автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Исследование методов и разработка автоматизированной аппаратуры для поверки средств измерений электрической мощности и коэффициента мощности

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИИ имени Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

Р Г 5 ОД 1 6 опт 1305

На правах рукописи

БУДОВСКИЙ Илья Феликсович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ПОВЕРКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Специальность 05Л1.05 — Приборы и методы измерения

электрических и магнитных величин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

figi ^ Санкт-Петербург

С\ 1995

Работа выполнена во Всероссийском научно—исследовательски институте метрологии имени Д.И. Менделеева.

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший

научный сотрудник Е.З. Шапиро.

Оффициальные оппоненты: доктор технических наук, старший

научный сотрудник С.А. Кравченко,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник С.Т. Виграненкс

Ведущее предприятие: АО "НИИ Электромера".

Защита диссертации состоится " <2- Ъ " октября 1995 г. в часов : заседании диссертационного совета К041.03.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д.И.Менделеева.

Адрес: 198005, Санкт-Петербург, Московский пр., 19, т.259—10— С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИМ име Д.И.Менделеева.

Автореферат разослан " G " октября 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета^ к.т.н., с.н.с.

Г.П.Телитченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (ИМЬ) и Кореи (КШББ) в сличениях 1995 г., причем отклонения

показаний национальных эталонов от среднего были снижены за этот период от 1(Г4до (3^-5) 10"5 на промышленной частоте.

В настоящее время наиболее активные и оригинальные работы в этой области проводятся в РТВ(Германия), Н11С(Канада), МЗТ (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.ОАругюнова, 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.

4. Экспериментальное исследование макетов, реализующих новые струюурные методы уменьшения погрешностей сравнения термоэлектрических ИПМ.

5. Разработка и апробация методов экспериментального исследования ИПМ и ИПКМ высшей точности.

6. 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.

2. 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.

3. Предложены и исследованы структурные методы уменьшения фазовой погрешности более чем на порядок.

4. 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.

5. 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.

6. 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 /Гр, 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 (Г3 в зависимости от Кр.

2. Проведено уточнение угловой погрешности вторичного эталона за счет использования предложенного метода и устройства воспроизведения коэффициента мощности, равного нулю.

3. 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 \ТТ (Финляндия) дали расхождения 110~5при Кр= 1 и 510"3 при К= 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.

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.

3. Результаты анализа влияния паразитных связей между источниками, формирующими фиктивную мощность, на погрешность передачи размера единицы и рекомендации по уменьшению этой погрешности.

4. 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 Äj,, 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены основные проблемы, связанные с измерениями энергетических величин и метрологическим обеспечением средств измерений в этой области. Обоснован выбор тематики работы и показана ее актуальность. Сформулирована цель диссертационной работы и решаемые в ней научные задачи. Отмечена научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе проведен критический анализ состояния эталонных работ в национальных метрологических лабораториях ряда стран, располагающих наиболее точными независимыми эталонами единицы электрической мощности и оригинальными средствами передачи размеров единиц к вторичным эталонам и СИ мощности и энергии.

Показано, что в последнее десятилетие преимущественное развитие получили 4 направления исследований в области создания прецизионных СИ мощности, энергии и коэффициента мощности :

1. Исследования комбинированных методов на основе магнитных компараторов тока и термоэлектрических компараторов напряжения.

2. Исследования методов, использующих двойную модуляцию входных сигналов.

3. Исследования методов, основанных на обработке результатов измерений мгновенных значений напряжения и тока с помощью быстродействующих аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

4. Исследования методов сравнения мощностей постоянного и переменного тока с помощью различных модификаций термоэлектрических ИПМ.

