Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов построения первичных измерительных преобразователей (пип) электроэнергетических параметров переменного тока 18
1.1. Статические ПИП (СЛИП) 18
1.1.1. Методы построения 18
1.1.2. Пути повышения технических характеристик 31
1.2. Электромеханические компенсационные ПИП (ЭКПИП) 42
1.2.1. Методы построения 42
1.2.2. Классификация 45
1.3. Показатели качества 50
1.3.1. Метрологическая стабильность 50
1.3.2. Показатель энергетической добротности 54
1.3.3. Обобщенный критерий качества 60
2 Разработка и исследование математических моделей и структурных схем ЭКПИП 72
2.1. Уравнения преобразования в обобщенных координатах 72
2.2. Статические погрешности ЭКПИП 80
2.3. Динамические характеристики 90
3. Проектирование ЭКПИП 100
3.1. Принципы построения измерительных механизмов (ИМ) ЭКПИП 100
3.2. Выбор сочетаний систем ИМ 109
3.3. Влияние специфических погрешностей ИМ на точность ЭКПИП 114
3.3.1. Ферродинамические ИМ 114
3.3.2. Электромагнитные ИМ 135
3.3.3. Магнитоэлектрические ИМ 149
3.4. Разработка рекомендаций по рациональному построению ИМ 150
3.5. Анализ предельных возможностей ЭКПИП 160
4. Вопросы практической реализации и применения ПИП 167
4.1. Оптимизация рядов ПИП 167
4.2. Применение СЛИП 181
4.3. Конструктивные особенности ЭКПИП мощности, тока, напряжения 182
4.4. Односистемный ЭКПИП мощности 190
Заключение 195
Список литературы 199
Приложение I
- Электромеханические компенсационные ПИП (ЭКПИП)
- Статические погрешности ЭКПИП
- Влияние специфических погрешностей ИМ на точность ЭКПИП
- Конструктивные особенности ЭКПИП мощности, тока, напряжения
Введение к работе
В решениях ХХУЇ съезда КПСС указано, что в одиннадцатой пятилетке предусматриваются опережающие темпы развития производства быстродействующих управляющих и вычислительных комплексов, периферийного оборудования и программных средств к ним, электронных устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов, машин и оборудования и особо отмечается необходимость решения задач по повышению качества, надежности, экономичности приборов при одновременном снижении их материалоемкости и энергопотребления, улучшения системы оценки технико-экономического уровня разрабатываемых и выпускаемых изделий [80].
Важнейшими задачами приборостроителей являются изучение конкретных условий эксплуатации и определение перспективных требований к точности и надежности измерительных устройств. Совместно с энергетиками следует осуществить мероприятия по улучшению метрологических и эксплуатационных характеристик приборов и средств автоматизации для автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУШ) энергоблоков и электростанций [98] .
Основными элементами систем комплексной автоматизации технологических процессов являются первичные измерительные преобразователи (ПИП), преобразующие различного рода контролируемые параметры в стандартный [48] выходной сигнал. Для ПИП электроэнергетических параметров, осуществляющих получение и первичную обработку информации о состоянии подлежащих контролю и управлению генераторов электроэнергии, линий электропередачи, режимов работы электродвигателей и других энергоемких объектов, носителями измерительной информации, т.е. преобразуемыми электрическими величинами, являются 16 параметров [45] : Наибольший интерес представляют характеристики ПИП мощности, а также ПИП действующего значения переменного тока и напряжения, так как в основном эти преобразователи определяют экономическую эффективность от применения комплексной автоматизации, используемых в энергетике, и дают наибольший эффект от внедрения.
В настоящее время известно большое количество ПИП электрических величин, выпускаемых как в нашей стране, так и за рубежом.
Только в США их выпуском занимается более 500 фирм, причем количество модификаций выпускаемых ПИП превышает 200 [54 ] .
Большое применение находят ПИП в отечественных системах комплексной автоматизации процессов контроля и управления энергообъектами в таких отраслях народного хозяйства, как энергетика, судостроение, черная и цветная металлургия, химическая, нефте- и газодобывающая промышленность, промышленность строительных материалов, станкостроение и ряде других.
Широко использовались ПИП при автоматизации таких крупных энергоблоков, как блок 800 Мвт Славянской ГРЭС, блок 500 Мвт Наза-ровской ГРЭС, при автоматизации ТЭЦ-21 Мосэнерго, Змиевской ГРЭС и др.
Комплексная автоматизация управления энергоагрегатами электростанций и электрических производств в различных отраслях промышленности позволяет: - повысить К.П.Д. энергоблоков;
- увеличить количество вырабатываемой на электростанциях электроэнергии за счет сокращения времени аварийных простоев, пуска-останова агрегатов;
- уменьшить потери в сетях;
- оптимизировать технологические процессы в различных отраслях промышленности, что дает значительный экономический эффект в народном хозяйстве.
