не уточняем в каком именно), на него действуют силы способствующие выбросу последнего. Перечислим силы, которые, как общепринято, способствуют выбросу материала контактов: - гидро-газо-динамические; - электромагнитные силы, вызванные системой дугового дутья, специальной формой контактов и токоведущим контуром и/или собственно дугой; - испарение контактного материала; - возникающие при определенных условиях потоки плазмы; - сила тяжести; - давление среды внутри столба дуги; - специальные дугогасительные системы, использующие, например, обдув (охлаждение), дутье дуги потоком газа. Это, безусловно, не полный перечень сил, воздействующих на расплавленный материал контактов, здесь приведены те силы, которые наиболее существенно влияют на износ.
Фактически, проблема определения износа контактных поверхностей состоит из двух подзадач: 1. определение количества материала, подготовленного к выбросу (в частности расплавленного материала); 2. определение коэффициента выброса.
Первая задача основана на определении количества теплоты, переданного контактному материалу и потраченного на плавление контактной поверхности. Вторая задача фактически состоит в определении влияния внешних факторов и явлений, возникающих во время дугового процесса, на расплавленный материал.
В общем виде, формула, определяющая износ контактов в процессе реальной эксплуатации электрического аппарата может быть представлена следующим образом: тЪ =к\тр\+кгт +-+кітрі+"Ктрп 0-4) где: тв - суммарное количество выброшенного материала, г; mpi -количество расплавленного материала за /-ю коммутацию, г; ,- - коэффициент выброса материала, определяемый соотношением:
Принято, что тві mph где тві — масса выброшенного материала; поэтому kj - принимает значение от 0.0 до 1.0.
Следует отметить, что поскольку целью данной работы является рассмотрение износа реальной сильноточной коммутационной аппаратуры, то мы не будем заострять внимание на процессах связанных с длительным горением дуги, и примем это условие в качестве граничного.
При определении количества расплавленного материала контактов фактически необходимо знать количество тепловой энергии, подведенной к контактной поверхности. Причем, при различных внешних условиях будут разными основные источники теплоты, которые надо учитывать. Например, если в качестве материала контактов используется тугоплавкий материал с большим удельным сопротивлением, то необходимо учесть объемный источник теплоты. При длительном горении дуги значительный вклад может осуществляться энергией, подводимой от дугового столба, дополнительно разогревающей приэлектродные области.
Принято считать, что тепловой поток на поверхности электрода зависит от плотности тока и энергии, которая выделяется на электроде в расчете на единицу протекающего заряда q.=JU „ где и э - эквивалентное падение напряжения.
Рассмотрим более подробно параметр U 3. Эквивалентное падение напряжения на электродах принимается равным выделенной на электродах энергии при протекании электричества в количестве 1Кл. В [5], например, отмечалось, что эквивалентное падение напряжения на электроде не совпадает с действительным приэлектродным падением напряжения. Кроме того, приэлектродные падения напряжения, особенно, на вакуумной дуге зависят от структуры и от неоднородности материала. Так, например, на металлокерамических и волокнистых электродах напряжение горения дуги и прикатодное падение напряжения на несколько вольт меньше, чем на литых [5]. Если рассмотреть напряжение между контактами в момент коммутации, то его можно представить в виде суммы: где: Uк - падение напряжения на контактном промежутке, В; Ua - падение напряжения на аноде, В; Uc - падение напряжения на катоде, В; l/д- падение напряжения на дуге, В. Мгновенное количество энергии, рассеиваемое на контактном промежутке в единицу времени, можно представить следующим соотношением:
Основные положения теории подобия и моделирования (ТПМ).
Переходя к терминам, используемым данным теоретическим разделом имеет смысл привести их определения и обозначить основные подходы и теоремы применяемые ТПМ. Собственно содержание теории подобия представляет собой методы установления подобия и изучение свойств подобных явлений.
Приведем основные определения ТПМ.
Явление - это совокупность процессов, т.е. изменений происходящих в той или иной системе.
Параметры процесса - некоторые показатели, также называемые текущими параметрами, которые характеризуют изменения данного состояния или режима системы, происходящие во времени и пространстве.