Показано, что, несмотря на несомненную перпективность второго и особенно третьего направлений и их определенные

- ю -

преимущества в области малых значений коэффициента мощности, наибольшая точность в широком диапазоне частот обеспечивается методами, основанными на использовании термоэлектрических ИПМ сравнения. Сделан вывод о целесообразности создания транспортируемого эталона сравнения, а также средств измерений коэффициента мощности высшей точности на основе термоэлектрических ИПМ. Показано, что в транспортируемом эталоне не могут быть использованы методы измерений, примененные в стационарном первичном эталоне. Определены направления теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих минимизировать погрешности термоэлектрических ИПМ и ИПКМ при создании высокопроизводительных транспортируемых эталонов и СИ высшей точности.

Во второй главе проведены теоретические исследования погрешности термоэлектрических ИПМ сравнения и предложены структурные методы уменьшения каждой из составляющих погрешности.

Выделены источники доминирующих составляющих погрешности термо-ИПМ на промышленных частотах: 1) эффекты постоянного тока (эдс смещения согласующих усилителей ИПМ, разнополярность термопреобразователей); 2) неидеальность характеристик термопреобразователей, вызывающая

частотнонезависимую погрешность от неоднозначности функции электрической мощности, важнейшим проявлением которой является фазовая погрешность; 3) угловая погрешность усилителей.

Предложены две структуры ИПМ сравнения, позволившие исключить влияние эдс смещения усилителей на погрешность ИПМ. В первой из них для этой цели использованы высокоточные АЦП, включенные после согласующих усилителей. На постоянном токе при помощи АЦП производится измерение сигналов, поступающих непосредственно на термопреобразователи, равных (/„-+£„,, и ин+есм1, где (/„_, (/,.. - входные сигналы постоянного тока, еы1 е012 -эквивалентные эдс смещения усилителей. На переменном токе, где эффект от эдс смещения проявляется лишь во втором порядке, АЦП отключаются и не влияют на результат измерения. Макет устройства обеспечил погрешность измерения мощности менее 0,01%, однако для его реализации потребовались высокоточные АЦП и цифровое

перемножающее устройство, что затрудняет использование данного метода в транспортируемой аппаратуре.

Более высокую точность измерения при простоте технической реализации обеспечила предложенная структура ИПМ, основанного на быстрой коммутации входных сигналов. Структурная схема ИПМ с быстрой коммутацией сигналов, использованного а транспортируемом эталоне сравнения "Трансватт—Г, и форма сигнала, поступающего на термопреобразователь, показаны на рис. 1.

АУ1

Рис. 1 Структурная схема ИПМ с быстрой коммутацией входных сигналов (а) и форма тока термопреобразователя (б).

ИПМ содержит дифференциальные усилители с высоким входным сопротивлением ДУ1 и ДУ2, входы которых коммутируются при помощи аналоговых коммутаторов S1 и S2 с задаваемой генератором Г частотой fK, превышающей внутреннюю частоту среза термопреобразователей /0; суммирующий и вычитающий усилители СУ, ВУ; две пары термопреобразователей ТП1—ТП4 и выходной усилитель постоянного тока УПТ.

Выходные сигналы ИПМ на постоянном и переменном токе описываются уравнениями (1) и (2):

Ае. = [п, К2иК - т К2и2 )K2ayi Ul + (п, К)х - п2Кп2)К2лу2 U2h+ (1)

Ки| К,| + пгK„iК,2 jКлу\ Кпг Uu-£/,•- + п|е\ы, - пге\ы2 Де- = [п,Kl ~п2К2Л)к2ау1 Uу + (я14 -пгKal)Кгау1 U)-+ (2)

+2^ Aii К и, Ки + Пг Ки 2 К,7 j АГду| Кау г U„- Ur cos q> + п \ - 'Пе2ыг,

где п\,пг — коэффициенты передачи термопреобразователей, Ки\, Кп - коэффициенты передачи СУ: Ки2. Ка — коэффициенты передачи ВУ; Кду|, Кду2 — коэффициенты передачи ДУ1 и ДУ2; ?смь?см2

эквивалентные эдс смещения ДУ1, ДУ2, СУ и ВУ, приведенные соответственно ко входам СУ и ВУ.