В связи с постоянным укрупнением мощностей электрических станций и отдельных энергетических блоков экономичность электроагрегатов возрастет.
Обеспечение согласования ПИП с устройствами систем автоматизации энергообъектов, исключение противоречивых требований потребителей в значительной мере затруднялось в связи с отсутствием нормативного документа ранга ГОСТ на ПИП электрических величин.
Оптимизация номенклатуры технических требований, установление единой системы показателей качества ПИП является важнейшим условием их дальнейшего развития.
Повышение точности преобразования электроэнергетических параметров обеспечит более точное определение расчетных эксплуатационных показателей, поддержание экономичного режима и повышение надежности работы энергообъектов.
И если для ПИП, используемых в устройствах режимной автоматики, можно допустить [30 J погрешность 1,0 - 1,5%, то в случае применения ПИП для ввода информации в управляющие вычислительные машины, чем выше метрологические характеристики преобразователей, тем, соответственно, оптимальнее управление энергетическими объектами.
Повышение точности ПИП электрических величин до 0,2 0,1% обеспечит решение важнейших задач по расчету технико-экономических показателей энергообъектов. Отечественные ПИП имеют, как правило, погрешность преобразования 0,5 1,0 (Приложение I).
Проведенный анализ потребностей различных отраслей промышленности в ПИП показал, что одним из важнейших требований, характеризующих измерительные сети в отраслях-потребителях, является обеспечение измерений при больших искажениях формы кривой переменного тока (до 20%). Эти данные находятся в соответствии с результатами исследований, проведенными в различных энергосистемах.
Так, исследования, проведенные в Красноярской энергосистеме, показали [35] , что даже в месте наименьшего искажения кривой, на питающей электростанции, высшие гармоники тока составляют (в % к основной гармонике): 3-я до 15%, 5-я до 30%, 7-я до 8%, 9-я до 5%.
Результаты исследований [92] , проведенных в Белорусском политехническом институте, показали, что при определенных .условиях несинусоидальность формы кривой напряжений и токов в электрических сетях может достигнуть 15-20%.
Искажения формы кривой переменного тока по сравнению с синусо-идальной имеются в настоящее время практически во всех электрических цепях [53] .
Работа измерительных устройств в цепях с искаженной формой кривой связана в ряде случаев с появлением дополнительных погрешностей, снижение которых осуществляется, как правило, с большими трудностями, а в отдельных случаях не представляется возможным.
Исследованию вопросов измерений при искаженной форме кривых были посвящены работы А.В.Фремке [ill] , B.C.Скрябинского [103, 104, 106] , Л.В.Бычкова [34, 35J , С.М.Пигина [89] , Л.И.Волгина [38-40] , М.А.Огорелина [81] , Л.М.Богорад [32] , О.С.Швегжды [116]и ряда других авторов, позволившие добиться значительного прогресса в этом направлении.
Введение относительного показателя точности Кточн= " , где )f - основная приведенная погрешность ПИП, %
Кн.и.- коэффициент высших гармоник формы кривой входного сигнала, при котором погрешность не превышает предела для данного ПИП,% позволяет сравнить (рис. 0.1.) требуемые и достигнутые отечественными ПИП метрологические характеристики.
Как видно из таблицы (Приложение I), отечественные ПИП имеют значительные габаритные размеры и материалоемкость, а себестоимость их изготовления достаточно высока.
В связи со все возрастающей потребностью народного хозяйства в ПИП, удовлетворить которую можно только за счет высокоэффективного крупносерийного производства, очень остро встала проблема конструктивной унификации ПИП, обеспечивающей минимизацию схемных решений и используемой элементной базы.
Основными элементами при построении преобразователей являются измерительные механизмы, статические полупроводниковые и магнитные элементы, датчики, использующие эффект Холла, термопреобразователи и т.д.
Измерительные механизмы применяются в преобразователях фирмы Haxtman Biaun№T),&oetz E€ectio A.Q (Австрия), ряда Итальянских фирм и др.
Большую роль в разработке и организации промышленного производства отечественных ПИП сыграли коллективы организаций ВНИИ электроизмерительных приборов (г.Ленинград), завода электроизмерительных приборов (г.Витебск), ПО "Точэлектроприбор" (г.Киев) и др. Значительный вклад в развитие и освоение ПИП внесен кафедрами Ленинградского, Харьковского, Куйбышевского, Ульяновского политехнических институтов, Московского энергетического института и др. организациями.
Работы перечисленных организаций относятся к области статических преобразователей.
