Введение к работе
Актуальность темы. В промышленности и электроэнергетике широко используются большие переменные и постоянные токи. При этом в абсолютном большинстве применяются большие переменные токи (БПТ), измерение которых обеспечивает контроль и управление в установках и технологических комплексах. Источниками питания потребителей БПТ являются, как правило, силовые преобразовательные устройства, ток в цепях которых в большинстве случаев принимает сложную форму, отличную от гармонической. Измерение БПТ — специфичная область измерений, имеющая свои особенности и выдвигающая дополнительные условия к измерителям БПТ (ИБПТ), состоящим из первичного измерительного преобразователя (ПИП) и вторичного измерительного преобразователя (ВИЛ). Анализ состояния парка промышленных ИБПТ показал, что при многообразии номенклатуры ИБПТ техника измерений БПТ отстает от запросов практики. Это отставание обусловлено неразборностью стационарных и недостаточной точностью разборных ПИП, отсутствием серийно выпускаемых ИБПТ промышленного применения для верхнего диапазона БПТ, невозможностью с необходимой точностью измерять БПТ в переходных режимах и БПТ сложной формы, большими и растущими с ростом измеряемых БПТ массогабаритными показателями ПИП, отсутствием (в случае необходимости интегрирования выходного сигнала ПИП) удовлетворяющего определенным условиям ВИЛ. Недостатки существующих ИБПТ делают актуальными технические разработки и исследования, направленные на совершенствование ИБПТ.
Цель работы - разработка ИБПТ, в максимальной степени отвечающего условиям и особенностям измерения БПТ и лишенного выявленных недостатков существующих ИБПТ.
Цель достигается
использованием ПИП нетрадиционной компоновки, обмотка которого с немагнитным сердечником крепится непосредственно на токопроводе без охвата его, чем исключается необходимость разборности токопровода или обмотки ПИП, уменьшаются массогабаритные показатели ПИП и влияние помех, устраняются нелинейные искажения сигнала;
применением в качестве интегрирующего ВИЛ специальных фильтров, выполняющих приближенно операцию интегрирования, но лишенных при этом таких недостатков интегратора, как влияние начального момента измерения (фазы измеряемого тока) на результат измерения и накопление погрешности интегрирования при наличии постоянной составляющей сигналов помех на его входе.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач и проведением следующих исследований:
оценка метрологических возможностей предлагаемого ПИП и степени его превосходства по массогаоаритным показателям над трансформаторами тока (ТТ);
аналитическое обеспечение расчета катушек ПИП;
оптимизация формы и размеров катушек ПИП при двух вариантах критериев их оптимальности;
обоснование целесообразности замены интегрирующего ВИЛ фильтрами с дробно-рациональными передаточными функциями (ПФ) и синтез ПФ фильтров первого и второго порядков;
анализ возможностей цифровой реализации синтезированного фильтра. Определение системной функции (СФ) цифрового фильтра, наилучшим образом эквивалентирующего аналоговый фильтр-прототип;
исследование способности аналоговых и цифровых фильтров воспроизводить сигналы различной формы;
экспериментальное исследование метрологических характеристик предлагаемого ИБПТ с аналоговой и цифровой реализациями ВИЛ.
Методы исследования базируются на математическом анализе, теории электротехники, управления и цифровой обработки сигналов. Методика исследования сочетает теоретический анализ, моделирование на персональном компьютере (ПК) и натурный эксперимент.
Определение формы и параметров катушек ПИП, синтез аналогового и цифрового фильтров выполнялись методами дифференциального, интегрального, операционного (непрерывного и дискретного) исчислений и гармонического анализа. При оптимизации формы катушек ПИП применялось вариационное исчисление. Определение формы и размеров катушек ПИП и моделирование ИБПТ с аналоговым и цифровым фильтрами осуществлялись с использованием численных методов математического анализа и математического моделирования. При проведении эксперимента и обработке его - результатов использовались методы метрологии и математической обработки результатов.
Достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждена экспериментальными исследованиями и опытом эксплуатации разработанных ИБПТ.
Научная новизна Решены задачи оптимизации формы и размеров катушек ПИП, монтируемых непосредственно на токопроводе без охвата его, чем достигается максимальный коэффициент преобразования измеряемого тока в напряжение ПИП, минимизируется расход обмоточного провода и габариты катушек ПИП, снижается влияние помех.
Впервые предложено применять в качестве интегрирующего ВИЛ специальные фильтры, приближенно выполняющие операцию интегрирования, но исключающие при этом недостатки интегратора.
ж I
Синтезирована ПФ интегрирующего фильтра.второго порядка и показана эффективность ИБПТ с этим фильтром.
При цифровом эквивалентировании синтезированного фильтра выявлено превосходство цифрового фильтра, первая и вторая г-формы отображения интегралов в котором получены по условию инвариантного воспроизведения первой гармоники измеряемого тока.
Практическая ценность технической разработки - создание ИБПТ, по ряду основных характеристик превосходящего существующие. Он конструктивно прост, надежен, технологичен, имеет низкую стоимость, просто монтируется. У него нет ограничений, усложнений или снижения показателей при расширении диапазона измерения в область сверхбольших токов. Он меньше подвержен влиянию помех. Широкая частотная полоса дает возможность с необходимой точностью измерять токи сложной формы, а повышение порядка фильтра ВИП позволяет наращивать точность измерения и, при необходимости, компенсировать влияние помех. Сопряжение ПИП с ЭВМ (цифровая реализация ВИП) еще более упрощает ИБПТ и расширяет его возможности.
Достоинства предлагаемого ИБПТ позволяют увеличивать число точек (цепей) контроля тока, чем увеличивают информационные ресурсы и функциональные возможности использующих такие ИБПТ систем.
Реализация результатов работы. Владивостокское предприятие «Эра» выпускает разработанное совместно с ДВГТУ устройство для испытания аппаратов токовой защиты «Исток-1», в котором используется предложенный ИБПТ с аналоговым фильтром на операционных усилителях. На Зейской ГЭС ведутся работы по установке ИБПТ с предлагаемыми ПИП и ВИП для измерения токов статора и ротора генераторов этой ГЭС. Полученные результаты использованы в 5 дипломных работах выпускников кафедр АУТС и ЭОАТ ДВГТУ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности. Энергетика и технология»(Владивосток, 1994), Дальневосточно-ной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Вос-тока»(Владивосток, 1995), XXXV научно-технической конференции ДВГТУ (Владивосток, 1995), региональной научно-технической конференции по МРНТП «Дальний Восток России»(Хабаровск, 1995), XXXVI научно-технической конференции ДВГТУ (Владивосток, 1996), Международной электронной конференции «Перспективные технологии автоматизации»(Вологда, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи, 2 изобретения, 6 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 137 наименований. Работа изложена на 131 странице, содержит 70 рисунков и 7 таблиц.