Как следует из уравнений (1) и (2), благодаря коммутации входных сигналов как на постоянном, так и на переменном токе, обеспечивается полное подавление влияния эдс смещения усилителей, при идентичности каналов и равенстве коэффициентов преобразования сигналов переменного и постоянного тока. Устраняется также и влияние разнополярности термопреобразователей на постоянном токе, которая сводится к погрешности перехода от синусоидального сигнала к сигналу типа меандр (см. рис. 16), не выявляющейся в области промышленных частот.

Анализ показал, что рассматриваемая структура не требует точной настройки ДУ1 и ДУ2 по их "дифференциальности". При различии коэффициентов передачи ДУ1, ДУ2 по их разноименным входам в 0,1%, изменение синфазной составляющей любого из входных сигналов от 0 до 5 В не вызывает различимого (более 210"6) изменения выходного сигнала ИПМ. Это свойство позволило использовать ИПМ с быстрой коммутацией для поверки СИ мощности и энергии со связанными цепями тока и напряжения.

Проведен анализ присущей данному методу погрешности от конечной длительности фронтов сигналов. Погрешность перехода

ИПМ от постоянного к переменному току не превосходит

•Ук

где С!0 у — номинальное выходное напряжение операционного усилителя; 5 - максимальная скорость нарастания его выходного сигнала; /"к — частота коммутации.

Проведено исследование квадратичности многоэлементных воздушных термопреобразователей (ТП) типа ТЭМ—6 и ТЭМ—8. Показано, что наиболее существенное влияние на квадратичность оказывает изменение сопротивления нагревателя от саморазогрева. Выделены три способа включения ТП: обратная связь (ОС) по напряжению (выходное сопротивление источника сигнала Л„ст много мньше сопротивления нагревателя /?н), ОС по мощности (/?„„=/?„) и ОС по току (/?„„>>/?„). При этом влияние саморазогрева отсутствует при ОС по мощности и имеет разный знак при ОС напряжению и по току, что позволило улучшить суммарную квадратичность ТП путем варьирования режима их включения.

Приводится методика экспериментального исследования характеристики ТП и результаты исследования десяти образцов ТП разных годов выпуска. На рис.2 приведены типовые кривые разности 5Н{КВ между реальными значениями высодной эдс и параболой вида е = а01 (г = а!1), проходящей через точку с номинальным входным сигналом. Полученные данные свидетельствуют, что ОС по току обеспечивает существенно меньшее отклонение характеристики от квадратичной.

и/ином

Рис. 2. Отклонение характеристики ТП от квадратичной.

Экспериментальные данные были использованы для построения нескольких регрессионных моделей характеристики ТП. Показано, что наилучшее приближение при наименьшем числе степеней разложения обеспечивают зависимости вида е = и2 + А[/*^ и

е = п^С+ Р + А/4^, где п — коэффициент передачи ТП, А и С —

постоянные коэффициенты, характеризующие неквадратичность. Для исследованных ТП коэффициент А находится в пределах (4+8) Ю"4 при ОС по току, (1,4+1,7)10"' для ОС по мощности и (2+3)10"' для ОС по напряжению. Коэффициент С не превышает 1-10_< для всех видов ОС.

Получены формулы связи частотнонезависимой составляющей погрешности перехода нескольких основных типов ИПМ от переменного тока к постоянному, вызванной неквадратичностью и неидентичностью ТП (фазовой погрешности уф) с параметрами А и С

- и -

конкретных ТГТ. В частности, для ИПМ с двумя квадраторами уф оценивается как:

где S v = (Nr-N2- К\2) Щ- - (Л/,. - N2. К2Л) U2U. (3)

8/ = (N1- - N2-K2D)U2r - (Nx- Ul - Ni.Kl) U)_ bp = 2(/Vr + N2 -Kui Ka) Uu~ Ur cos <p - 2(/V,_ + N2-Ku2-Ka) Uu- .