Построение ПИП на базе статических полупроводниковых и магнитных элементов позволяет обеспечить их надежную работу в условиях воздействия механических нагрузок и изменения в широком диапазоне климатических условий.
В то же время использование известных статических ПИП в сетях переменного тока с большими нелинейными искажениями связано в большинстве случаев с появлением значительных дополнительных погрешностей, схема и конструкция статических преобразователей при измерении различных параметров имеют, как правило, низкую конструктивную унификацию.
Проводимые в СССР работы по повышению точности статических ПИП электрических величин переменного тока связаны с усложнением схемных решений.
Большое распространение за рубежом получили преобразователи на базе электромеханических измерительных механизмов, позволяющие измерять действующие значения электрических величин переменного тока,
В литературе [52, 84-87, 102, 122, 124-125J , рассматриваются электромеханические ПИП. Однако в большинстве работ дается описание различных схем и конструкций, и в лучшем случае, приводятся результаты их экспериментальных исследований, но практически отсутствуют методы теоретического анализа и инженерных расчетов этих устройств, их классификация и т.д.
Отдельные теоретические разработки, освещенные в работах Д.А.Браславского, Н.Я.Вовченко, М.М.Фетисова, А.П.Юркевича и др. [37, 109, 119 J , относятся к измерениям неэлектрических величин.
В литературе не уделено достаточного внимания анализу погрешностей электромеханических ПИП, путей повышения их точности. Отсутствует анализ и рекомендации по рациональному сочетанию различных измерительных систем в зависимости от назначения ИП.
Для построения электромеханических ПИП электрических величин используются измерительные механизмы различных систем. Исследованию измерительных механизмов посвящены работы В.О.Арутюнова, А.В.Фрем-ке, Н.Н.Пономарева, Е.Г.Шрамкова, Т.В.Рождественской, С.М.Пигина, И.С.Векслера, Г.Д.Лонинова, В.Н.Мильштейна, В.С.Скрябинского и др. [14-16,72,76,91,96,106,110 ].
Однако в них не рассматриваются специфические вопросы работы измерительных механизмов различных систем при малых углах поворота подвижной части, что имеет место в электромеханических ПИП и существенным образом может влиять на конструктивные параметры отдельных механизмов и их соотношения.
Целью настоящей работы является совершенствование ПИП электроэнергетических параметров переменного тока по улучшению их технических характеристик, снижению материалоемкости и повышению экономичности.
Эта цель обуславливает постановку и решение следующих задач: I). Определение наиболее раниональных известных методов построения ПИП для конкретных требований отраслей-потребителей. Эта задача решается путем:
- анализа методов построения ПИП;
- разработки рекомендаиий по созданию нормативного документа - „Общих технических условий на преобразователи измерительные";
- разработки обобщенного критерия качества и определения преимущественных областей применения статических и электромеханических ПИП.
2). Совершенствование способов построения ПИП. Эта задача решается путем:
- разработки и анализа обобщенной функциональной модели электромеханических компенсационных ПИП;
- анализа работы измерительных механизмов при малых углах поворота подвижной части, разработки рекомендаиий по их раииональ-ному построению;
- разработки новых образцов ПИП, рассмотрения вопросов их применения.
Поскольку менее изученными являются ПИП электромеханические, то в работе много внимания уделено вопросам их построения.
Тема работы непосредственно связана с требованиями ряда отраслей народного хозяйства по комплексной автоматизаиии технологических процессов контроля и управлениям энергообъектами и продиктована необходимостью выполнения работ в соответствии с Постановлением ГКНТ СМ СССР № 415 от 18.11.76 г. по решению научно-технической проблемы 0.18.01 „Создать и освоить в производстве общепромышленные приборы и средства автоматизации для оснащения сдаваемых автоматизируемых систем управления технологическими процессами, обладающие повышенной точностью, надежностью и долговечностью, освоенные на принципах государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП)", задание 01.13, планом НИР и ОКР ВЗЭП,г.Витебск (Гос.per.№№76086300, 77062606, 81086257 ) планом важнейших работ Минприбора (Приказ № 426 от 17.12.76г.,задание 504060), приказом Минприбора № 248 от 20.08.75 г.„О дальнейшем развитии работ по созданию агрегатного комплекса средств электроизмерительной техники", поз. 1.7., а также Программой № 132 -1.07.77 комплексной стандартизапии средств измерений электрических и магнитных величин (Тема 07.04.1.34, поз. I.3.I), утвержденной Постановлением Госстандарта СССР от 22.12.77 № 54.
В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
1. Получены рекомендации по повышению технических характеристик статических ПИП.
2. Разработана классификация электромеханических компенсационных ПИП, показаны резервы их совершенствования.
