Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время во всех промышленно развитых странах, в том числе и в России, проводятся интенсивные работы по созданию и практическому освоению энергосберегающих технологий. Развитие этих работ требует существенного повышения точности измерений ряда физических величин, называемых далее энергетическими величинами. К ним относятся:
электрическая энергия (активная, реактивная, полная, однофазная, трехфазная трехлинейная, трехфазная четырехлинейная, энергия прямых и обратных потоков и т.д.);
электрическая мощность с теми же разновидностями;
коэффициент мощности;
параметры качества однофазной и трехфазной электроэнергии.
Единство измерений каждой из указанных величин должно быть обеспечено соответствующими исходными средствами измерений (СИ) и системами передачи размеров единиц.
Несомненно, базовой среди комплекса энергетических величин является однофазная активная электрическая мощность, единица которой (ватт) воспроизводится на основе национальных единиц сопротивления и напряжения (или тока). Точность измерения активной мощности определяет далее точность измерений других величин в однофазных и трехфазных цепях, а также точность измерений соответствующих видов энергии, определяемых как интеграл от мощности по времени.
Среди параметров энергетических цепей одним из наиболее важных является коэффициент мощности (А"р), точное измерение и регулирование которого позволяет сократить потери в линиях электропередач.
В связи с изложенным, разработка новых методов измерений и аппаратуры для поверки СИ мощности и коэффициента мощности была выбрана как основное направление настоящей работы. Актуальность этого направления подтверждается тем, что только в последнее десятилетие было проведено пять международных сличений эталонов единицы мощности с участием более десяти стран в сличениях 1986 г., а также с участием России (ВНИИМ), Австралии (NML) и Кореи (KRISS) в сличениях 1995 г., причем отклонения
показаний национальных эталонов от среднего были снижены за этот период от 1(Г4до (3-н5) 10~5 на промышленной частоте.
В настоящее время наиболее активные и оригинальные работы в этой области проводятся в РТВ(Германия), NRC(KaHafla), NIST (США), ВНИИМ (Россия).
Во ВНИИМ имени Д.И. Менделеева работы по созданию исходных СИ мощности были начаты в 50—х годах, когда усилиями ведущих ученых и специалистов Д.И.Зорина, А.Я.Безикович, В.О.Арутюнова, Т.Б.Рождественской, Э.В. Ловцюса были созданы первые термоэлектрические компараторы мощности и уникальные даже на сегодняшний день многоэлементные термопреобразователи. В 70-е годы под руководством Е.З.Шапиро были созданы автоматизированные установки высокой точности УППУ—1М и УПМВ для поверки ваттметров и малокосинусных ваттметров в широком диапазоне частот, а в 80—е годы — Государственный (ГЭМ) и вторичный (РЭМ) эталоны единицы электрической мощности.
ГЭМ обеспечил необходимую для того времени точность измерений мощности и коэффициента мощности в диапазоне частот до 2500 Гц. Вместе с тем, ряд вопросов к моменту начала работы над диссертацией оставался нерешенным. Наиболее актуальными из них были и в значительной мере остаются сегодня следующие:
— создание высокопроизводительных вторичных эталонов,
обеспечивающих возможность аттестации как СИ мощности, так и СИ
энергии в метрологических органах и непосредственно на
энергосистемах;
— создание транспортируемого эталона сравнения для проведения
международных сличений и передачи размера единиц мощности и
энергии ог ГЭМ к СИ в удаленных регионах страны;
— создание средств поверки наиболее точных измерителей
коэффициента мощности.
Цель работы. Целью настоящей работы является повышение уровня метрологического обеспечения средств измерений электрической мощности, энергии и коэффициента мощности за счет создания высокопроизводительных автоматизированных вторичных
эталонов и поверочных установок в области частот 40—5000 Гц с погрешностью, не превышающей 0,01%.
Задачи исследований. Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:
1. Систематизация материалов научных исследований в области
создания первичных и вторичных эталонов единицы электрической
мощности, а также наиболее точных автоматизированных средств
передачи размера единицы, проведенных в национальных
метрологических лабораториях ведущих в данной области измерений
стран. Выбор, на основе их анализа, основного направления
исследований.
2. Теоретическое исследование погрешностей измерительных
преобразователей мощности (ИПМ) и измерительных
преобразователей коэффициента мощности (ИПКМ), реализующих
различные методы сравнения мощностей постоянного и переменного
тока. Разработка и анализ возможных структурных методов
уменьшения доминирующих составляющих погрешности.
Обоснование выбора структуры эталона сравнения.
3. Теоретические исследования специальных, характерных только
для энергетических величин, погрешностей передачи размера
единицы.
-
Экспериментальное исследование макетов, реализующих новые структурные методы уменьшения погрешностей сравнения термоэлектрических ИПМ.
-
Разработка и апробация методов экспериментального исследования ИПМ и ИПКМ высшей точности.
-
Разработка, техническая реализация и экспериментальное исследование транспортируемого эталона сравнения единицы электрической мощности.
Методы исследований. В диссертационой работе применены теоретические и экспериментальные методы исследований.
Теоретические методы основаны на линейной алгебре, теории комплексных чисел. элементах математической статистики, дифференциального и интегрального исчислений. Анализ ряда
составляющих погрешности проведен численными методами с использованием ЭВМ.
Экспериментальные исследования проведены с помощью аппаратуры государственного и вторичного эталонов единицы электрической мощности ВНИИМ, а также с помощью предложенных и реализованных автором методик и вспомогательных устройств. Экспериментальные исследования дали результаты, хорошо согласующиеся с результатами теоретических исследований.
Научная новизна.
1. Получены математические выражения для оценки
частотнонезависимых составляющих погрешности термоэлектрических
ИПМ сравнения.
-
Получены уравнения связи фазовой погрешности, наиболее важной на эталонном уровне работ, с реальными параметрами термопреобразователей и электронных компонентов схем ИПМ. Предложена математическая модель погрешности. Разработан алгоритмический метод повышения точности, проведены расчеты и дана графическая интерпретация фазовой погрешности для нескольких видов ИПМ и для различных режимов их работы.
-
Предложены и исследованы структурные методы уменьшения фазовой погрешности более чем на порядок.
-
Предложен, теоретически и экспериментально исследован метод быстрой коммутации сигналов постоянного и переменного тока, позволивший снизить погрешность сравнения до (3+5) 10"6 без коррекции дрейфа усилителей на постоянном токе и при использовании термопреобразователей с большой ассиметрией на постоянном токе.
-
На основе метода быстрой коммутации предложены и исследованы две структуры ИПМ, одна из которых использована в модернизированном варианте вторичного эталона, а вторая — в транспортируемом эталоне сравнения.
-
Проведен уточненный анализ влияния паразитных связей между источниками напряжения и тока, формирующими фиктивную мощность, на результат воспроизведения и передачи размера единицы для ИПМ с пассивными и активными сумматорами токов и напряжений.
7. Разработаны методики и специальные устройства для
экспериментального определения погрешностей ИПМ и ИПКМ
высшей точности. Методики использованы при исследовании
вторичного эталона и эталона сравнения.
8. Предложены новые методы измерения А,,, положенные в
основу автоматизированной установки для поверки измерителей
коэффициента мощности.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Повышена точность вторичного эталона единицы
электрической мощности. Разработан и введен в состав вторичного
эталона новый измерительный преобразователь мощности на основе
метода быстрой коммутации входных сигналов с общей заземленной
точкой в цепях напряжения и тока, что позволило снизить СКО
результатов измерений более чем в 2 раза до (4+8)10-6 и погрешности
перехода в 1,5 раза до (1+5)1(TS в зависимости от AJ,.
-
Проведено уточнение угловой погрешности вторичного эталона за счет использования предложенного метода и устройства воспроизведения коэффициента мощности, равного нулю.
-
Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволившие снизить СКО, существенно повысить производительность и уменьшить субъективную погрешность, вносимую оператором.
4. Обеспечена возможность проведения международных
сличений. Разработаны, созданы и исследованы основные узлы
транспортируемого эталона сравнения 'Трансватт—1". Эталон
сравнения исследован и сличен с ГЭМ в соответствии с
предложенными в работе методиками исследований. Проведенные в
1992 г. сличения эталонов ВНИИМ и VTT (Финляндия) дали
расхождения Ы(Г5при Xj,= l и 5-Ю"3 при /ґр=0,2.
5. Разработан и экспериментально исследован ИПМ для
трехфазного счетчика электроэнергии ТТО—1 с погрешностью 0,02%.
6. В состав вторичного эталона электрической мощности введена
автоматизированная система поверки средств измерений
коэффициента мощности, позволившая более чем в 50 раз повысить
производительность поверки.
- X -
Основные положения, выносимые на защиту,
1. Методы анализа фазовой погрешности ИПМ и ИПКМ и
уравнения ее связи с параметрами реальных термопреобразователей;
результаты решения этих уравнений для наиболее точных ИПМ и
ИПКМ в различных режимах работы.
2. Результаты теоретического и экспериментального
исследования метода быстрой коммутации сигналов постоянного и
переменного тока, а также результаты разработки и конкретные
технические решения основанных на методе быстрой коммутации
ИПМ и ИПКМ для вторичного и транспортируемого эталонов
единицы мощности.
-
Результаты анализа влияния паразитных связей между источниками, формирующими фиктивную мощность, на погрешность передачи размера единицы и рекомендации по уменьшению этой погрешности.
-
Новые методы исследования составляющих погрешности наиболее точных ИПМ и ИПКМ и результаты экспериментального исследования эталона сравнения "Трансватт—1".
5. Новые методы поверки наиболее точных средств измерений
коэффициента мощности и результаты разработки и исследования
автоматизированной системы поверки средств измерений К^, входящей
в состав вторичного эталона мощности.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на: III Всесоюзном Совещании по точным измерениям электрических величин: переменного тока, напряжения, мощности, энергии и угла фазового сдвига, Кириши, 1988 г.; Третьей республиканской научно-технической конференции "Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике", Харьков, 1988 г.; VIII Всесоюзной научно—технической конференции молодых ученых и специалистов организаций и предприятий системы Госстандарта СССР, Новосибирск, 1989 г.; Конференции по точным электрическим и магнитным измерениям СРЕМ'90, Оттава, Канада, 1990 г.; Конференции по точным электрическим и магнитным измерениям СРЕМ'94, Боулдер, США, 1994 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 5 изобретений.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и девяти приложений. Объем диссертации 214 стр., в том числе 120 стр. текста, 54 рисунка на 38 стр., 5 таблиц на 3 стр. и 46 стр. приложений. Список литературы содержит 79 наименований на 7 стр.