В формулах (3) Ni-,N2~,N\-,N2- — нормализованные коэффициенты передачи ТП на переменном и постоянном токе, определяемые как:

/V|- = 1 + ^-(Ul- + 2Uu- Ur cos<p + U]~)

N2- = 1 -2C/U~ £/rcosq> + U2r) (4)

Ni. = l + ^-(Ui- + 2Uи- Ui- + Ul) N2.= 1 + Ul + 2Uu-Ui- + U\),

a Ku2,Ka — нормализованные коэффициенты передачи СУ и ВУ по

вторым входам, устанавливаемые в результате предварительной

балансировки ИПМ по напряжению и току сигналами U& и U& :

, , 4(Ci-C2) Г2 . , 4(CI-C2) X ли2 = 1+-Гд-+ (А\-А2)— Ка = 1+--+ (Ai~A2)-T~. (5)

Uu6

Показано, что ИПМ с тремя квадраторами принципиально присуща большая уф, чем ИПМ с двумя квадраторами. Предложены пути минимизации уф: использование ОС по току, уменьшение на 30% уровня сигнала ТП и увеличение вдвое сигналов балансировки Uu6 и Uю- Разработаны программы расчета уф по формулам (3)-(5). На рис. 3 приводятся результаты графической интерпретации оценки уф для ИПМ установки УППУ1—М (а) и разработанного с учетом проведенного анализа ИПМ эталона сравнения "Трансватг—1" (5).

Проанализированы существующие и предложен ряд новых структурных методов уменьшения уф. Показано, что метод равных температур и известная техническая реализация метода постоянных температур не позволяют полностью исключить погрешность от неидентичности ТП, а кроме того, обладают погрешностью из-за неидеальности теплового контакта между основным и дополнительным нагревателями ТП. Предложена методика исследования этой погрешности с помощью тестовых сигналов. Установлено, что данная погрешность может достигать (2+3)10"'. Предложен и исследован способ измерения, состоящий в формировании входных сигналов постоянного тока, обеспечивающих

неизменность температур ТП, из сигналов переменного тока, при котором дополнительные нагреватели не используются.

Исследовано влияние на 7Ф неидеальности балансировки ИПМ. Предложены структуры ИПМ, исключающие необходимость балансировки и связанную с ней погрешность.

На повышенных частотах реализация преимуществ ИПМ с двумя квадраторами затруднена большей по сравнению с ИПМ с тремя квадраторами угловой погрешность ввиду структурной неидентичности каналов преобразования напряжения и тока. Предложена реализация ИПМ с двумя квадраторами, исключающая эту неидентичность.

Проведенные исследования позволили снизить погрешность перехода ИПМ на промышленных частотах с (5-5-50) Ю-5 до (1+3)10~5.

Третья глава посвящена методам передачи размера единицы электрической мощности от первичного эталона к наиболее точным СИ мощности, энергии и коэффициента мощности.

Основной проблемой, возникающей при поверке указанных СИ, является то, что они принципиально не могут быть поверены при реальной физической величине, поступающей на их вход. Данной проблемы нет при поверке, например, СИ напряжения и тока, которые поверяются и используются при реальных напряжениях и токах, диапазоны которых указаны на их шкалах. Наличие двух источников, формирующих фиктивную мощность, приводит к возникновению дополнительных методических погрешностей поверки из—за влияния паразитных связей между источниками, а также реактивных связей внутри поверяемого и образцового приборов. При

эталонных работах и, в частности, при международных сличениях эти погрешности могут стать доминирующими.

Проведен анализ указанных погрешностей для нескольких схем входных цепей образцового и поверяемого приборов и их комбинаций: мостовая схема, схема с заземленным шунтом, схема с "плавающим" шунтом, схема с трансформаторами во входных цепях. Преимущество пассивного мостового сумматора состоит в отсутствии усилителей, а следовательно, и присущих им инструментальных погрешностей. В то же время, как показал анализ, переход от схемы с заземленным шунтом к мостовой схеме приводит к возрастанию погрешности от влияния неисключенных связей между цепями тока и напряжения, порядок которого составляет (Яд/7?ш)2 раз для амплитудной погрешности и Лд/Лш раз для угловой погрешности, где Яа,Яш ~ сопротивления добавочного резистора и шунта. Учитывая, что, как правило, Яд находится в пределах 1-100 кОм, а Яш — в пределах 0,01—100 Ом, рост погрешности при использовании мостовой схемы оказывается недопустимо велик уже на частотах порядка 500 Гц.