3. Предложен обобщенный критерий качества ПИП.
4. Разработана и исследована обобщенная модель электромеханических компенсационных ПИП. Определены рациональные сочетания систем измерительных механизмов.
5. Определены статические и динамические характеристики электромеханических компенсационных ПИП,показаны их предельные возможности.
6. Проведен анализ принципов построения измерительных механизмов при малых углах поворота подвижной части и специфических погрешностей различных систем измерительных механизмов.
7. Получены выражения для удельного электрического противодействующего момента и угла поворота подвижной части, разработаны рекомендации по расчету конструктивных параметров механизмов ПИП. 8. Показана возможность построения современных ПИП на простейшей элементной базе - механизмах щитовых показывающих приборов. Новые практические результаты, полученные при выполнении работы:
1. Разработаны рекомендэпии по проектированию измерительных механизмов ПИП, позволяющие обеспечить высокие метрологические характеристики.
2. Определены преимущественные области применения различных ПИП, проведена оптимизация состава ряда моделей ПИП.
3. Разработан ГОСТ 24855-81 "Преобразователи измерительные тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления аналоговые. Общие технические условия", утвержденный Постановлением Госстандарта СССР от 23.06.81 г. № 3070.
4. Предложены: измерительный преобразователь активной мощности в напряжение постоянного тока; аналого-дискретный квадратор, предназначенный для использования в качестве блока функционального преобразования статического ПИП мощности, измерительный преобразователь активной мощности трехфазных цепей, статическое устройство для измерения электрической мощности, электромагнитный ваттметр, электромеханический ПИП мощности, использующий только электромагнитный принцип действия.
Предложения защищены авторскими свидетельствами [l7,I8,I9,20,2IJ.
На основании теоретических и экспериментальных исследований и рекомендаций, полученных в работе, разработаны ПИП тока Е82, напряжения Е84, мощности Е86, Е848, проведена модернизация ПИП активной мощности для тяжелых условий эксплуатации E70I9. Технические характеристики разработанных ПИП соответствуют современному мировому уровню.
Внедрение рекомендаций, полученных в работе, обеспечивает экономический эффект в народном хозяйстве, превышающий 2 млн.руб. (см. приложение 2).
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Классификация электромеханических компенсационных ПИП.
2. Обобщенный критерий качества ПИП.
3. Оптимизация состава ряда моделей ПИП.
4. Результаты исследования математической модели электромеханических компенсационных ПИП.
5. Анализ специфики работы измерительных механизмов в ПИП, рекомендации по их построению.
6. Анализ предельных возможностей электромеханических компенсационных ПИП и путей их совершенствования.
7. Разработанные конструкции ПИП электроэнергетических параметров переменного тока, отличающиеся от известных устройств аналогичного назначения более высокими технико-экономическими характеристиками.
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в тринадцати статьях [2, 3 , 5, 6й, 7й, 8, 9, 10, 56й, 71й, 73Й,Ю7Й, 117 ], в описаниях изобретений по семи авторским свидетельствам СССР [17 - 22s, 24sJ , представлены в научно-техническом отчете [94 J , свидетельстве на промышленный образец [4], ГОСТ 24855-81 [49].
Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на 5 конференциях и семинарах. Кроме того, работа получила апробацию на Витебском заводе электроизмерительных приборов голени 60 - летия Великого Октября при выполнении научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ и освоении серийного производства первичных в соавторстве измерительных преобразователей электроэнергетических параметров.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня литературы 126 наименований, 6 приложений и содержит 147 машинописных страниц основного текста, иллюстрирована 40 рисунками и 28 таблицами.
В первой главе рассмотрены методы построения ПИП электроэнергетических параметров, проведен их сравнительный анализ, показаны перспективы дальнейшего улучшения технических характеристик статических ПИП, систематизирован материал и разработана классификация электромеханических компенсационных ПИП, рассмотрена задача опенки технического уровня ПИП, предложен обобщенный критерий их качества, определены преимущественные области применения статических и электромеханических компенсационных ПИП.
Вторая глава посвящена исследованию математических моделей и структурных схем электромеханических компенсационных ПИП. Выполнен анализ статических и динамических характеристик. Установлено, что удельный устанавливающий момент в измерительных механизмах ПИП значительно выше, чем у показывающих приборов, а угол поворота подвижной части мал, что определяет необходимость исследования специфики работы измерительных механизмов в этих условиях.
Третья глава посвящена вопросам проектирования электромеханических компенсационных ПИП. Рассмотрены принципы построения измерительных механизмов при малых углах поворота подвижной части. Определены рациональные сочетания измерительных механизмов в ПИП. Получены выражения, связывающие метрологические характеристики электромеханических компенсационных ПИП с конструктивныгли параметрами, выполнен анализ их предельных возможностей. Предложена конструкция одноэлементного электромагнитного механизма для измерения мощности.