Если рассматривается сложная система, состоящая из некоторого количества элементов, то, безусловно, на поведение системы при тех или иных условиях влияют показатели, определяющие поведение элементов системы. Таким образом, сама система может характеризоваться свойствами элементов входящих в нее. Отсюда вытекает определение параметров системы.
Параметры системы - параметры, характеризующие элементы, из которых состоит система.
Системы как таковые можно разделить на линейные и нелинейные.
Линейные системы - системы, в которых параметры не зависят друг от друга при протекании процесса, или изменяются независимо от его протекания.
Нелинейные системы - системы, в которых хотя бы один параметр изменяется в функции другого.
Абсолютная модель - полностью описывает изучаемый объект, учитывает абсолютно все переменные процесса обеспечивая при получении результатов абсолютное тождество последних, в пространстве и времени, относительно реального объекта.
Так при рассмотрении электрической системы представленной замкнутым контуром параметром системы является сопротивление контура, а параметрами процесса, например, величина тока, напряжения, мощности и т.д.
Попытаемся охарактеризовать явление горения электрической дуги между контактами. Прежде всего, определим, что оно представляет собой не просто электрический феномен. Дуга горит между парой расходящихся или сходящихся контактов и на процесс горения дуги сильно влияют не только электрические характеристики, но и механические, такие как: расстояние между контактами, скорость размыкания/замыкания, размер и форма контактирующих поверхностей, свойства материала, из которого они изготовлены, сила нажатия и т.д. Поэтому при составлении модели необходимо учитывать и механические параметры. С другой стороны, если рассматривать не абстрактную электрическую дугу, а дугу, возникающую в конкретном типе и модели электрического аппарата, то механические параметры (исключение может быть составляет только форма контактирующих поверхностей) остаются неизменными. Данное заключение может существенно упростить задачу составления модели и получения коэффициентов, характеризующих ее.
Является ли электрическая дуга линейной системой или нелинейной? Для того чтобы определить это, необходимо рассмотреть зависимость параметров данной системы друг от друга. Как уже было отмечено, процесс горения дуги представляет собой электрический феномен. В рассматриваемой системе наряду с электрическими параметрами системы имеются и механические параметры (например, масса контактов, которая уменьшается с течением времени в силу дугового износа, провал, нажатие контактов и т.д.). Рассмотрим контакты из металлокерамики и меди. Из материалов исследований многочисленных авторов и опыта эксплуатации в промышленных аппаратах металлокерамические контакты, применяемые в мощной коммутационной аппаратуре, являются более долговечными (меньше подвержены износу). Следовательно, свойства материала влияют на его износ, другими словами на массу контактов в процессе работы. Таким образом, дуговой разряд представляет собой нелинейную систему. В промышленном электрическом аппарате материал контактов в процессе эксплуатации остается неизменным, другими словами задача состоит в том, что создается модель не для всех возможных типов электрического аппарата, а детально рассматривается какой-либо один вид коммутационного устройства, следовательно, предыдущее утверждение уже не является существенным, и, поскольку свойства материала в процессе эксплуатации не изменяются, то масса удаленная с контактов не является функцией от свойств материала. В то же время, безусловно, имеется зависимость тока от напряжения в цепи дуги (в частности сказывается тип нагрузки). Следовательно, дуговой разряд между контактами в данном случае опять таки представляет собой нелинейную систему.
Применяя ТПМ для построения математической модели дуги необходимо проанализировать подобие процессов, протекающих при ее возникновении. Учитывая сложность протекания процессов, неоднозначность поведения дугового столба и определенности далеко не всех параметров, следует отметить практическую невозможность построения абсолютной модели исходя из ее определения, предложенного ТПМ.
Тем не менее, протекание процесса горения дуги сопровождается сходными признаками, позволяющими считать подобным данное явление даже при сильно различающихся внешних условиях. Сразу следует отметить, что перед нами не стоит задача построения абсолютной модели, поскольку абсолютная модель предполагает наличие полного подобия, которое представляет собой (как отмечено в ТПМ) абстрактное понятие, реализуемое только умозрительно, в частности в геометрических построениях и отдельных видах математического подобия. На практике, при изучении физических явлений, в частности явления горения дугового разряда мы можем претендовать только на практическое подобие, позволяющее прогнозировать поведение процесса в строго заданных рамках. Практическое подобие делится в свою очередь на две условные группы. ТПМ дает этим группам следующее определение:
Полное подобие — подобие протекания во времени и в пространстве основных процессов, т.е. тех процессов, которые достаточно полно (для целей данного исследования) определяют изучаемое явление.