Результаты данного исследования были использованы при разработке транспортируемого эталона сравнения. Кроме того, был переработан компаратор мощности РЭМ, где мостовая схема была заменена схемой с заземленным шунтом и электронными усилителями.

При поверке СИ энергии высшей точности необходимо обеспечить либо возможность интегрирования мощности за промежуток времени до 1000 с, либо стабильность воспроизведенной эталоном мощности на уровне 0,001% за этот промежуток времени. Методы измерения и конструкция источников ГЭМ не соответствуют данным требованиям. В связи с этим, в ходе данной работы была разработана и введена в состав ГЭМ установка передачи размера единицы электрической мощности к наиболее точным СИ мощности и энергии в диапазоне частот 40-5000 Гц, токов 10": — 10 А и напряжений 10—600 В. В основу работы установки, в отличие от методов моделирования нагрузки, использованных в ГЭМ, положен принцип компарирования равных значений мощности постоянного и переменного тока. При близкой к ГЭМ систематической погрешности, установка для передачи размера единицы обладает существенно большей производительностью. Случайная погрешность измерения была снижена по отношению к ГЭМ за счет исключения влияния

нестабильности источников и обеспечения возможности интегрирования сигнала.

Введение в строй установки решило задачу поверки переносных однофазных и части трехфазных СИ мощности и энергии. В то же время, использование компарирования равных значений мощности, требующего наличия источников и средств измерений постоянного тока высшей точности, не позволяет применить данное решение при построении переносной аппаратуры для проведения международных сличений и поверки стационарных СИ мощности и энергии. Данная задача была решена в ходе разработки транспортируемого эталона сравнения, описание которого приводится в главе 5.

Предложен и исследован теоретически модифицированный метод равнобедренного треугольника, позволяющий отказаться от промежуточного звена и производить аттестацию СИ энергии, непосредственно используя ГЭМ. Суть предложенной модификации состоит в том, что, в отличие от метода, примененного в ГЭМ, производится лишь грубая регулировка модулей и сдвига фаз сигналов переменного тока. При этом треугольник напряжений оказывается неравнобедреннным, однако значение мощности сигналов переменного тока может быть вычислено по результатам измерений выходных эдс индикатора равенства модулей и термоэлектрического преобразователя тока, а также значений мощности поглощения в шунте и коэффициента деления делителя напряжения, измеренных на постоянном токе.

Основная работа в области измерений Кр была направлена на создание более производительной и удобной аппаратуры, близкой по точности к ГЭМ. В частности, в состав РЭМ введена автоматизированная система аттестации средств измерений Кр, позволившая в 10-20 раз повысить производительность поверки. В основу работы системы положены традиционно развиваемые во "ВНИИМ" энергетические методы измерения Кр, позволяющие находить его в соответствии с физическим смыслом как отношение активной мощности к полной К = Р]8. Измерение Кр производится путем двух измерений активной мощности с помощью образцового ИПМ: при Л"р=1, когда выходной сигнал ИПМ максимален, и при Кр, соответствующем поверяемому показанию СИ. По результатам исследования системы, абсолютная систематическая погрешность

измерения Кр не превосходит МО 4 на частоте 40 Гц и 1,5-10 3 на частоте 5000 Гц.