В четвертой главе приведены конструкции разработанных ПИП и их технические характеристики, рассмотрены вопросы их применения для решения конкретных задач отраслей-потребителей.
Такім образом, на основе накопленного опыта в изготовлении и эксплуатации первичных измерительных преобразователей электроэнергетических параметров, измерительных механизмов различных систем, достижений науки и техники в области приборостроения, ученых, работающих в области совершенствования отечественного приборостроения, а также научных и экспериментальных исследований автора, в диссертационной работе решена задача, касающаяся конструктивных методов повышения качества первичных измерительных преобразователей, направленных на снижение погрешностей преобразования в сетях со значительными нелинейными искажениями, уменьшение материалоемкости, повышение эксплуатационной надежности и экономичности изделий.
Электромеханические компенсационные ПИП (ЭКПИП)
Первичные измерительные преобразователи, использующие принцип компенсации вращающих моментов измерительных механизмов (ИМ), именуются в дальнейшем электромеханическими компенсационными первичными измерительными преобразователями (ЭКПИП).
Принцип измерения электрических величин переменного тока посредством компенсации их величиной постоянного тока известен давно [ 85 ] . И с давних времен усилия специалистов были направлены на поиски методов реализации этого принципа, путей их совершенствования.
Первый известный измерительный преобразователь электрических величин решал задачу компенсации вращающего момента электромеханическим путем.
Устройство такого преобразователя, разработанного фирмой "АЕГ", приведено в работе [122] .
Основными недостатками этого способа компенсации вращающего момента являлись перегрузки подвижной части, относительно большое время установления и ограниченная точность измерения.
Устранению этих недостатков во многом способствовало применение в последующих разработках для регулировки компенсационного тока электронных средств.
В [l25] приведены примеры построения ПИП на лампах с применением индуктивного и фотоэлектрического датчиков угла поворота.
В начале 50-х годов были разработаны первые компенсационные преобразователи без применения реле и электронных ламп [122] .
Усиление компенсационного тока в них осуществлялось магнитными усилителями.С появлением транзисторов требуемое усиление компенсационного тока достигается, главным образом, с помощью этих элементов.По принципу компенсации вращающих моментов работает ПИП переменного тока MUV2.
К преимуществам этого ПИП относится, в первую очередь, его универсальность, т.к. при несколько измененной схеме и конструкции он может использоваться также для измерения напряжения, мощности.Принцип действия и устройство ЭКПИП напряжения аналогичны преобразователям тока.
Пример такого преобразователя - Мопах-4 .Разработанный румынскими специалистами и имеющий простое конструктивное оформление ЭКПИП мощности [бі] построен на элементах крупно-серийного производства. Принцип действия его состоит в уравновешивании вращающего момента, создаваемого в 2-х механизмах индукционного счетчика компенсационным моментом, создаваемым при помощи усилителя.
Величина постоянного тока на выходе пропорциональна значению измеряемой мощности.Основная погрешность описанного преобразователя не превышала 1,0% при простой конструкции и высокой надежности в эксплуатации. Недостатком преобразователя следует считать необходимость стабилизации компенсационного напряжения.
Большинство ЭКПИП мощности лишено этого недостатка, т.к. построено на сочетании ИМ электродинамической или ферродинамической системы с вторичным механизмом постоянного тока, главным образом, магнитоэлектрической системы.Мопах-2 предназначен, главным образом, для преобразования активной или реактивной мощности в пропорциональный постоянный ток. Момент равновесия контролируется емкостным датчиком угла поворота. Электронная часть - полностью на транзисторах, питается стабилизированным вспомогательным напряжением.Мопах-2 имеет один или два ферродинамических ИМ, которые, кроме измерения активной и реактивной мощности, пригодны для измерения частоты и для проведения аналоговых счетных операций.В качестве компенсационного механизма применен магнитоэлектрический ИМ.
В современном преобразователе М5 [122] момент равновесия контролируется индуктивным датчиком угла поворота.
В настоящее время усилия разработчиков направлены, наряду с повышением точности ЭКПИП, на улучшение качества, упрощения конструкции и повышение, в связи с этим, надежности в эксплуатации. Перспективным в этом направлении является совмещение функции нескольких элементов в одном и уменьшении, в связи с этим, общей высоты преобразователей. Авторами статьи [105] предлагается совместить датчик угла поворота с первичным механизмом преобразователя, для чего использовать рамку электродинамического механизма в выходной цепи датчика утла поворота, а также указывается на возможность размещения на каркасах неподвижных катушек электродинамического механизма еще одной катушки, обтекаемой стабилизированным постоянным током, а постоянный сигнал с выхода цепи обратной связи подавать на ту же рамку электродинамического механизма через соответствующий фильтр. При этом преобразователь значительно упростится.