Неполное подобие - подобие протекания процессов только во времени и пространстве.
Кроме того, имеется так называемое приближенное подобие, которое в свою очередь может быть как полным, так и неполным. Данное подобие характеризуется упрощающими допущениями, заведомо приводящими к искажениям, заранее оцениваемым как допустимые на основании аналитических или экспериментальных исследований. В силу того, что мы делаем определенные допущения при построении модели, то нами будет рассматриваться приближенное, неполное подобие. Действительно, при протекании процесса горения дуги мы выбираем определенный диапазон рабочих токов и напряжений, что уже ограничивает применимость модели. Кроме того, коэффициенты, полученные для одной модели электрического аппарата, могут не подойти для другой модели. Например, рассматриваются два однотипных выключателя, один из которых с металл окерамическими контактами, а другой с медными. Естественно, тип и характер износа будут заведомо отличаться друг от друга.
Одной из задач построения модели является усовершенствование уже существующих моделей, поскольку они могут быть использованы для очень узкого диапазона токов, напряжений и времени горения дуги. Другими словами перед нами стоит задача построить более универсальную, с одной стороны, модель, которая бы приводила к более полному подобию, с другой стороны, для модели должны быть четко определены граничные условия. Тем самым можно сократить количество экспериментальных, исследований и упростить задачу по определению износа контактов. Таким образом, нам необходимо установить подобие между процессами, которые ранее описывались отдельными формулами (моделями), похожими по типу, но отличающимися
Входной силовой каскад. устранение нелинейных искажений аналогового каскада, использующего гальваническую развязку оптического типа
При измерении напряжения на коммутационном промежутке необходимо предусмотреть защиту цифровой и аналоговой части системы от повреждения высоким напряжением. Для этого необходимо обеспечить гальваническую развязку между высоковольтным входным каскадом и низковольтной, аналоговой и цифровой частями схемы.
Каждый входной силовой каскад представляет собой оптронную пару. При протекании тока через светодиод (смещенный в прямом направлении) при подаче опорного напряжения на фотодиод, последний смещается пропорционально току светодиода в обратном направлении. Таким образом, его можно использовать в качестве оптического датчика измерения аналогового сигнала. Поскольку характеристики фотодиода и светодиода представляют собой нелинейные зависимости, измерять аналоговый сигнал с достаточно высокой точностью можно только в небольшом диапазоне, на коротком участке характеристики, где ее приближенно можно считать линейной. В противном случае неизбежны искажения результатов измерений.
Для повышения точности и расширения диапазона измерений во входном силовом каскаде использовалась схема компенсации нелинейных искажений. Принцип действия данной схемы основан на том, что во входном силовом каскаде используется две оптронных пары одного типа, (данное условие является обязательным), включенных таким образом, что нелинейность характеристики одной устраняется посредством компенсации этой нелинейности за счет близкой по форме, нелинейной характеристики другой оптопары. Рассмотрим принцип работы данной схемы более подробно.
На приведенной выше схеме отображены: две оптопары VD1 и VD2, операционный усилитель D1, транзистор VT1 и резисторы: R61, R62, R63.