С целью дальнейшего повышения быстродействия и точности аттестации СИ Ар, был предложен и экспериментально опробован способ измерения Ар, состоящий в том, что искомое значение Ар определяют как:

К =2 ЩЩ, (6)

где {I!и 11,) — скалярное произведение сигналов 1/и и {]■,, пропорциональных напряжению и току. При равных значениях ии и {/,- справедливо равенство 1/1 + и] = И}иИ-,, и правая часть выражения (6) становится тождественно равна сое (р. Практическое удобство данного способа состоит в том, что значение суммы квадратов входных сигналов ИПМ 1Ри + и], в отличие от произведения их модулей ии[/1, может быть легко получено путем измерения суммы выходных сигналов термопреобразователей ИПМ. Таким образом, отпадает необходимость определения произведения £/„#/ путем установления А^,=1 и дополнительного измерения мощности. Благодаря дальнейшему уменьшению времени измерения в 50 раз, удалось почти на порядок сократить случайную погрешность измерения, которая вызвана, в основном, нестабильностью ИПМ за время измерения. При времени измерения около 2 секунд, СКО результатов измерений не превышало 5-10~б .

В четвертой главе рассматриваются предложенные методы экспериментального исследования СИ мощности высшей точности. Поверка на первичном эталоне позволяет осуществить лишь комплектную аттестацию СИ и, как правило, не несет информации о погрешности отдельных узлов исследуемого СИ. Использование в СИ мощности термоэлектрического принципа приводит к сближению точностных характеристик наиболее точных СИ и эталона, что затрудняет анализ различных составляющих погрешности СИ мощности и их устранение.

Предложены методы двух групп: 1) методы, дающие возможность, используя сравнительно простые аппаратные средства, приближенно оценить составляющие погрешности отдельных узлов СИ, не прибегая к использованию эталона - такой подход особенно

полезен на стадии разработки СИ; 2) методы, предназначенные для исследования отдельных составляющих погрешности СИ мощности с максимально возможной точностью.

Обоснован метод оценки фазовой погрешности ИПМ путем измерения их нелинейности на постоянном токе. Показано, что преобладание в реальных ТП неквадратичности четвертого порядка приводит к тому, что в ИПМ с двумя квадраторами нелинейность на постоянном токе является доминирующей и близка к погрешности перехода от постоянного тока к переменному.

Предложена и исследована методика абсолютного измерения погрешности перехода ИПМ непосредственно на переменном токе при произвольном значении со$ф. Систематическая погрешность измерения зависит лишь от амплитудных погрешностей двух низковольтных устройств — делителя напряжения ДН с коэффициентом деления от 0 до 1 уд и усилителя уу и определяется выражением:

_ 7д~7у,/2-2со5ф(1- ^2-2со$ф) Уподг - С0§ф •

Как следует из (7), наибольшая точность достигается при сое ф =0,5, когда усилитель вообще не используется, а номинальный коэффициент деления ДН равен 0,5. Поскольку при этом погрешностью подгонки делителя можно пренебречь, погрешность всего устройства обуславливается, практически, только случайной составляющей и для серии из четырех и более измерений не превосходит 3-Ю"6.

Исследование амплитудных и угловых погрешностей масштабных преобразователей напряжения и тока, как правило, осуществляется путем замещения одного из масштабных преобразователей эталонным при Кр, равным, соответственно, 1 и 0. Наибольшая погрешность сравнения при этом вносится нестабильностью источников и изменением их нагрузки. Предложена и исследована методика с использованием двух ИПМ со встречно включенными выходными сигналами, исключающая данную погрешность.

Наиболее трудной задачей экспериментального исследования СИ высшей точности является определение его суммарной угловой погрешности. Для этого необходимо воспроизвести с наивысшей

точностью 90-градусный сдвиг между напряжением и током, соответствующий Кр—0. Наиболее точным способом воспроизведения Лр=0 является сравнение модулей суммы и разности двух сигналов, пропорциональных току и напряжению измеряемой цепи. На низких частотах погрешность воспроизведения К= 0 в основном определяется погрешностью сумматоров, а на высоких - угловой погрешностью масштабных преобразователей.

Предложены и исследованы два устройства для воспроизведения К= 0. Первое из них, предназначенное для работы на промышленных частотах, позволило исключить погрешность сумматоров

методическим путем. Во втором устройстве, за счет формирования суммы и разности напряжения шунта и полного напряжения поверяемого прибора, исключается наибольшая из двух угловых погрешностей — угловая погрешность масштабного преобразователя напряжения. Данное устройство дало возможность абсолютного измерения угловой погрешности делителей напряжения.