Простой путь преобразования мощности переменного тока в пропорциональный постоянный ток с использованием идеи совмещения эле МЄНТОЕ предложен в работе [87] .
Общепринятая классификация ПИП до сих пор не установлена. Существует много частных подходов с самыми разнообразными классифи-каиионными признаками [ilC] .
В результате обобщения материалов автором предложено [з] ЭКПИП классифицировать по следующим характерным признакам:- назначение;- схема уравновешивания;- конструкция;- сочетание систем ИМ;- тип преобразователя угла поворота; - вид выходного сигнала.
Предлагаемая классификзпионная схема приведена на рис. 1.9. Конструктивно ЭКПИП могут быть построены с использованием одного, двух или более измерительных элементов.
На базе 6 известных систем электромеханических приборов, приведенных в классификапионной схеме, может быть построено число сочетаний, обеспечивающих преобразование практически всех основных электрических величин и параметров непей.
На классификапионной схеме это сочетание условно обозначено в виде дроби, в числителе которой дано обозначение первичного ИГЛ.
ЭКПИП могут быть построены как с применением однотипных и идентичных по конструкции ИМ (односистемные преобразователи), так и с использованием сочетания ИМ различных систем (многосистемные или, в частном случае, двухсистемные преобразователи). в соавторстве
Статические погрешности ЭКПИП
В целях упрощения анализа многократный преобразователь можно свести к однократному, исключая промежуточные величины, характеризующие внутренние подсистемы.
После соответствующих преобразований системы (2.6.) запишем для эквивалентного преобразователя эквивалентные значения коэффициентов, соответственно, прямой и обратной связи.
Для исследования взаимосвязи характеристик ЭКПИП и его параметров примем за основу эквивалентный преобразователь, описанный системой (2.П.).
Связь между измеряемой величиной U и выходным сигналом определим в виде: и представляет собой обобщенное сопротивление электромеханического компенсационного ПИП, определяемое тремя основными компонентами: обобщенной упругостью W , обобщенным демпферированием Кд и обобщенной инерционностью L В операторной форме
Приравнивая (2.16.) и (2.14.) и объединяя коэффициенты при одинаковых степенях р t получим:
На основе выражений (2.17.) - (2.19.) определим основные характеристики ЭКПИП: Чувствительность в установившемся режиме Постоянную времени Таким образом, использование обобщенной структурной схемы, отражающей внутренние взаимосвязи в ЭКПИП, позволяет исследовать взаимосвязь характеристик преобразователя и их зависимость от параметров элементов.
Проведем анализ свойств ЭКПИП на основе исследования структурной схемы, опустив, для упрощения, влияние последующих подсистем на предыдущие, и представив его состоящим из первичного ИМ I и системы с отрицательной обратной связью II (рис. 2.4.).
В этом случае можно записать: ВЫЛ К ЭКПИП, как измерительному устройству, предъявляются высокие требования в части точности преобразования входных величин в выходной сигнал, следовательно, должна обеспечиваться стабильность его коэффициента преобразования. Кроме того, характеристика "вход выход" преобразователя должна быть линейной.
Как видно из выражения (2.33.), погрешность ЭКПЙП определяется погрешностями первичного и вторичного ИМ, етатизмом и его изменениями. Причинами изменений статизма могут быть внешние влияния: изменение сопротивления нагрузки, колебания температуры и т.п., а также изменение параметров элементов ЭКПШ1.
Для структурной схемы ЭКПШ (рис. 2.4.) погрешность можно выразить формулой: где о j - относительная погрешность первичного ИМ; Он - относительная погрешность системы с отрицательной обрат ной связью. В соответствии с L37J , \_119] и с учетом (2.31.) можно записать: где Л LSb/x - абсолютная погрешность звеньев прямой связи, приведенная к ее выходу; Л Кпц. - абсолютная погрешность коэффициента преобразования вторичного ИМ, составляющего звено обратной связи, т.к. oL0 1 , то погрешность вторичного ИМ передается на выход системы.
Рассмотрим выражение Изменение выходного сигналаALgux обусловлено как изменением коэффициентов преобразования звеньев, так и смещением характеристик звеньев. а) влияние смещения характеристик звеньев Для удобства анализа смещения характеристик звеньев, охваченных обратной связью, преобразованы на рис. 2.4. в формулу соответствующей помехи Мдоп, Ad, AUj, А Із , AU« , AL.