При росте потенциала ф через светодиод VD1 начинает протекать ток, ограниченный резистором R61. При этом происходит смещение фотодиода оптопары VD1 в обратном направлении. Фотодиоды оптопар VD1 и VD2 включены последовательно, причем, на данную цепочку светодиодов подается питание, смещающее диоды в обратном направлении. Средняя точка, находящаяся между фотодиодами, подключается к инвертирующему входу операционного усилителя D1. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключается к «нулю» схемы. Выходной каскад операционного усилителя через ограничивающий резистор R62 подключатся к базе транзистора VT1, который осуществляет питание светодиода оптопары VD2. Элементы VT1, VD2 практически представляет собой цепочку отрицательной обратной связи, поэтому потенциал точки подключения к инвертирующему входу операционного усилителя будет стремиться к потенциалу нулевой точки схемы. Данный процесс будет вызывать генерацию сигнала операционным усилителем. Сигнал, поступающий на базу транзистора VT1, будет приводить к переводу его в линейный режим. При этом будет увеличиваться ток, протекающий через светодиод оптопары VD2, что соответственно будет вызывать смещение фотодиода этой же оптопары в обратном направлении до тех пор, пока падение напряжения на фотодиодах обеих оптопар не станет одинаковым. Данный процесс будет характеризоваться тем, что ток, протекающий через светодиод оптопары VD2, будет равен току протекающему через светодиод оптопары VD1 (при условии, что оптроны будут иметь практически одинаковые характеристики). В результате, данный тип схемы позволит довольно сильно снизить влияние нелинейных искажений при преобразовании измеряемого сигнала. В реальной схеме, кроме светодиода оптопары входного каскада, последовательно ему включается дополнительный, защитный диод. Данный диод необходим для защиты маломощного светодиода от случайных всплесков напряжения обратной полярности и неправильного подключения силового каскада.
Для того чтобы получить значение напряжения возникающего на контактах электрического аппарата в момент коммутации, необходимо произвести вычитание сигнала, пропорционального напряжению, измеренному до контактора относительно земли и напряжению, измеренному после контактора относительно земли.
Следует отметить, что изменение напряжения на дуге представляет собой довольно динамичный, быстротекущий процесс, сопровождающийся резкими всплесками и провалами кривой напряжения относительно времени. В процессе создания измерительного каскада нами рассматривалось два варианта измерения разности напряжения.
Первый вариант — цифровое измерение разности напряжений, второй — аналоговое измерение разности. При использовании цифрового измерения уровня напряжения два канала измерения подключаются к двум каналам внутреннего АЦП микроконтроллера. Такой вариант схемы дешевле с точки зрения аппаратной реализации, поскольку определение разности производится программно. Нет необходимости дополнять электрическую схему звеном вычитания. Минусом данной схемы является увеличение времени между циклами измерения и довольно высокая погрешность, которая складывается из погрешности двух каналов АЦП и возможной не синхронности проведения измерения, что еще больше может исказить результат, учитывая очень быстрое изменение напряжения.
Нами был выбран вариант схемы, производящий операцию вычитания аналоговым способом. Это позволяет уменьшить количество используемых каналов АЦП, и, учитывая достаточно высокое быстродействие операционных усилителей типа КР574УД2Б производить операцию вычитания практически синхронно.
К неинвертирующему входу операционного усилителя подводился сигнал, от первого канала измерения, производящего измерение напряжения до контактного промежутка, а к инвертирующему входу поступал сигнал от канала измерения напряжения после контактного промежутка. Операционный усилитель охвачен петлей обратной связи. Коэффициент обратной связи зависит от уровня входного сигнала. Поскольку на вход АЦП микроконтроллера можно подавать сигнал в диапазоне 0 / +5В, необходимо привести уровень сигнала в соответствие с требованиями входного канала АЦП.
Цепи входного канала АЦП микроконтроллера чувствительны как к превышению по уровню напряжения, так и к подаче на вход измерительного каскада отрицательного сигнала. Поскольку мы используем биполярное питание операционных усилителей, то на выходе дифференцирующего
Стыковка микроконтроллерного ядра датчика износа контактов с системой передачи информации
Для того чтобы воспользоваться полученными результатами измерения необходимо передать полученные данные компьютерной системе. При эксплуатации на реальном объекте датчик износа контактов необходимо состыковать с системой дистанционного управления и передачи данных. Если рассматривать разработанное устройство как промышленный образец, то нужно предусмотреть универсальность интерфейса передачи данных, поскольку разработка особенного, нестандартного интерфейса при каждой инсталляции будет приводить к дополнительным затратам и, даже, может ухудшить работу в силу возможных ошибок при программировании и организации физического уровня взаимодействия между портами передачи данных самого датчика и связной инфраструктуры. В качестве такого интерфейса был выбран стандарт RS-485 (для промышленного исполнения датчика) и RS-232 для проведения лабораторных исследований.