В пятой главе приводятся результаты разработки и исследования транспортируемого эталона сравнения единицы электрической мощности "Трансватг-1", воплотившего основные результаты, полученные в первых четырех главах. Структурная схема эталона приведена на рис. 5.

"Трансватт—1" представляет собой дифференциальный термоваттметр, на цифровом индикаторе которого индицируется разность между измеряемым Р- и установленным внутренним калибратором значением мощности Р„ . Прибор имеет два аналоговых выхода: напряжения ир и частоты Р„, пропорциональных измеряемой мощности, что дает возможность использовать его в качестве образцового ИПМ или образцового счетчика электроэнергии.

Высокая точность измерения достигнута за счет использования в ИПМ, соответствующем рис.2, быстрой коммутации входных сигналов и ОС по току, а также за счет реализованной в приборе методики периодической калибровки ИПМ и ПНЧ при помощи опорных сигналов постоянного тока. Приводится анализ погрешности и описание основных узлов эталона.

&-1 йир ир рр иАР

ППи, ПП, - первичные преобразователи напряжения и тока;

КПН — калибратор постоянного напряжения;

Si — электронные коммутаторы цепей напряжения и тока;

КАЛИБР/РАБОТА — кнопка управления 5Ц, Б;;

ИПМ - измерительный преобразователь мощности;

ПНЧ — преобразователь напряжения в частоту;

— регуляторы коэффициентов передачи ИПМ и ПНЧ;

Д — сумматор;

АЦП — аналого-цифровой преобразователь с цифровым

индикатором.

Рис. 5. Структурная схема транспортируемого эталона сравнения

Исследования эталона сравнения проводились путем его сличений с ГЭМ и поэлементно с использованием методов, изложенных в четвертой главе. Основными метрологическими характеристиками эталона сравнения, определяемыми при сличениях с ГЭМ, являются среднее значение 5Р и СКО 5 расхождений двух эталонов. Сличения проводились при /=1 А, ¿/=100 В и /=57 Гц. Результаты измерений приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты сличений ГЭМ и "Трансватт-1"

Соз ф 8р, % 5, %

1 0.5 0,0012 0,0028 0,0005 0,0004

Изменение 8,, за три месяца составило не более 0,001%.

При поэлементном исследовании определялись различные составляющие неисключенной систематической погрешности 0, и СКО эталона сравнения S„. На основании полученных данных, в соответствии с ГОСТ 8.321—80 были найдены пределы суммарной погрешности измерения мощности S. В зависимости от влияющих факторов (диапазоны частот, напряжений, токов и cos <р ), предел суммарной погрешности измерений мощности в интервале 1а составил 0,003...0,01%.

ВЫВОДЫ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Систематизированы материалы научных исследований в области создания первичных и вторичных эталонов единицы электрической мощности, проведенных в национальных метрологических лабораториях ведущих в данной области измерений стран.

2. Предложена математическая модель и дана графическая интерпретация фазовой погрешности для наиболее точных ИПМ. Разработаны и исследованы структурные методы уменьшения фазовой погрешности более чем на порядок.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

5. Предложены методики и специальные устройства для экспериментального исследования погрешностей ИПМ и ИПКМ высшей точности. Методики использованы при исследовании вторичного эталона и эталона сравнения.

6. Обеспечена возможность проведения международных сличений эталонов мощности. Разработаны, созданы и исследованы основные узлы транспортируемого эталона сравнения "Трансватг-1". Эталон сравнения исследован и сличен с Государственным эталоном в соответствии с предложенными в работе методиками исследований. Проведенные в 1992 г. сличения эталонов ВНИИМ и \ТТ (Финляндия) дали расхождения 1-Ю"5 при Ар=1 и 5-10"5 при /Гр=0,2.

7. 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)10~5.

8. Предложены новые методы измерения К^. В состав вторичного эталона электрической мощности введена автоматизированная система поверки средств измерений коэффициента мощности, позволившая более чем в 50 раз повысить производительность поверки.