Влияние специфических погрешностей ИМ на точность ЭКПИП
В гл. 2 было показано, что погрешности ЭКПИП определяются погрешностями преобразования первичными и вторичными ИМ электрических величин во вращающие моменты. В связи с возможностями построения ЭКПИП на базе ИМ различных систем рассмотрим специфические особенности возникновения погрешностей преобразования этих механизмов при малых углах поворота подвижной части и методы их уменьшения.
Вращающий момент, действующий на подвижную часть [ НОJ f где В - индукция в воздушном зазоре; вг ,111г, Іг соответственно, площадь, число витков и ток подвижной рамки.
При использовании линейного участка кривой намагничивания где С - коэффициент, зависящий от выбора системы и конструктивных параметров механизма, I - ток в неподвижной катушке. Подставляя (3.14) в выражение (3.13), запишем:
Наличие магнитопровода и потерь в нем вызывает сдвиг по фазе индукиии В от тока в неподвижной катушке на угол , а наличие индуктивности в параллельной иепи механизма вызывает сдвиг по фазе между U и 1« на угол ц (см. рис. 3.4).
Из диаграммы следует, что где f - угол сдвига фаз между током в неподвижной катушке (последовательной иепи механизмов) и напряжением в параллельной иепи. С учетом выражения (3.15) запишем:
Изменение коэффициента преобразования Кфд обуславливается возможными изменениями под действием влияющих факторов следующих параметров: I, V7, Rre, Уи,8. Если угол (%/-) очень мал, то с достаточным приближением можно считать Cos [Ч и- / г /. В соответствии с этим выражение (3.22.) принимает вид: Изменение коэффициента преобразования Кфд с изменением указанных параметров запишется в виде: После дифференцирования (3.23.) получим выражения для соответствующих частных производных:
Подставив (3.25.) - (3.29.) и поделив левую и правую части уравнения на Кфд, с учетом малости угла ( Vu - ) запишем:
Рассмотрим каждое из слагаемых выражения (3.30.). Как известно, [Зі] , полное сопротивление цепи можно определить по формуле: где К - активное сопротивление; X - реактивное сопротивление. В рассматриваемом случае где J - частота измеряемой сети; ЦІ - индуктивность параллельной цепи механизма.
Изменение сопротивления параллельной цепи Л 2 обусловлено изменением активного сопротивления при температурном воздействии и изменением частоты измеряемой цепи.
Индуктивность рамки ферродинамического механизма определяется геометрией рамки (размерами сторон и сечением) и числом витков [93] и принимается в анализе величиной постоянной. После дифференцирования (3.31.) и учитывая, что
Получим: После преобразования запишем: Магнитное сопротивление магнитопровода определяется следующим выражением: Fe - - - - ттт- (3.34) где рЄ/ Sfe - длина и площадь сечения магнитопровода; Jtpt - магнитная проницаемость материала магнитопровода.
Изменение сопротивления Л Rpe обусловлено возможным изменением магнитной проницаемости материала:
Изменение угла сдвига фаз Л % обусловлено возможным изменением активного сопротивления параллельной цепи при изменении температуры и изменением частоты измеряемой цепи. Ввиду малости угла fu можно записать:
Конструктивные особенности ЭКПИП мощности, тока, напряжения
Проведенные в данной работе исследования явились базой для разработки ряда ЭКПИП электроэнергетических параметров переменного тока. Разработанный под руководством и при непосредственном участии автора ЭКПИП мощности Е86 предназначен для преобразования мощности переменного тока в стандартный выходной сигнал постоянного тока в сетях с нелинейными искажениями формы кривой до 20$.
Измеряемая мощность подается в ЭКПИП Е86 на первичный ИМ, при этом создается вращающий момент, под действием которого поворачивается подвижная система и лепесток преобразователя угла поворота выводится из нулевого положения. При этом на выходе преобразователя угла поворота трансформаторного типа возникает напряжение переменного тока, которое выпрямляется.
Сигнал с выпрямителя, пропорциональный углу поворота подвижной системы, подается через усилитель на вторичный ИМ, на котором создается уравновешивающий момент, направленный противоположно моменту первичного 14м.
Питание усилителя постоянного тока и преобразователя угла поворота осуществляется блоком питания.
В качестве первичного механизма выбран двухэлементный ЮЛ ферродинамической системы, изображенный на рис. 4.3., отличающийся уменьшенными габаритами и весом.
Вращающий момент ферродинамического механизма, примененного в ЭКПИП мощности, равен 156 10 н.м. Первичный ИМ имеет две подвижные рамки по 350 витков и две неподвижные - по 10 витков. В результате проведенных экспериментов в качестве материала для магнитолровода выбран пермалой 50Н.
В качестве вторичного механизма использован магнитоэлектрический ИМ с внешним магнитом броневого типа (рис. 4.4.), обладающий малым рассеянием.