В качестве протокола передачи данных выбран стандартный протокол MODBUS для промышленной эксплуатации. Для лабораторных испытаний реализован упрощенный вариант протокола, основанный на модели "точка -точка", позволяющий реализовать опрос контроллера и передавать команды управления исследуемой схеме. В качестве мастера в данной системе выступает либо стандартный промышленный контроллер, либо компьютер лабораторной установки.
Сделанный выбор основывается на анализе наиболее используемых интерфейсов и протоколов. Остановимся на их рассмотрении.
Интерфейсы передачи данных делятся на две основных категории по способу передачи элементов данных: - параллельные интерфейсы; - последовательные интерфейсы.
Параллельный интерфейс позволяет за один такт организовать передачу сразу нескольких бит. Обычно, данный способ передачи данных применяется для организации высокоскоростных шин и интерфейсов где требуется высокое быстродействие, либо необходимо получить в один момент времени синхронно определенную порцию информации. В подавляющем большинстве случаев данные интерфейсы используются для передачи данных на короткие расстояния (дистанция может составлять около десятка метров, например стандартный интерфейс обмена информацией между компьютером и принтером Centronics, либо если требуется высокая производительность шины передачи данных, тактовая частота которой может достигать десятков или сотен мегагерц данное расстояние может измеряться сантиметрами, а внутри кристалла электронного прибора расстояние ограничивается размерами самого кристалла). Причина использования параллельных интерфейсов для передачи данных на довольно короткие дистанции заключается в том, что для соединения двух устройств желательно использовать как можно меньше соединительных проводов. Это уменьшает стоимость линии и уменьшает вероятность отказа. Кроме того, для организации параллельного интерфейса чаще всего применяют передачу сигнала в виде уровня напряжения. Уровень используемого сигнала в подобных случаях составляет единицы или десятки вольт. Сопротивление приемника в данной схеме стараются сделать большим, для того чтобы не ослаблять принимаемый сигнал.
Такие интерфейсы чувствительны к помехам и их рационально применять для работы в хорошо защищенной от помех аппаратуре. Для использования данного типа интерфейсов в данном конкретном применении параллельный интерфейс использовать нерационально. Так как устройство работает в условиях наличия сильных электромагнитных помех. Использование большого количества проводников при установке на объекте также не рекомендуется. Поэтому, несмотря на то, что применяемый однокристальный микроконтроллер МС68НС11Е1 имеет параллельные интерфейсы связи было решено организовать передаче данных на базе последовательного интерфейса. Применение параллельного интерфейса требует наличие подобного порта и на сопрягаемом устройстве. В силу описанных выше особенностей, в промышленных контроллерах использование данного типа интерфейсов также не нашло широкого применения.
Последовательные интерфейсы основаны на организации бит-последовательной передачи данных. Таки образом за один такт передается один бит информационного слова. Этот тип интерфейсов подразделяются в свою очередь на синхронные и асинхронные. Следует отметить, что термин синхронный/асинхронный относится не к битовой последовательности (Битовая последовательность всегда передается в синхронном режиме. Действительно, приемник принимающего и передатчик передающего устройства синхронизируются отдельно. Параметром, определяющим синхронизацию последовательного интерфейса является скорость передачи данных (baud rate). Поскольку время передачи слова данных для скорости 9600bps составляет около 80 микросекунд, то за этот период времени задающий генератор тактовой частоты приемника и передатчика не успевают рассинхронизироваться и в течение этого достаточно малого промежутка времени их можно считать синхронными). В первом случае слова-данные передаются синхронно с определенной стробирующей частотой. Во втором случае синхронизация осуществляется только на уровне битовой последовательности. Слова-данные (обычно слово данных представляет собой последовательность из 8 бит. Хотя стандарт синхронного интерфейса позволяет работать и с более короткими словами, состоящими из 7-й битовой последовательности) передаются в асинхронном режиме, т.е. между байтами нет фиксированного интервала. Длина интервала между словами-данных определяется в зависимости от готовности принимающего или передающего устройства. Начало передачи определяется по состоянию линии, уровень сигнала которой переводится в состояние -12В, после чего начинается отсчет