9. Разработан и экспериментально исследован ИПМ для трехфазного счетчика электроэнергии ТГО—1 с погрешностью 0,02%.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. И. Ф. Будовский, Е. 3. Шапиро. Исследование электротешювых преобразователей мощности для СИ мощности и энергии // Третья Республиканская научно-техническая конференция "Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике": Тезисы докладов. - Харьков, 1988, с. 147.

2. И. Ф. Будовский, Б. 3. Шапиро. Вопросы разработки и исследования исходных средств измерения коэффициента мощности в диапазоне частот 40 — 5000 Гц. // Третье Всесоюзное совещание

"Точные измерения электрических величин: переменного тока, напряжения, мощности, энергии и угла фазового сдвига": Тезисы докладов. Кириши, 1988, с. 164-165.

3. В. С. Белов, И. Ф. Будовский, Е. 3. Шапиро. Первичные преобразователи переменного напряжения и тока для исходных средств измерений электрической мощности // там же, с. 162-163.

4. Е. 3. Шапиро, И. Ф. Будовский. Исследование элекгро-тепловых преобразователей мощности для образцовых средств измерений электрической мощности и энергии // там же, с. 259-260.

5. И. Ф. Будовский. Особенности передачи размера единицы электрической мощности к СИ мощности и энергии, удаленным от эталона // VIII Всесоюзная научно—техническая конференция молодых ученых и специалистов организаций и предприятий системы Госстандарта СССР: Тезисы докладов. - Новосибирск, 1989, с. 98-99.

6. Е. 3. Шапиро, И. Ф. Будовский, О.Г. Пушкарева. Автоматизированная система для аттестации образцовых средств измерений коэффициента мощности // В кн: "Исследования в области электрических измерений". JL: Энергоатомиздат, 1990, с. 57—63.

7. I. F. Budovsky. A zero power factor reference in the frequency range 400-20000 Hz // CPEM'90 Supplementary Information, Ottawa, 1990, pp. 24-25.

8. E. Z. Shapiro, I. F. Budovsky. A computerized system for the calibration of standard watthour meters // 4 IMEKO International symposium on intelligent measurements of electrical and magnetic quantities, Varna, 1990, pp. 34-35.

9. I. F. Budovsky. A zero power factor reference in the frequency range 400-20000 Hz // IEEE Transactions on Instrum. Meas., Vol. 40, N2, April 1991, pp. 396-398.

10. И. Ф. Будовский. Устройство для воспроизведения коэффициента мощности, равного нулю. А.с. № 1647481, 1991, Б.И. № 17.

11. И. Ф. Будовский. Способ поверки измерителей коэффициента мощности. А.с. № 1670640, 1991, Б.И. № 30.

12. И. Ф. Будовский, Е. 3. Шапиро. Устройство для поверки ваттметров. Положительное решение по заявке № 479379.21-021387 от 31.07.91г.

13. И. Ф. Будовский, Е. 3. Шапиро. Термоэлектрическое множительное устройство для компарирующих измерительных

преобразователей мощности. Положительное решение по заявке №4941926.21-019468 от 4.03.91.

14. Е. 3. Шапиро, И. Ф. Будовский. Образцовый измерительный преобразователь мощности и энергии. А.с. № 1803894, 1993, Б.И. №11.

15. I. Budovsky. A very low frequency ac-dc transfer standard // CPEM'94 Digest, Boulder, 1994, pp. 391-392.

16. E. Shapiro and I. Budovsky. A thermal watt-transfer standard // CPEM'94 Digest, Boulder, 1994, pp. 417-418.

17. I. Budovsky. Very low frequency ac-dc transfer standard // IEEE Transactions on Instrum. Meas., Vol. 44, N2, April 1995, pp. 367-369.

18. E. Shapiro and I. Budovsky. Thermal watt—transfer standard // IEEE Transactions on Instrum. Meas., Vol. 44, N2, April 1995, pp. 399-402.