Число витков рамки механизма - НО. Индукция магнитного поля в воздушном зазоре - 0,24 тл. Все узлы ЭКПИП (преобразователь утла поворота с усилителем, блок питания, измерительная система) расположены на общей панели.
Измерительная система выполнена следующим образом: два элемента ферродинамического механизма расположены в одной плоскости, а над ними расположена магнитная система магнитоэлектрического механизма. Первичный и вторичный ИМ собраны в жесткую систему, имеющую общую ось вращения. Подвижная часть крепится на кернах Собранный на панели преобразователь мощности закрывается унифицированным кожухом.
Внешний вид (рис. 4.5.) защищен свидетельством на промышленный образец Q4] . Разработанные под руководством и при непосредственном участии автора ЭКПИП тока и напряжения предназначены для преобразования переменного тока (Е82) и напряжения переменного тока (Е84) в стандартный выходной сигнал постоянного тока в сетях переменного тока с нелинейными искажениями формы кривой до 20$.
Схема построения преобразователей тока Е82 и напряжения Е84 идентична схеме преобразователя Е86 с тем лишь отличием, что в качестве как первичного, так и вторичного ИМ применены механизмы электромагнитной системы. В целях обеспечения высокой точности преобразования в цепях с большими нелинейными искажениями на основании изложенных выше рекомендаций и проведенных экспериментов, выбран ИМ с плоской катушкой, изображенный на рис. 4.6. и подвижной частью (рис. 4.7). ЭКПИП тока и напряжения отличаются лишь обмоточными данными катушек входной цепи и добавочным сопротивлением.
В качестве материала сердечника выбран пермаллой 79НМ, имеющий малую величину коэрцетивной силы. Все функциональные узлы ЭКПИП тока (напряжения) расположены на общей панели.
Первичный и вторичный ИМ выполнены в виде укрепленных на обойме .двух плоских катушек и подвижной части с двумя жестко связанными сердечниками, входящими в пазы катушек. Собранный на панели преобразователь закрывается кожухом.
Внешний вид ЭКПИП тока Е82 и напряжения Е84 аналогичен представленному на рис. 4.5 ЭКПИП мощности Е86.
Основные технические характеристики разработанных ЭКПИП приведены в табл. 4.17. Результаты промышленной эксплуатации положительные (Приложение 4). Показатели энергетической добротности разработанных ЭКПИП соответствуют уровню лучших современных образпов. Это является экспериментальным подтверждением приведенных в данной работе теоретических обоснований возможности построения совершенных преобразователей на простой элементной базе.
Интегральный показатель качества ЭКПИП мощности Е86, равный 0,4, значительно выше соответствующих показателей для СЛИП мощности Е748, Е728, и Е829, что подтверждает эффективность их применения в системах контроля и управления энергообъектов при требуемой погрешности преобразования і 0,5 % и менее точных и невысоких вибрапионных воздействиях.
В пелях повышения уровня конструктивной унификации представляется перспективным использование предлагаемой ниже конструкции односистемного ЭКПИП мощности, использующего электромагнитный принцип действия как. для первичного ИМ, так и для выполнения преобразователя угла поворота и вторичного ИМ.
Основным элементом ЭКПИП (рис. 4.8.) является механизм, содержащий два Ш-образных магнитопровода I и 2, на одном из которых расположены две встречно включенные обмотки напряжения U с добавочным сопротивлением 3 и согласно включенные обмотки тока /, а на другом - встречно включенные обмотки напряжения U электромагнитного преобразователя угла поворота подвижного сердечника 4, включенные в мостовую схему на потенциометр 5 и согласно включенные обмотки вторичного ГОЛ, по которым протекает постоянный ток Го , разделенные постоянным магнитом 6, закрепленным на центральном стержне этого Ш - образного магнитопровода. Подвиж ный ферромагнитный сердечник 4 симметричной формы установлен на растяжках 7 в рабочем зазоре между магнитолроводами I и 2. Обмотки преобразователя угла поворота запитаны от генератора переменного тока 8 и через потенциометр 5 подключены к фазочувствитель-ному выпрямителю 9, который через усилитель постоянного тока 10 и телеметрический канал с показывающим прибором соединен с обмотками вторичного ИМ.
При включении обмоток тока I и напряжения. U в измеряемую цепь в дифференциальном электромагните, образованном первым Ш-об-разным магнитолроводом и подвижным сердечником 4, реализуется суммо-разностный режим перемножения токов измерительных обмоток, так как квадратичные характеристики электромагнитных механизмов обеспечивают при малых углах поворота L подвижного сердечника достаточно точное перемножение по следующей формуле:
